一種多分支配電線路的故障定位方法

王 開，王 軍，常 城，張 晶，賈麗璇，趙進(jìn)全

(1．延安供電局，陜西 延安716000;2．西安交通大學(xué)，西安710049)

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模龐大，故障率較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，配電網(wǎng)的故障占電力系統(tǒng)各種故障的80%以上。故障不僅影響用戶的正常供電，還會(huì)破壞電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，并造成較大的經(jīng)濟(jì)損失［1］，因此，配電線路故障后快速準(zhǔn)確地故障定位，對(duì)及時(shí)排除故障，提高供電可靠性具有重要的意義。然而，由于配電線路線長、點(diǎn)多、面廣，通道復(fù)雜，故障及其原因復(fù)雜多樣，加之線路分支多，故障過渡電阻大，故障信號(hào)難以有效檢測(cè)等，使得精確定位非常困難［2］。雖然目前有阻抗法、行波法等多種故障定位方法，但這些方法各有特點(diǎn)，實(shí)用性很不理想［3］，因此，人工巡線仍然是目前常用的方法，但巡線距離長，而且需要投入大量的人力、時(shí)間和物力，該方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際要求了。研究一種快速準(zhǔn)確的配電線路故障定位技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［4-6］。本文基于輸電線路分布參數(shù)模型，提出了一種多分支配電線路的故障定位方法。該方法由線路兩個(gè)端點(diǎn)的電壓、電流求得的故障點(diǎn)的電壓具有唯一性，據(jù)此可求得故障點(diǎn)的位置，可推廣到多分支配電線路的單相接地故障定位當(dāng)中，仿真結(jié)果證明了本文方法的正確性與準(zhǔn)確性，為配電線路的故障定位提供了理論依據(jù)。

1 基于分布參數(shù)的多分支配電線路故障定位方法

1．1 配電線路的故障定位原理

這里以平行雙導(dǎo)體傳輸線為例，說明輸電線路的故障定位方法，這種方法可以推廣到多導(dǎo)體多分支配電線路的故障定位之中。

對(duì)于平行雙導(dǎo)體傳輸線，其上的電壓與電流滿足頻域方程，即:

式中:Z0=R0+jωL0、Y0=G0+jωC0分別為傳輸線單位長度的阻抗、導(dǎo)納。

(1)式的解為:

式中:U=U(x=0)，I1=I(x=0);

假定線路在F點(diǎn)發(fā)生單相接地短路故障，見圖1。根據(jù)A點(diǎn)的電壓、電流測(cè)試值，由(2)式得x點(diǎn)的電壓為:

圖1 線路故障示意圖

根據(jù)B點(diǎn)的電壓、電流測(cè)試值，由(3)式得x點(diǎn)的電壓為:

式中:Ux為距A端x處的電壓;UA、IA為線路A點(diǎn)的電壓、電流測(cè)量值;UB、IB為線路B點(diǎn)的電壓、電流測(cè)量值;l為線路總長度。

令

由以上求解過程可知，在已知線路參數(shù)的情況下，根據(jù)線路兩端的電壓、電流測(cè)量值即可獲得故障點(diǎn)的位置。這種方法消除了過渡電阻的影響，具有高的定位精度。

1．2 多分支配電線路故障定位方法

對(duì)于多分支的配電線路，為了便于說明問題，這里以π型線路為例(見圖2)，說明單相接地故障的定位方法。

圖2 π型線路結(jié)構(gòu)示意圖

1．2．1 故障線路的判斷

根據(jù)A、C端點(diǎn)的電壓、電流測(cè)量值得到的M點(diǎn)的電壓為UMA、UMC，根據(jù)B、D端點(diǎn)的電壓、電流測(cè)量值得到的N點(diǎn)的電壓為UND、UNB，由M點(diǎn)的電壓、電流確定的N點(diǎn)的電壓為UNM，由N點(diǎn)的電壓、電流確定的M點(diǎn)的電壓為UMN。

a．如果 UMA=UMC=UM，UNA=UND=UN，UNM=UN或者UMN=UM，則線路無故障。

b．如果 UMA=UMC=UM，UNM=UND=UN，UNM≠UN或者UMN≠UM，則故障發(fā)生在線路MN段。

c．如果 UMA=UMCUM，UNM=UND≠UNB，則故障發(fā)生在線路 BN段;如果 UMA=UMC=UM，UNM=UNB≠UND，則故障發(fā)生在線路DN段。

d．如果 UNB=UND=UN，UMN=UMA≠UMC，則故障發(fā)生在線路CM段;如果UNB=UND=UN，UMN=UMC≠UMA，則故障發(fā)生在線路AM段。

1．2．2 線路故障點(diǎn)的位置計(jì)算

a．如果故障發(fā)生在AM(CM)段，根據(jù) C(A)端的電壓、電流確定M點(diǎn)的電壓、電流，再根據(jù)A(C)、M點(diǎn)的電壓、電流確定故障點(diǎn)的位置;同理，如果故障發(fā)生在BN(DN)，根據(jù)D(B)端的電壓、電流確定N點(diǎn)的電壓、電流，再根據(jù)B(D)、N點(diǎn)的電壓、電流確定故障點(diǎn)的位置;

b．如果故障發(fā)生在MN段，根據(jù)A(或C)端點(diǎn)的電壓、電流確定M點(diǎn)的電壓、電流，根據(jù)B(或D)端點(diǎn)的電壓、電流確定N點(diǎn)的電壓、電流，再根據(jù)M、N點(diǎn)的電壓、電流確定故障點(diǎn)的位置。

2 算例

基于Matlab軟件建立的多分支10 kV配電網(wǎng)單相接地故障模型見圖3，其中l(wèi)AM=lNB=lND=6 km，lMN=3 km，lMC=9 km，測(cè)試電源線電壓380 V，線路正序參數(shù) R1=0．17 Ω/km，L1=1．2 mH/km，C1=9．7 nF/km;零序參數(shù) R0=0．23 Ω/km，L0=5．48 mH/km，C0=6 nF/km。

假設(shè)單相接地故障發(fā)生在線路AM上，故障點(diǎn)距離測(cè)量點(diǎn)A分別為1 km、3 km和5 km，過渡電阻分別為10 Ω、20 Ω 和 100 Ω，以實(shí)測(cè)距離與故障距離差值計(jì)算相對(duì)誤差，仿真結(jié)果見表1。

雖然本文方法在理論上定位精度不受過渡電阻大小的影響，從表1可見，過渡電阻的改變?nèi)匀粫?huì)導(dǎo)致誤差的改變，同時(shí)故障距離對(duì)定位精度有較大的影響。主要原因?yàn)?當(dāng)線路發(fā)生故障后，線路參數(shù)因過渡電阻發(fā)生了變化，而本文方法仍然使用線路原參數(shù)計(jì)算;數(shù)值計(jì)算誤差;此外，線路的分支數(shù)、線路長度等對(duì)定位精度都有影響。

表1 配電線路單相接地故障仿真結(jié)果

3 結(jié)論

基于分布參數(shù)模型的多分支配電線路單相接地故障定位方法，在已知線路參數(shù)的情況下，同步測(cè)量相關(guān)線路端口的電壓、電流值，經(jīng)過相關(guān)的計(jì)算即可獲得線路的故障位置。通過推廣應(yīng)用于多分支的配電線路單相故障定位之中，仿真結(jié)果證明了本文方法原理簡單，具有較高的定位精度，為配電線路的故障定位提供了理論依據(jù)。

圖3 單相接地故障模型