一種高壓輸電線路中端故障測距方法的研究

陳聰，葛志超，相艷會(huì)，王颯

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

高壓輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)，準(zhǔn)確地確定故障點(diǎn)位置，并及時(shí)修復(fù)，能減少停電帶來的損失和為尋找故障點(diǎn)而造成的耗費(fèi)。目前已知的高壓輸電線路故障測距方法有很多，根據(jù)測距所需的電氣量不同，分為兩類:一類是基于線路單端的電壓、電流等故障信息構(gòu)成的單端測距;另一類根據(jù)線路雙端故障信息構(gòu)成的雙端測距［1］。雙端測距算法［2－4］所需的信息量比單端測距算法所需的信息量大，因此，雙端測距的故障電阻和負(fù)荷的擾動(dòng)對測距精度的影響較小。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，雙端算法也存在由兩端采樣頻率不同和相位移引起的測距誤差［5］。

單端阻抗法故障測距只需測量一側(cè)信息，具有對硬件要求低、易于實(shí)現(xiàn)和算法穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在中低壓線路中獲得了廣泛的應(yīng)用［6－9］。由于高壓輸電線路分布電容的影響，單端阻抗法應(yīng)用于高壓輸電線路故障測距時(shí)存在很大的誤差，特別是發(fā)生中高阻短路故障時(shí)，其測距結(jié)果會(huì)嚴(yán)重偏離真實(shí)故障距離，不能滿足現(xiàn)場的應(yīng)用要求。因此，基于集中參數(shù)模型的單端阻抗法不能直接應(yīng)用于高壓輸電線路的故障測距。在所有線路故障中，單相接地短路占80%以上，基于分布參數(shù)模型研究一種適用于高壓線路單相接地故障的單端故障測距算法，具有較強(qiáng)的工程實(shí)際意義。文獻(xiàn)［10］采用分布參數(shù)建模，利用線路沿線分布電壓的差分在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的能量在故障點(diǎn)呈現(xiàn)最小值這一特征進(jìn)行定位。文獻(xiàn)［11］采用分布參數(shù)建模，利用單端電壓電流計(jì)算沿線電壓對距離導(dǎo)數(shù)的范數(shù)在線路上的分布進(jìn)行故障點(diǎn)的定位。

作為故障測距裝置的首要任務(wù)是提高測距精度及加快測距速度，在測量裝置、高壓輸電線路情況相同的條件下，本文考慮測量裝置安裝的位置對測距結(jié)果的影響，將測量裝置安裝在輸電線路中間，嘗試中端測距的方法對輸電線路進(jìn)行故障測距，這里稱為中端故障測距法。該方法原理與單端測距一樣，但是由于測量點(diǎn)在輸電線路的中點(diǎn)，與單端測距相比量程縮短了一半，結(jié)果更加精確。

2 中端故障測距的基本原理

以圖1所示的雙電源輸電線路為例來介紹中端測距方法的基本原理，中端測距的方法與單端電氣量法一樣，只需中端h點(diǎn)的電壓、電流量。假設(shè)短路點(diǎn)發(fā)生在hN段，則h點(diǎn)左側(cè)電源和線路可等效成等效電源，如圖2所示。

圖1 雙電源輸電線路

圖2 等效雙電源輸電線路

以等效雙電源單回線單相接地故障為例來介紹中端故障測距的基本原理，如圖3所示。

圖3 故障測距的基本原理

其中電壓方程如下:

CH為h端的電流分布系數(shù)。

對上式兩端取虛部，經(jīng)整理即可求出

為了簡化測距方法，考慮實(shí)際系統(tǒng)的條件，在近似計(jì)算中，可取CH為實(shí)數(shù)，于是得到測距算法如下:

3 中端故障測距雙端電源及參數(shù)

雙端電源電網(wǎng)如圖4所示。

圖4 雙端電源電網(wǎng)

3.1 雙端電源已知參數(shù)

本文參考文獻(xiàn)［12］中兩端電源模型的參數(shù)進(jìn)行中端故障測距的建模及仿真計(jì)算，其電源、線路參數(shù)如下:

電源:

ZMS1=ZMS2=0.2534+j20.046Ω，

ZMS0=0.1121+j6.723Ω

ZNS1=ZNS2=0.5068+j40.092Ω，

ZNS0=0.2242+j13.446Ω

線路:DL=300km

R1=0.027Ω/km，X1=0.2783Ω/km，

C1=0.0127μF/km

R1=0.027Ω/km，X1=0.2783Ω/km，

C1=0.0127μF/km

3.3 故障測距要求

本文應(yīng)用PSCAD軟件仿真輸電線路模型，由于發(fā)生中高阻短路故障時(shí)，測距結(jié)果會(huì)嚴(yán)重偏離真實(shí)故障距離，這不是本文要重點(diǎn)討論的。因此本文只研究了中點(diǎn)h點(diǎn)右側(cè)發(fā)生A相單相金屬性接地或小電阻接地短路故障時(shí)的測距，目的只在于將中端故障測距結(jié)果與相同條件下的單端測距結(jié)果進(jìn)行比較。而中點(diǎn)h點(diǎn)左側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)情況及其它短路故障類型大致相同，本文不做討論。用故障分析法計(jì)算線路hN上在距中點(diǎn) h端分別為 30km、50km、80km、110km、140km處A相單相接地短路時(shí)(RF分別為0.1Ω、1Ω、10Ω)故障點(diǎn)到M端的距離，并分析誤差。將測距結(jié)果與相同條件下的單端測距結(jié)果進(jìn)行對比。

4 中端測距模型及仿真步驟

4.1 仿真步驟

(1)根據(jù)選定的故障條件:A相接地短路，利用PSCAD仿真得到故障后線路h點(diǎn)的三相電壓電流瞬時(shí)值;仿真圖形如圖5所示:

圖5 仿真圖形

(2)該仿真持續(xù)時(shí)間為0.4s，0～0.2s為正常運(yùn)行時(shí)間，0.2～0.4s為故障時(shí)間，本文以每周波20個(gè)點(diǎn)的采樣率對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣，利用故障后第二個(gè)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行中端故障測距計(jì)算;

(3)在相同條件下，做單端(M端)故障測距的仿真計(jì)算;

(4)將中端故障測距的結(jié)果與單端故障測距的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

4.2 仿真結(jié)果

表1 故障測距結(jié)果

5 結(jié)語

本文提出的中端故障測距方法基于集中參數(shù)模型，其原理與單端電氣量方法一樣。與雙端測距方法相比，該方法只需線路中間點(diǎn)的電壓電流量就可以定位故障點(diǎn)，簡單方便，無需復(fù)雜的硬件設(shè)備，裝置成本低。與單端測距方法相比，該方法將測量裝置安裝在輸電線路中間，將量程縮短了一半，很好地解決了單端測距時(shí)故障點(diǎn)靠近線路末端而使測距結(jié)果不精確的問題。

仿真結(jié)果表明:在本文所給的相同條件下，單端測距結(jié)果的最大誤差為3.8805%，而中端測距結(jié)果的最大誤差為0.7401%。在相同測距條件下，中端測距只有兩次測距誤差大于單端測距的誤差，總體上其測距精度優(yōu)于單端測距。

當(dāng)然中端測距方法也有很多缺陷，首先基于集中參數(shù)模型的測距方法無法忽略分布電容的影響，又由于測量裝置安裝在輸電線路的中間(不一定是中點(diǎn))，給裝置的檢查維修帶來了很多不便。因此將測距裝置安裝在線路中間的中端測距方法值得進(jìn)一步研究探討。

［1］張舉，宋振紅，李志磊，等.高壓輸電線路單端故障測距新方法［J］.繼電器，2006，34(4):1 －5.

［2］施世鴻，何奔騰.基于分布參數(shù)模型的雙端非同步故障測距算法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(9):84 －88.

［3］桂勛，劉志剛，韓旭東，等.基于高壓輸電線電壓沿線分布規(guī)律的故障雙端測距算法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(19):63 －69.

［4］張曉明，徐巖，王瑜，等.一種基于參數(shù)檢測的雙端故障測距算法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(12):106 －111.

［5］吳萍，張堯.基于單端電氣量的故障測距算法［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2003，15(4):5 －7.

［6］索南加樂，王樹剛，張超，等.利用單端電流的同桿雙回線準(zhǔn)確故障定位研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(23):25 －29.

［7］胡婷，游大海，金明亮.輸電線路故障測距研究現(xiàn)狀及其發(fā)展［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(3):146 －150.

［8］Yang Cheng，Suonan Jiale，Guobing Song，et al.One-terminal impedance fault location algorithm for single phase to earth fault of transmission line［C］//2010 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference.Chendu:Sichuan University，2010:1 －6.

［9］Ha Hengxu，Zhang Baohui.Study on reactance relays for single phase to earth fault on EHV transmission lines［C］//2004 International Conference on Power System Technology.Singapore:The Institute of Electrical and Electronics Engineers，2004:1 －5.

［10］哈恒旭，王婧，譚雨珍，等.基于微分算子逼近的單端故障測距新原理［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(3):69 －73.

［11］哈恒旭，張保會(huì)，呂志來.高壓輸電線路單端測距新原理探討［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(2):42 －45.