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輸電線路故障類型辨識研究

文檔作者：黃志都，覃秀君，黃鋒，俸波，蔣圣超，莫枝閱文檔來源：廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年07月12日
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上一篇：輸電線路雷擊監(jiān)測技術(shù)探討

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電工技術(shù)理論研究
輸電線路故障類型辨識研究
黃志都，覃秀君，黃 鋒，俸 波，蔣圣超，莫枝閱
(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣西南寧530000)
摘 要：對輸電線路常見的故障類型進(jìn)行了歸納和分析，并對典型類型故障的辨識方法進(jìn)行了研究，以期為輸電線
路故障智能診斷提供理論參考。
關(guān)鍵詞：輸電線路；智能診斷；原因辨識；故障類型
中圖分類號：TM727
Research on Fault Type Identification of Transmission Lines
HUANG Zhidu, QIN Xiujun, HUANG Feng, FENG Bo, JIANG Shengchao, MO Zhiyue
(Electric Power Research Institute, Guangxi Power Grid Co., Ltd., Nanning 530000, China)
Abstract: In this paper, the common fault types of transmission lines are summarized and analyzed, and the identification
methods of typical fault types are studied in order to provide a theoretical reference for intelligent fault diagnosis of transmissionlines
Key words: transmission line； intelligent diagnosis； cause identification； fault type
0引言
輸電線路跨越距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大、地理環(huán)境與氣候
環(huán)境多變，極易因各種因素而形成跳閘故障，給電力系統(tǒng)
的安全運(yùn)行帶來不利影響。輸電線路跳閘后，從組織巡查
找到故障點到識別出故障原因需要較長時間。由于輸電線
路高度較高，部分故障發(fā)生后留下的故障痕跡不明顯，難
以判斷故障形成原因，因此無法制定針對性的防范措施，
相同故障有可能再次發(fā)生。為此，準(zhǔn)確識別出故障類型有
助于準(zhǔn)確防范，防止故障再次發(fā)生，對于減少線路停電并
提高線路安全運(yùn)行水平意義重大。
1輸電線路故障類型
運(yùn)行經(jīng)驗表明，輸電線路故障種類繁多，人為因素、
自然災(zāi)害及自然環(huán)境中的異物入侵等都有可能造成輸電線
路故障。從表現(xiàn)形式、形成機(jī)理來看，輸電線路故障主要
有以下幾大類。
(1) 雷擊故障，自然雷電擊中輸電線路引起絕緣間隙
擊穿。由于雷電活動與氣候及環(huán)境密切相關(guān)，因此其呈現(xiàn)
出較強(qiáng)隨機(jī)性。由于雷電活動范圍廣，發(fā)生頻繁，而輸電
線路是良好的引雷體，因此輸電線路大部分故障由雷電活
動引起。
(2) 外力破壞，主要因施工機(jī)具過于靠近輸電線路，
引起輸電導(dǎo)線對施工機(jī)具放電。由外力破壞導(dǎo)致的輸電線
路跳閘故障發(fā)生次數(shù)僅次于雷擊。
(3) 除了雷擊故障與外力破壞外，輸電線路典型故障
收稿日期:2019-04-17
類型還包括覆冰、污閃、樹障、飄掛物、鳥害、異物入侵
等，部分故障為自然災(zāi)害引起，部分因線路運(yùn)維不到位使
得線路外絕緣水平低于正常運(yùn)行要求，在正常運(yùn)行工頻電
壓下發(fā)生閃絡(luò)。
我國某省電網(wǎng)2013年至2015年間110 kV及以上電
壓等級線路共發(fā)生約1800次故障。其中雷擊故障占比約
60%；外力破壞、山火、覆冰等故障占比依次為9.17%、
&amp;amp; 28%、6.72%；鳥害、風(fēng)偏等故障也占據(jù)了一定的比
例。由此可看出輸電線路故障類型的多樣性。
2輸電線路雷擊與非雷擊故障辨識
為實現(xiàn)輸電線路雷擊與非雷擊故障類型辨識，國內(nèi)外
學(xué)者對典型的故障類型進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真，得到了不同故障
下暫態(tài)電流特征規(guī)律，以此通過暫態(tài)電流特征差異來實現(xiàn)
故障類型的辨識。
雷擊與非雷擊故障形成的電流行波特征差異主要體現(xiàn)
在波形波尾時間上。在雷電波作用下，由于桿塔接地電阻
反射波的疊加作用，波形波尾部分被抵消，因此波形脈沖
寬度變窄，使得電流行波波尾時間低于標(biāo)準(zhǔn)雷電波電流波
尾時間(40 Ms),實測數(shù)據(jù)一般低于20 is 而對于非雷擊
故障，行波是在正常運(yùn)行的工頻電源作用下產(chǎn)生的，暫態(tài)
過程極短，持續(xù)時間一般“s級別，在該時間尺度下認(rèn)為
工頻電壓保持恒定，即等效為直流電源作用下的間隙擊穿
過程，故障行波電流從零增加至最大值，然后緩慢衰減至
零，其波尾時間一般大于40 “s。
利用行波波尾時間法辨識雷擊與非雷擊故障類型的判
據(jù)明顯，且經(jīng)過大量實測數(shù)據(jù)的驗證，可有效識別雷擊與
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理論研究電工技術(shù)
非雷擊故障。然而該方法需要在導(dǎo)線上安裝監(jiān)測終端，工
程實施較為困難。此外，行波遠(yuǎn)距離傳輸后由于色散效
應(yīng)，其波尾時間變長，可能導(dǎo)致判據(jù)失效。
3輸電線路雷擊故障類型原因辨識
輸電線路雷擊故障又分為雷電反擊故障（下文簡稱反
擊）和雷電繞擊故障（下文簡稱繞擊）。目前識別反擊與繞
擊故障方法主要包括以下幾種。
3.1雷電流幅值判別法
雷電流幅值判別法依賴于雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測的雷電流
幅值數(shù)據(jù)，認(rèn)為大幅值雷電流形成的故障為反擊，反之為
繞擊。我國DL/T 620—1997對常見電壓等級輸電線路反
擊耐雷水平進(jìn)行了規(guī)定，其中35、110、220、330 kV電
壓等級輸電線路反擊耐雷水平分別應(yīng)不低于20?30、45?
75、 75?110、 100?155kA， 而繞擊耐雷水平分別應(yīng)不低
于3.5、7、12. 16 kAo從以上數(shù)據(jù)可看出，繞擊耐雷水
平遠(yuǎn)低于反擊。
該方法判據(jù)簡單，但存在以下局限性：（1）全線路安
裝雷電流監(jiān)測裝置需耗費(fèi)大量資金，經(jīng)濟(jì)性差，難以實
施；（2）山地、高大建筑物或植被等對輸電線路有屏蔽效
應(yīng)，當(dāng)輸電線路位于山坡外側(cè)時，較大的雷電流也有可能
繞擊于導(dǎo)線上，因此該方法對于山區(qū)線路故障性質(zhì)判別不
夠準(zhǔn)確；（3）雷電放電具有較強(qiáng)的分散性，雷擊下行先導(dǎo)
路徑有很強(qiáng)的隨機(jī)性，因此較大幅值的雷電也有可能繞擊
于導(dǎo)線上；（4）連續(xù)多重雷擊同樣易造成線路繞擊，而不
是過去認(rèn)為的僅是反擊。
3.2閃絡(luò)相別判別法
閃絡(luò)相別判別法根據(jù)反擊及繞擊故障時導(dǎo)線閃絡(luò)規(guī)律
特征差異實現(xiàn)繞反擊故障的判別。該方法結(jié)合輸電線路導(dǎo)
線排列方式、故障錄波系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場巡線情況進(jìn)行
雷擊故障類型判斷。
當(dāng)輸電線路導(dǎo)線為三角排列時，避雷線對各相導(dǎo)線保
護(hù)角不同，且避雷線-相導(dǎo)線間耦合系數(shù)大小不等，因此
三相導(dǎo)線遭受反擊與繞擊故障的概率存在差異。下相導(dǎo)線
與避雷線距離遠(yuǎn)，耦合系數(shù)小，雷擊塔頂時下相導(dǎo)線更易
形成反擊故障；而對于上兩相導(dǎo)線，由于保護(hù)角較大，發(fā)
生繞擊故障的可能性更高。
當(dāng)輸電線路導(dǎo)線為水平排列時，邊相保護(hù)角大于中
相， 更易遭受繞擊， 而中相導(dǎo)線則不易形成繞擊故障。 當(dāng)
中相導(dǎo)線遭受雷擊閃絡(luò)時，一般認(rèn)為是反擊造成的。若鄰
近兩基或多基桿塔變相同時閃絡(luò)，則認(rèn)為是反擊造成的。
繞擊一般不會同時擊中多相導(dǎo)線，當(dāng)出現(xiàn)多相閃絡(luò)時認(rèn)為
是反擊造成的。
3.3雷電流方向判別法
雷電流方向判別法是將雷電流監(jiān)測裝置分別安裝于輸
電線路塔頂、避雷線及耦合地線（若有安裝）上，監(jiān)測并記
錄雷電流幅值及方向，并結(jié)合雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測的落雷位
置來綜合判斷是繞擊還是反擊故障。
雷擊輸電線路桿塔頂部或避雷線時，雷電流沿著桿塔
頂部從上往下進(jìn)入大地，橫擔(dān)上部與下部的監(jiān)測裝置監(jiān)測
的雷電流方向相同。對于繞擊導(dǎo)線，雷電流注入導(dǎo)線后，
大部分分量沿絕緣子旁的閃絡(luò)通道進(jìn)入橫擔(dān)，然后其中一
部分沿橫擔(dān)下部分塔身進(jìn)入大地，另一部分沿桿塔上部流
經(jīng)塔頂， 并經(jīng)避雷線后在鄰近桿塔進(jìn)入大地， 因此橫擔(dān)上
部與下部雷電流方向相反。電流流經(jīng)方向示意圖如圖1
所示。
圖1反擊與繞擊閃絡(luò)時桿塔電流方向?qū)Ρ?
Fig.l Comparison of current directions in tower with back
and sheilding failure flashovers
如圖2 所示， 當(dāng)相鄰桿塔遭受雷擊時， 雷電流經(jīng)避雷
線傳輸至本基桿塔， 然后沿塔身從上往下入地， 本基桿塔
橫擔(dān)上部與下部電流方向相同，易造成辨識錯誤。為了準(zhǔn)
確識別雷擊類型，沿線每基桿塔必須安裝雷電流監(jiān)測裝
置，工程量大、投資高、維護(hù)困難，因此雷電流方向判別
法難以大面積推廣應(yīng)用。
圖2鄰近桿塔閃絡(luò)時電流方向
Fig.2 Current direction when flashover occurs on adjacent tower
3.4接地電阻大小判別法
根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗，當(dāng)輸電線路位于山坡外側(cè)時，雷電繞
擊導(dǎo)線的概率大幅增加， 而當(dāng)輸電線路位于山坡內(nèi)側(cè)時，
由于山頂對線路良好的屏蔽效應(yīng)，因此很難發(fā)生繞擊。根
據(jù)這一經(jīng)驗可粗略判斷出故障類型。如果能進(jìn)一步結(jié)合故
障桿塔接地電阻阻值大小，那么能使故障性質(zhì)判斷更明
確。一般認(rèn)為桿塔接地狀況良好時，難以發(fā)生反擊故障，
因此接地電阻較大時發(fā)生的故障為反擊故障的可能性更
大， 而接地電阻較小時則易發(fā)生繞擊。
4輸電線路非雷擊故障原因辨識方法
輸電線路非雷擊故障種類多，形成機(jī)理復(fù)雜，目前尚
（下轉(zhuǎn)第31頁）
2019|19 期 27
理論研究電工技術(shù)
表4 2018年改進(jìn)前后模型預(yù)測值的對比
Tab. 4 Comparison of modelforecast values before and
after improvement in 2018
GM(1,1)模型-
年用電量/(108kW - h)
- 相對誤差
預(yù)測值實際值誤差
改進(jìn)前121. 98 11918 —2. 80 —2 35%
改進(jìn)后119. 79 11918 —0. 61 —0. 51%
2018年改進(jìn)前后的預(yù)測情況說明了滑動平均處理方法
的優(yōu)越性。因此，可利用改進(jìn)后的GM(1,1)模型對該市
近五年的年用電量進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果可作為今后安排機(jī)
組檢修計劃及電網(wǎng)運(yùn)行方式的依據(jù)，詳細(xì)預(yù)測結(jié)果見
表5。
表5該市2019年至2023年的年用電量預(yù)測值
Tab. 5 Forecast values of annual electricity consumption in
the city from 2019 to 2023
年份2019 2020 2021 2022 2023
電量/(108kW- h) 12889 13868 14921 16055 17273
5結(jié)語
利用滑動平均處理方法改進(jìn)GM(1,1)模型進(jìn)行預(yù)
測，既增加了近年數(shù)據(jù)的權(quán)重，又避免了數(shù)值的過度波
動，強(qiáng)化了原始數(shù)據(jù)的大致趨勢，不但解決了普通灰色預(yù)
測法受異常數(shù)據(jù)影響較大的問題，還充分利用了灰色預(yù)測
法預(yù)測精度高的優(yōu)點。同時，本文還使用后驗差檢驗法對
(上接第27頁)
難用常規(guī)的方法辨識出非雷擊故障類型，辨識方法有待進(jìn)
一步完善。目前已有的研究中，日本電力公司對非雷擊故
障類型進(jìn)行了較深入的分析，其利用故障暫態(tài)電流頻譜分
布特征進(jìn)行故障類型的辨識。通過大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，動
植物造成的輸電線路接地故障在故障前后電流波形中富含
高頻諧波成分；而覆冰、污穢等故障在閃絡(luò)前形成的波形
中含有高頻諧波，但閃絡(luò)后波形不存在高頻諧波分量；對
于良導(dǎo)體造成的金屬性接地故障，閃絡(luò)前波形無高頻分
量，僅有微小預(yù)放電電流，閃絡(luò)后波形中高頻含量也很
低。通過分析故障閃絡(luò)前后波形高頻特征可初步判斷故障
類型。
5 結(jié)語
目前已有技術(shù)能較好地識別雷擊與非雷擊故障，且對
雷擊故障中的反擊與繞擊也有較高的識別率，但非雷擊故
兩種模型的精度進(jìn)行檢驗，使預(yù)測結(jié)果更具有說服力。本
文提出的方法能滿足電力系統(tǒng)中長期負(fù)荷預(yù)測的要求，具
有一定的經(jīng)濟(jì)和實用價值。
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障類型辨識技術(shù)有待進(jìn)一步完善。隨著線路運(yùn)行水平的提
升、監(jiān)測技術(shù)的日新月異，新技術(shù)新產(chǎn)品不斷投入到輸電
線路狀態(tài)監(jiān)測，這對于輸電線路故障診斷起到更好的推動
作用，輸電線路故障類型辨識率將逐步提升，輸電線路安
全運(yùn)行水平將進(jìn)一步提升。
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2019 |19 期 31

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