CN102445634B - 输电线路故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于输电线路故障测距和故障定位的装置，属于电力系统领域。本发明考虑了线路故障点重新击穿时的动态特性和静态特性，利用储能电容向故障线路提供足够大的瞬时电流，不仅满足维持故障状态所需的静态电压和静态电流要求，同时也能满足维持故障状态所需的瞬时电流要求，设计的输电线路故障检测装置动态瞬时输出电流大，静态功耗小，成本低，使“用人工方式重现故障状态查找故障点”的设想真正得于实现。

Description

输电线路故障检测装置

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种用于输电线路故障测距和故障定位的装置。

背景技术

发电厂产生的电能，一般是由输电线路(包括架空线和电力电缆)输送到用户的。当输电线路绝缘损坏时，为避免故障扩大，供电部门通常会停止故障线路的供电，查找故障点，更换故障部件，排除故障后恢复供电。由于输电线路较长，停电以后，故障现象随即消失，人工查找故障点比较困难。所以，在电网停电以后，用人工方式重现故障状态，计算出故障距离，并对故障追踪定位，对缩短故障排除时间，提高电网供电质量，有重要意义。

用人工方式重现故障状态的基本思路是：利用高压直流发生器将故障点重新击穿，再注入交流信号，用测量电路测算故障距离并巡线探测故障点。有许多文献对这一基本思想进行过有益的探讨，但至今还没有相关的产品问世。问题的关键在于，现有的文献都没有对故障点击穿的物理过程进行全面的分析，特别是没有考虑故障击穿瞬间的动态过渡过程，导致设计的高压直流发生器不能满足实际要求。以10千伏线路为例，重新击穿故障点通常需要15000伏高压，维持故障状态约需5安电流，而这仅仅只是静态要求。在故障点被击穿的瞬间，线路的分布电容电容会通过故障击穿点放电，放电电流可达数百安培，并伴有强烈的振荡衰减过程，在电流振荡的过零和反向点，线路往往又回复到高阻状态。为维持故障状态，必须在故障点被重新击穿的瞬间，向线路注入足够大的直流电流，迫使故障点的电流在振荡衰减期间始终大于零。按现有的方法设计，高压直流发生器的最大输出电压为15000伏，最大输出电流为200安培，功率容量将高达2兆瓦，如此大容量的电源制造成本太高，用于故障检测显然是不划算的。

发明内容

本发明根据线路故障点重新击穿时的动态特性和静态特性，提出一种用于输电线路故障测距和故障定位的装置。

一种输电线路故障检测装置，由高压直流电流发生器，故障距离测算单元，探测寻踪单元组成，当线路发生故障停止供电后，向故障线路注入高压直流电流，重新击穿故障点并维持故障状态，为测距和寻踪创造条件，其特征是：高压直流电流发生器的输出端接有一个以上(含一个)的储能电容，储能电容和防反向充电单元并联，在储能电容之后串接限流电感。

在故障点被重新击穿瞬间，需向线路注入上百安培的电流，该电流数值很大，但作用时间很短，完全可以利用储能元件来实现。电容和电感都能作为储能元件使用，而用电容做储能元件更合理一些。在普通的高压直流电流发生器的输出端接一个或多个储能电容，储能电容和防反向充电单元并联，在储能电容之后串接有限流电感。在故障点未被击穿时，高压直流电流发生器以较小的电流向储能电容和线路电容充电，电压逐渐升高。当电压高到一定程度，线路故障点被重新击穿，储能电容通过限流电感向线路提供很大的单向电流，迫使故障点电流保持固定的极性，待瞬态过渡过程结束后，高压直流电流发生器仍以较小的电流通过限流电感向线路提供稳定的故障维持电流，故障点保持击穿状态。此后，在输出的直流电流上叠加一个或几个交流分量，通过故障距离测算单元和探测寻踪单元就能计算故障距离并追寻到故障点。

储能电容的作用是存储能量，并在故障点击穿的瞬间释放。储能电容的电容值越大，作用就越明显，但储能电容太大，和其连接在一起的防反向充电单元和限流电感的容量也会增加，成本将提高。若考虑到线路本身有较大损耗，在限流电感性能良好的情况下，储能电容值甚至可以略小于线路电容值，综合考虑，通常取储能电容值大于0.5倍被测线路的电容值。储能电容可以是通常使用的普通电容。由于在使用过程中不会被反向充电，可以选用电解电容。电解电容具有容量大、体积小、价格低的优势。当有多个储能电容时，储能电容的容量应理解为多个储能电容容量的总和。

防反向充电单元的作用，是防止储能电容在放电过程中被反向充电而产生振荡，使输出电流方向保持不变。最简单可靠的防反向充电单元是二极管。防反向充电二极管直接并联在储能电容上，这种情况可称为显式连接。当储能电容直接并联在高压直流电流发生器的整流输出端时，整流二极管同时也起到了防止储能电容反向充电的作用，因而可以省去专用的防反向充电二极管，这种情况可称为隐式连接。防反向充电单元还可以用电子开关及相应的控制电路构成，当储能电容上的电量未放完时，电子开关断开，当储能电容放电完毕时，通过控制电路使电子开关导通，也能防止储能电容反向充电，这种方案的缺点是复杂、可靠性较低。

本发明所指的储能电容和防反向充电单元并联，包含了隐式连接方式。

限流电感的作用是使储能电容上的能量按适当的方式释放，电感值太小，放电速度过快，电感值太大，储能释放过慢，电流太小，这两种情况都不利于维持故障点的击穿状态。

合理的方案是：选择限流电感值和储能电容容量相配合，使储能电容最大放电电流大于线路击穿时的冲击电流，电能释放时间大于被测线路的放电过渡时间。在线路损耗和电感损耗基本相同的情况下，可以用简易计算公式计算限流电感值，

Lc＝K×Cc×Lx/Cx

式中，Lc为限流电感值，Cc为储能电容值，Cx为线路单位长度的电容值，Lx为线路单位长度的电感值。K的取值范围为0.1-10之间。当有多个限流电感时，限流电感的值应理解为多个限流电感值的总和。。

下面考虑故障击穿的静态特性，引发线路故障通常需要很高的电压，但电流较小，故障发生后，维持稳定的故障状态，需要较大的电流，相应的电压却很低。根据线路故障的这一特点，高压直流电流发生器由两个以上(含两个)的小功率直流电流发生器组合而成，各个小功率直流电流发生器的参数配备不同，有的产生高电压，但输出电流小，有的产生大电流，但输出电压低。这样的多个小功率电流发生器按一定的方式连接在一起，既能产生很高的电压，重新击穿故障点，又能提供较大的电流，维持稳定的故障状态。以10千伏线路为例，可由两个小功率电流发生器组合成一个高压直流电流发生器。一个小功率电流发生器的最大输出电压15000伏，电流0.5安，容量为7.5千瓦，另一个小功率电流发生器的最大输出电压1500伏，电流5安，容量为7.5千瓦，两个小功率电流发生器总容量只有15千瓦，比用单一的高压直流发生器容量要小得多，工程上更容易实现。

由于各个小功率电流发生器的作用不同，在实际工作过程中，各个小功率电流发生器可分时轮换工作。例如，当线路未被击穿时，投运高压小电流发生器，低压大电流发生器暂停工作。当线路故障被引发后，投运低压大电流发生器，高压小电流发生器暂停工作。只要转换速度足够快，就能维持稳定的故障状态，实际消耗的功率也进一步降低。

也可以设计更多的小功率电流发生器，将各个小功率电流发生器的指标划分得更细，缺点是导致电路设计变得复杂。

本发明考虑了线路故障点重新击穿时的动态特性和静态特性，设计的输电线路故障检测装置动态瞬时输出电流大，静态功耗小，成本低，满足实际需要，使“用人工方式重现故障状态查找故障点”的设想真正得于实现。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例2的结构示意图。

图3是本发明实施例3的结构示意图。

具体实施方式

图1是本发明实施例1的结构示意图，这是一个防反向充电二极管显式连接的示意图。图中，Cc为储能电容，Df为防反向充电二极管，La为限流电感。由于采用电压型交流发生器供电，储能电容Cc通过电感L连接到整流电路上，为防止工作过程中储能电容反向充电引起振荡，需要有防反向充电二极管Df并联在储能电容Cc上，限流电感Lc接在储能电容Cc之后。工作时，将输出端接到故障线路上，高压直流发生器向线路输出较小的电流。如果线路是金属性短接，故障点很快导通，线路进入稳定的故障状态。如果线路是弧光短接，故障点不会很快导通，高压直流发生器向线路电容充电，电压逐渐升高，当达到击穿电压时，故障点被击穿，线路电压快速下降，此时，储能电容上的电能通过限流电感以足够大的电流向线路释放，迫使故障点的电流维持在零点以上。当储能电容上的电能释放完毕时，限流电感上的电流达到最大值，防反向充电二极管导通，为电感电流提供通路，储能电容上的电压保持为零，限流电感上的电流继续流向线路，直到线路上的电流振荡过程结束，此后，高压直流发生器输出较小的电流维持稳定的故障状态。线路进入稳定的故障状态后，就可以利用测距和寻踪技术寻找故障点了。

图2是本发明实施例2的结构示意图，用两个小功率直流电流发生器组合成高压直流电流发生器，防反向充电二极管为隐式连接。图中，T1为高压小电流变压器，T2为低压大电流变压器，D1为隔离二极管，防止高压传入低压电路，Cc为储能电容，Lc为限流电感，限流电感Lc接在储能电容Cc之后。由于采用了电流型的交流发生器，储能电容Cc可直接并接在整流电路上，整流电路同时起到防反向充电二极管的作用。本实施例的工作过程和实施例1基本相同，不再累述。由于两个小功率直流电流发生器是电流型的，有各自独立的变压和整流电路，在工作过程中，它们可以同时工作，也可以根据不同的工作状态，分时轮换工作。

图3是本发明实施例3的结构示意图，用直流斩波恒流电路和逆变升压电路组成分时轮换工作的两个小功率直流电流发生器，防反向充电二极管为隐式连接。图中，Q0-Q6为功率开关，L为斩波电感，T1为高压小电流变压器，T2为低压大电流变压器，D1为隔离二极管，防止高压传入低压电路，Cc为储能电容，Lc为限流电感，限流电感Lc接在储能电容Cc之后。功率开关Q0、斩波电感L及其他相应的电子元件组成直流斩波恒流电路，保证后续电路的工作电流稳定，即使在负载突然短路的情况下，工作电流也不会超过额定的数值。六个功率开关管Q1-Q6组成两个分时轮换工作的逆变电路。当被测线路故障点未被击穿时，Q3、Q4、Q5和Q6工作，Q1和Q2截止，变压器T1工作，经过整流电路后，最大输出电压15000V，最大输出电流0.5A，用于对线路充电并击穿故障点。当被测线路故障点被击穿后，Q1、Q2、Q3和Q4工作，Q5和Q6截止，变压器T2工作，经过整流电路后，最大输出电压1500V，最大输出电流5A，用于维持稳定的故障状态。储能电容Cc直接并接在整流电路上，整流电路同时起到防反向充电二极管的作用。本实施例的工作过程和前述实施例基本相同，不再累述。本实施例具有工作可靠、成本低的优点。

由于本发明装置的输出电压较高，实施例中所画的电容通常是由多个电容串联而成，实施例中所画的二极管通常是由多个二极管串联而成。

Claims (6)

1.一种输电线路故障检测装置，由高压直流电流发生器，故障距离测算单元，探测寻踪单元组成，当线路发生故障停止供电后，向故障线路注入高压直流电流，重新击穿故障点并维持故障状态，为测距和寻踪创造条件，其特征是：高压直流电流发生器的输出端接有一个以上的储能电容，储能电容和防反向充电单元并联，在储能电容之后串接限流电感。

2.根据权利要求1所述的输电线路故障检测装置，其特征是：储能电容容量大于0.5倍被测线路的电容容量，防反向充电单元为二极管。

3.根据权利要求1或2所述的输电线路故障检测装置，其特征是：限流电感的电感量和储能电容容量相配合，使储能电容最大放电电流大于线路击穿时的冲击电流，电能释放时间大于被测线路的放电过渡时间。

4.根据权利要求1或2所述的输电线路故障检测装置，其特征是：限流电感的电感量按Lc＝K×Cc×Lx/Cx计算，式中，Lc为限流电感的电感量，Cc为储能电容容量，Cx为线路单位长度的电容量，Lx为线路单位长度的电感量，K的取值范围为0.1-10之间。

5.根据权利要求1或2所述的输电线路故障检测装置，其特征是：高压直流电流发生器由两个以上的小功率直流电流发生器组合而成。

6.根据权利要求5所述的输电线路故障检测装置，其特征是：用直流斩波恒流电路和逆变升压电路组成分时轮换工作的两个小功率直流电流发生器。