一種電力貫通線單相接地故障測(cè)距的新方法

邱萬(wàn)英

(華東交通大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，江西南昌330013)

一種電力貫通線單相接地故障測(cè)距的新方法

邱萬(wàn)英

(華東交通大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，江西南昌330013)

簡(jiǎn)析了電力貫通線單相接地故障時(shí)電壓電流與阻抗之間的關(guān)系，提出了基于MATLAB仿真的新型故障測(cè)距法。該方法不需新增任何硬件設(shè)備，僅需使用現(xiàn)有的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和相關(guān)軟件。利用遠(yuǎn)動(dòng)裝置判定故障所在區(qū)間，用MATLAB對(duì)該區(qū)間進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果，用最小二乘法擬合出測(cè)距公式。研究成果已經(jīng)應(yīng)用到第一線，希望在試用中得到檢驗(yàn)、改善。雖然仿真是針對(duì)南昌至永修電力貫通線進(jìn)行的，但這種解決問(wèn)題的思路，可以推廣至所有貫通線。

故障測(cè)距;貫通線;單相接地;MATLAB仿真;最小二乘法

1 電力貫通線線路特點(diǎn)

電力貫通線主要為鐵路沿線的車(chē)站和區(qū)間重要負(fù)荷供電，兼做信號(hào)設(shè)備的備用電源。貫通線采用中性點(diǎn)非直接接地的方式，屬于小電流接地系統(tǒng)。當(dāng)貫通線發(fā)生單相接地時(shí)，由于故障電流較小，并且對(duì)于負(fù)荷來(lái)說(shuō)三相電壓仍然保持對(duì)稱(chēng)，故一般允許繼續(xù)運(yùn)行1～2小時(shí)。但單相接地會(huì)引起非故障相的對(duì)地電壓升高，對(duì)絕緣構(gòu)成威脅，可能發(fā)展成其他形式的嚴(yán)重故障。上述特點(diǎn)與普通10 kV線路相同。但與普通10 kV線路相比較，貫通線主要有如下不同點(diǎn):

(1)線路結(jié)構(gòu)多變。貫通線常常由架空線與電纜交替分段連接，組成了架空線與電纜的混合線。

(2)供電半徑長(zhǎng)。普通10 kV線路的供電半徑一般不超過(guò)15 km。而按照《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》TB100－99規(guī)定，向鐵路沿線的自動(dòng)閉塞和電力貫通線路供電的10 kV變配電所之間的供電距離一般條件下宜為40～60 km。當(dāng)跨所供電時(shí)，則供電距離可能超過(guò)100 km。

(4)供電可靠性要求高。鐵路信號(hào)設(shè)備等均屬一級(jí)負(fù)荷，要求不間斷供電。

考慮上述特點(diǎn)，本文針對(duì)南昌至永修電力貫通線進(jìn)行MATLAB仿真，重點(diǎn)研究首端電壓電流及末端電壓與故障距離的關(guān)系，并得出計(jì)算故障距離的公式。

2 理論分析

簡(jiǎn)明起見(jiàn)，參照文獻(xiàn)［1］的方法，結(jié)合貫通線的實(shí)際，畫(huà)出簡(jiǎn)化單相等值電路如圖1所示。

圖1中，F(xiàn)為故障點(diǎn);Rf為過(guò)渡電阻;Zs=Rs+ jXs為電源內(nèi)阻抗;Z1=R1+jX1，Z2=R2+jX2為線路阻抗;ZL=RL+jXL為負(fù)荷等效阻抗。則由KVL和KCL

圖1 貫通線單相接地簡(jiǎn)化等值電路

式(1)+(2)得

即

實(shí)際運(yùn)行中，能夠直接測(cè)得的電壓電流只有U1，U2和I1，為便于測(cè)距，應(yīng)設(shè)法求出Z1與U1，U2，I1的關(guān)系表達(dá)式。

（3）混合調(diào)配：將百香果汁和胡蘿卜汁按一定比例混合，加入少許小蘇打溶液，調(diào)至混合液pH值為6.5，再按比例加入鮮奶和白砂糖，最后再加入穩(wěn)定劑，攪拌均勻即可。

貫通線負(fù)荷很輕，負(fù)荷阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線路阻抗。一般，線路阻抗又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電源內(nèi)阻抗，即

故由式(5)可解得

事實(shí)上，因負(fù)荷阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線路阻抗，故UF≈U2，從而式(6)成立。

為此，定義阻抗

同理，可求得

顯然，式(7)和式(8)可方便地應(yīng)用于貫通線的故障測(cè)距，其近似正確性將在下述仿真研究中得到證實(shí)。

3 計(jì)算機(jī)仿真

以南昌至永修電力貫通線為例，進(jìn)行故障測(cè)距的仿真研究。

南昌至永修電力貫通線全長(zhǎng)51.866 km，由19段電纜與架空線交替連接而成，其中電纜總長(zhǎng)為10.687 km，架空線總長(zhǎng)為41.179 km。貫通線與自閉線由不同電源點(diǎn)供電，互為備用，且總是單端供電。具體接線如圖2所示。

圖2 南昌至永修貫通線接線示意圖

圖2中，各配電所的10 kV母線直接與地方變電站相連。T1－T4為調(diào)壓器，主要起隔離和調(diào)壓的作用。TL1－TLn為負(fù)荷變壓器。QF為斷路器，下標(biāo)L表示負(fù)荷，下標(biāo)d表示區(qū)間斷路器，共用4組區(qū)間斷路器將全線分為5個(gè)區(qū)間。貫通線采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式?，F(xiàn)有遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)可以判定故障所在區(qū)間，所以故障測(cè)距只需要分區(qū)間進(jìn)行。

分別設(shè)定不同的故障模塊過(guò)渡電阻值，對(duì)于每一個(gè)過(guò)渡電阻值，依次改變故障相A的接線位置至電纜接頭處，運(yùn)行MATLAB，得到仿真系列結(jié)果。限于篇幅，僅列出部分結(jié)果如表1所示。

表1 南昌至永修貫通線部分仿真結(jié)果

表1中，I1為首端故障相電流，U1和U2分別為首末端故障相電壓。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 回歸分析與測(cè)距公式

現(xiàn)有遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)可以判定故障所在區(qū)間，所以對(duì)仿真結(jié)果可按區(qū)間進(jìn)行回歸分析。

用MATLAB進(jìn)行最小二乘線性擬合，得到線性關(guān)系式如下:

分析故障距離d與阻抗z及過(guò)渡電阻Rf之間的關(guān)系。同理，編寫(xiě)MATLAB程序，繪出三維關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，故障距離d與阻抗z近似成線性關(guān)系，這與理論分析中式(7)是一致的;d與過(guò)渡電阻Rf近似成倒數(shù)關(guān)系。因此，可以假設(shè)

為求出系數(shù)kz，kr和k0，編寫(xiě)多元線性回歸的m程序，運(yùn)行MATLAB軟件，擬合得到

式(9)和式(10)即為區(qū)間1的測(cè)距公式。

同理，可得到區(qū)間2至區(qū)間5的測(cè)距公式。

4.2 測(cè)距誤差分析

每一區(qū)間驗(yàn)證一個(gè)故障點(diǎn)。將數(shù)據(jù)代入測(cè)距公式，求得結(jié)果如表2所示，用MATLAB畫(huà)出的誤差曲線如圖4所示。

圖3 d－Rf－z的關(guān)系曲線

圖4 誤差曲線

表2 故障測(cè)距誤差

由表2及圖4可知，測(cè)距誤差在±0.5 km以內(nèi)。

5 結(jié)論

基于MATLAB仿真的故障測(cè)距，由于考慮了對(duì)地電容與不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷等的影響，與傳統(tǒng)的電抗法相比，首先，原測(cè)距誤差普遍在±1.0 km左右，新方法理論測(cè)距誤差則在±0.5 km以內(nèi);其次，新測(cè)距方法只需借助已有的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)提供的故障區(qū)間和仿真軟件，即可快速地測(cè)量故障點(diǎn)，減少了誤差，縮小了檢修和排查故障的范圍，節(jié)約了時(shí)間，提高了工效，降低了成本。本文原始數(shù)據(jù)來(lái)源于第一線，研究成果也已經(jīng)應(yīng)用到第一線，希望在試用中得到檢驗(yàn)、改善。雖然仿真是針對(duì)南昌至永修電力貫通線進(jìn)行的，但這種解決問(wèn)題的思路，可以推廣至所有貫通線。

［1］岑圓瓊.輸電線路行波精確測(cè)距方法的應(yīng)用［J］.廣西電力，2007(3):65.

［2］化雨，魯改鳳，王文濤.T接輸電線路故障測(cè)距的新型算法［J］.水電能源科學(xué)，2010(4):133－134.

［3］何人望，楊文煥，孫景，等.鐵路貫通線中電壓互感器燒損故障分析［J］.江西電力，2000(4):20－27.

［4］黃建華，全零三.變電站高壓電氣設(shè)備狀態(tài)檢修的現(xiàn)狀及其發(fā)展［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001(4):56－61.

［5］趙振寧，陳鋒.以可靠性為中心的檢修在電力公司中的應(yīng)用［J］.華北電力技術(shù)，2003(3):44－45.

(責(zé)任編輯 王建華)

A New Approach to Fault Location in Railway Continuous Power Lines

Qiu Wanying

(School of Basic Sciences，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China)

The paper analyzes the relationship between voltage，current and impedance in a continuous power line (CPL)when a single－phase ground fault occurs，and presents a novel method to locate the fault in a CPL based on MATLAB simulations.Without any additional hardware，this novel method only needs the existing remote system and related software.MATLAB simulations are made for each section respectively.The equations of fault location are fitted according to the simulation results using the least square method.The research results of this paper have been applied in practice and more verification and improvement are expected.Although the simulations are performed only for the Nanchang－Yongxiu railway CPL，the idea to solve the fault location problem can be adopted in all railway continuous power lines.

fault location;continuous power line(CPL);single－phase ground;MATLAB simulation;least square method

TM77

A

1005－0523(2010)04－0048－04

2010－05－08

邱萬(wàn)英(1963－)，女，工學(xué)碩士，副教授，主要研究交通信息控制、應(yīng)用物理。