CN104597377A - 输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法，其在输电线路上至少设置两个检测点；确定雷击点和闪络点不一致；获得所述两个检测点的首个行波电流的最大能量E_i：E_i＝max(|s_i(t)|)×t_i，其中i＝1,2，其分别表征两个检测点；s_i(t)表示检测点检测到的首个行波电流，t_i表示该首个行波电流的波长；比较两个检测点的最大能量E_i，较大的为雷击侧检测点，另一个为闪络侧检测点；根据模型定位雷击点和闪络点。

Description

输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法

技术领域

本发明涉及输电线路故障定位领域，具体为一种输电线路故障测距方法。

背景技术

雷电作用于输电线路易导致其故障。雷击输电线路分为绕击和反击。对于反击，雷电流通过几座杆塔分流后，所引起的过电压大大降低，一般认为不会引起闪络；对于绕击，雷电流幅值较小时，往往在雷击点处未形成闪络，而在雷电流传播过程中，在线路绝缘较薄弱的地方形成闪络，导致闪络点与雷击点不一致，这将直接影响现有故障测距算法的可靠性。为精确查找故障点，需要提出雷击点与闪络点不一致情况下的故障测距方法，该方法包括对雷击点和闪络点不一致的识别以及对雷击侧和闪络侧的判定。

关于雷击点和闪络点不一致的识别，有人提出根据线路两端波形一致系数来判断雷击点和闪络点是否一致。由于雷电电流行波大多持续数十μs，当雷击点在靠近线路两端时，线路两端行波首波相似性很低。此时根据电流波形的相关系数来判断雷击点和闪络点是否一致时，将会出现错误。

关于雷击侧和闪络侧的判定，有文献认为一定时窗内雷击侧采样到的故障电流的低频分量占总能量的比例低于短路侧采样到的故障电流，利用线路两侧的能量分布差异确定雷击点和闪络点的相对位置，该算法受雷电流参数和阻波器边界元件等因素的影响较大。还有文献利用直流线路两端电压行波的幅值来判断雷击侧和闪络侧，由于行波在线路上传播时都会衰减，其线路两端电压行波的大小与故障点有关，当线路闪络时，故障行波的大小与接地电阻有关，上述两个方面因素都会导致线路两侧电压行波的不确定性，并且当线路在雷电行波的波后闪络时，即使不考虑线路衰减，此时线路两端的电压行波大小相等，同样会导致判断失效，因此上述方法都存在一定的局限性。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法，该方法在雷击点与闪络点不一致时也能精确查找故障点。

基于上述目的，本发明提供了一种输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法，其在输电线路上至少设置两个检测点；其特征在于，包括步骤：

确定雷击点和闪络点不一致；

获得所述两个检测点的首个行波电流的最大能量E_i：E_i＝max(|s_i(t)|)×t_i，其中i＝1,2，其分别表征两个检测点；s_i(t)表示检测点检测到的首个行波电流，t_i表示该首个行波电流的波长；

比较两个检测点的最大能量E_i，较大的最大能量E_i对应的检测点为雷击侧检测点，另一个检测点即为闪络侧检测点；

根据下述模型定位雷击点和闪络点：

L_lg ht＝(L-(T₁-T₃)×v)/2

L_flsh＝(T₂-T₁)×v/2

式中，L_lg ht为雷击点距输电线路首端的距离，L_flsh为闪络点和雷击点之间的距离，L为输电线路的长度，T₁、T₂分别为雷击侧检测点检测到的首个电流行波和第二个电流行波到达的时间，T₃为闪络侧检测点检测到的首个电流行波到达的时间，v表示行波波速。v通常取2.96*10⁸m/s。

本发明中，定义闪络点经雷击点到输电线路尾端的区间为雷击侧，相应地，线路上闪络点的另一侧为闪络侧。输电线路尾端为位于输电线路雷击侧的端点，输电线路首端为位于输电线路闪络侧的端点。

本发明充分利用雷击及闪络暂态电流信息及变化规律，提出基于短时窗内暂态电流特性的所述输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法。该方法通过分布于输电线路上的检测点获取雷击及闪络暂态电流信息，根据短时窗内各检测点之间暂态电流行波的欧式距离识别雷击点和闪络点是否一致，根据能量变化特点区分雷击侧检测点和闪络侧检测点，根据行波时间信息分别确定闪络点和雷击点位置，极大地提高了故障测距算法的可靠性。

本发明基于的原理是，当线路雷击点和闪络点不一致时，闪络侧电流从闪络时刻起明显小于雷击侧电流，并且闪络侧行波电流由于闪络的原因，其波长会远小于雷击侧的行波波长。该原理的具体推导过程见具体实施方式部分。根据该原理，如果雷击不闪络或者雷击点和闪络点一致时，E_i相差不大，如果雷击点和闪络点不一致时，E_i相差很大，雷击闪络时t仅为5μs左右，而不闪络可达几十μs，闪络时max(|s_i(t)|)要比不闪络时小很多。

本发明所述方法中，所述确定雷击点和闪络点不一致的方法包括根据短时窗内各检测点之间暂态电流行波的欧式距离识别雷击点和闪络点是否一致。

进一步地，在本发明所述的输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法中，确定雷击点和闪络点不一致的步骤包括：获得所述两个检测点的首个行波电流的最大能量E_i：E_i＝max(|s_i(t)|)×t_i，其中i＝1,2，其分别表征两个检测点；s_i(t)表示检测点检测到的首个行波电流，t_i表示该首个行波电流的波长；若两个检测点的最大能量E_i差别显著，则认为雷击点和闪络点不一致。

更进一步地，在上述输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法中，所述两个检测点的最大能量E_i差别显著是指两个检测点的最大能量E_i相差2倍以上。

本发明所述的输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法，在雷击点与闪络点不一致时也能精确查找故障点，相对于现有故障测距算法具有更高的可靠性。

附图说明

图1为本发明所述的输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法在一种实施方式下所基于的输电线路检测系统的示意图。

图2为雷击和闪络过程行波示意图。

图3为闪络故障叠加等效图。

图4为闪络故障叠加模量等效图。

图5为本发明所述的输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法在一种实施方式下的流程图。

图6为本发明所述的输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法在一种实施方式下的一个检测点检测到的电流行波。

图7为本发明所述的输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法在一种实施方式下的另一个检测点检测到的电流行波。

具体实施方式

下面结合说明书附图及实施例对本发明所述的输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法进行进一步地详细说明。

首先对本发明基于的原理进行详细的推导说明。

图1显示了发明所述的输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法在一种实施方式下所基于的输电线路检测系统。图2显示了雷击和闪络过程行波状态。图3为闪络故障叠加等效图。图4为闪络故障叠加模量等效图。

如图1所示，本实施例基于的输电线路检测系统中，输电线路上均布有Y₁～Y_k的检测点。雷击点G与闪络点F不一致。线路在检测点Y_n和Y_n+1之间的G点发生绕击，雷电产生的行波I_f和I_b分别向线路两端传播，当I_b传播至Y_n-1和Y_n之间的F点时，线路发生闪络，闪络后雷电电流行波的折反射行波和故障电流行波又分别向线路两端传播，记故障后向线路首端M侧传播的行波为i_b，向线路尾端N侧传播的行波为i_f。

若记雷击点和故障点两端线路长度为无穷远，则由彼得逊法则可知，雷击点和故障点产生的前向行波和反向行波大小相等，定义前向行波为正，反向行波为负，若记雷电电流行波从雷击点G传播到线路上某一点Y的时间为τ_Y，此时线路绕击后线路上的雷电电流行波可表示为如式(1)所示

I_f＝-I_b＝Ie^-ατY  (1)

式(1)中，I_f为雷电前向电流行波，I_b为雷电反向电流行波，α为复数衰减因子，Ie为雷击点的雷电行波。

如图2所示，雷电电流行波引起线路闪络的过程可分为两个阶段，第一阶段为从雷电电流行波达到闪络点F(也即故障点)至线路闪络前，此时线路未发生闪络，雷电电流行波在闪络点F按照正常传播规律传播，第二阶段为线路闪络后，雷电流行波和故障电流行波又向线路两端传播。

若记雷电行波从雷击点G传播至闪络点F的时间为τ_F，雷电电流行波到达闪络点F至线路闪络经历的时间为τ_flt，则在闪络点F的电流行波I_flt可表示为如式(2)所示

$\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{flt}}=I_{\mathrm{fltM}}+I_{\mathrm{fltN}}\\ =e^{-\mathrm{\α}{\mathrm{\τ}}_F}I(u(t-{\mathrm{\τ}}_F)-u(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{flt}}-{\mathrm{\τ}}_F))+e^{-\mathrm{\α}{\mathrm{\τ}}_F}\mathrm{Iu}(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{flt}}-{\mathrm{\τ}}_F)\end{array}---\left(2\right)$

式(2)中，α为复数衰减因子，u(t)为单位函数，I_fltM为雷电行波从雷击点到闪络点时的电流波形，I_fltN为雷电行波从到达闪络点至闪络完毕的波形。

记I_flt在F点发生闪络时，其行波折射系数为k，反射系数为β，雷电电流行波在F点的折反射波分别记为I_fltNk和I_fltNβ，同时线路闪络时故障电流产生的电流行波记为I_trnsA，工频故障电流为i_flt，雷电电流行波从雷击点G传播到线路上检测点Y_i(i<n)的时间为τ_Yi。则在检测点Y_i(i<n)处检测到首个暂态行波可表示为如式(3)所示。

$\begin{array}{c}{i}_b=I_{\mathrm{fltM}}+I_{\mathrm{fltNk}}+I_{\mathrm{trnsA}}+i_{\mathrm{flt}}=e^{-{\mathrm{\&alpha;\&tau;}}_{\mathrm{Yi}}}I(u(t-{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{Yi}})-u(t-{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{Yi}}-{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{flt}}))+\\ e^{-{\mathrm{\&alpha;\&tau;}}_{\mathrm{Yi}}}\mathrm{KIu}(t-{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{Yi}}-{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{flt}})+I_{\mathrm{trnsA}}{e}^{-\mathrm{\&alpha;}({\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{Yi}}-{\mathrm{\&tau;}}_F)}+i_{\mathrm{flt}}\end{array}---\left(3\right)$

比较式(2)和(3)可知，当线路雷击闪络时，故障暂态电流行波不仅与衰减系数有关还与τ_flt、k、I_trnsA、i_flt有关。i_flt为工频分量，其在行波持续的时间范围(数十μs)内几乎不变，因此可忽略不计。故障电流行波I_trnsA，与线路闪络电压，线路过渡电阻等都有关系。雷电电流行波I_flt在F点发生闪络时，其故障分解等效图和波过程等效图分别如图3和图4所示。

图3中，线路由于雷电过电压发生单相(A相)闪络故障时，由叠加原理可等效为在故障相上叠加一与故障前一刻电压大小相等方向相反的电压源。此时对于附加网络其边界条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{fltA}}+i_{\mathrm{fltA}}{R}_{\mathrm{fltA}}=-U_{\mathrm{over}}\\ i_{\mathrm{fltB}}=i_{\mathrm{fltC}}=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中：U_over为线路闪络前瞬间线路电压，i_fltA、i_fltB、i_fltC分别为三相故障电流行波，u_fltA为虚拟电源叠加到线路上的故障电压，R_fltA为故障点过渡电阻。

由凯伦布尔(Karenbauer)变换和式(4)可得到

i₀＝i₁＝i₂＝i_fltA/3  (5)

式中：i₀为地模电流，i₁为1模电流，i₂为2模电流(在本技术领域中，零模也称为地模，1模和2模也称为线模)。由图4中等效电路及式(4)和式(5)可知，故障电流行波的表达式如式(6)所示：

$I_{\mathrm{trnsA}}=-\frac{3U_{\mathrm{over}}}{Z_{\mathrm{mod}0}+Z_{\mathrm{mod}1}+Z_{\mathrm{mod}2}+{6R}_{\mathrm{fltA}}}---\left(6\right)$

式中：Z_mod0为地模波阻抗，Z_mod1为1模波阻抗，Z_mod2为2模波阻抗，理论上1模波阻抗和2模波阻抗是一样的。由式(6)可知故障电流行波I_trnsA与线路闪络前的电压极性相反，而线路绕击后其极性主要由雷电电流行波决定，因此故障电流行波I_trnsA极性与雷电行波I极性相反。

由行波折反射定律可知，当线路发生闪络时，其折射系数主要与过渡电阻R_fltA有关，若设线路波阻抗为Z，由彼得逊法则可知折射系数k可表示为

$k=\frac{2Z}{Z+\frac{R_{\mathrm{flt}}Z}{R_{\mathrm{flt}}+Z}}\&times;\frac{R_{\mathrm{flt}}}{R_{\mathrm{flt}}+Z}=\frac{{2\mathrm{ZR}}_{\mathrm{flt}}}{2{\mathrm{ZR}}_{\mathrm{flt}}+Z^2}---\left(7\right)$

由式(7)可知，无论过渡电阻R_fltA为何值，折射系数k都为小于1的正实数。

由上述分析可知，线路发生闪络后，由于故障电流I_trnsA、折射系数k，都导致电流行波变小，因此当线路雷击点和闪络点不一致时，闪络侧电流从闪络时刻起明显小于雷击侧电流，并且闪络侧行波电流由于闪络的原因，其波长会远小于雷击侧的行波波长。

图5示意了本发明所述的输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法在一种实施方式下的流程。

如图5所示，本实施例方法的流程包括步骤：

确定雷击点和闪络点不一致；该步骤包括：获得所述两个检测点的首个行波电流的最大能量E_i：E_i＝max(|s_i(t)|)×t_i，其中i＝1,2，其分别表征两个检测点；s_i(t)表示检测点检测到的首个行波电流，t_i表示该首个行波电流的波长；若两个检测点的最大能量E_i相差2倍以上，则认为雷击点和闪络点不一致；

比较两个检测点的最大能量E_i，较大的最大能量E_i对应的检测点为雷击侧检测点，另一个检测点即为闪络侧检测点；

根据下述模型定位雷击点和闪络点：

L_lg ht＝(L-(T₁-T₃)×v)/2

L_flsh＝(T₂-T₁)×v/2

式中，L_lg ht为雷击点距输电线路首端的距离，L_flsh为闪络点和雷击点之间的距离，L为输电线路的长度，T₁、T₂分别为雷击侧检测点检测到的首个电流行波和第二个电流行波到达的时间，T₃为闪络侧检测点检测到的首个电流行波到达的时间，v表示行波波速，取2.96*10⁸m/s。

图6和图7为本发明所述的输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法在一种实施方式下的对应两个检测点检测到的电流行波。

如一输电线路全长117.808km，某次跳闸时在线路的两侧检测到故障电流行波，分别如图6和图7所示，根据式E_i＝max(|s_i(t)|)×t_i可得到线路首端首个行波能量E₁为4000A*5μs＝20000Aμs，线路尾端首个行波能量E₂为8000A*25μs＝200000Aμs,由于E₂>2E₁，因此判断雷击点和闪络点不一致，且线路尾端为雷击侧，首端为闪络侧，雷击侧检测点首个电流行波到达时间T₁为150μs，第二个电流行波到达时间T₂为197μs，闪络侧检测点首个电流行波到达时间T₃为102μs，线路总长为117.808km，因此：

$L_{\mathrm{lght}}=(L-(t1+t3)\&times;v)/2=\frac{117808-296\&times;(150-102)}{2}=51.8\mathrm{km}$

$L_{\mathrm{flsh}}=(T_2-T_1)\&times;v/2=\frac{296\&times;(197-150)}{2}=6.95\mathrm{km}$

因此闪络点距离首端距离为51.8km-6.95km＝44.85km

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法，其在输电线路上至少设置两个检测点；其特征在于，包括步骤：

确定雷击点和闪络点不一致；

获得所述两个检测点的首个行波电流的最大能量E_i：E_i＝max(|s_i(t)|)×t_i，其中i＝1,2，其分别表征两个检测点；s_i(t)表示检测点检测到的首个行波电流，t_i表示该首个行波电流的波长；

比较两个检测点的最大能量E_i，较大的最大能量E_i对应的检测点为雷击侧检测点，另一个检测点即为闪络侧检测点；

根据下述模型定位雷击点和闪络点：

L_lght＝(L-(T₁-T₃)×v)/2

L_flsh＝(T₂-T₁)×v/2

式中，L_lght为雷击点距输电线路首端的距离，L_flsh为闪络点和雷击点之间的距离，L为输电线路的长度，T₁、T₂分别为雷击侧检测点检测到的首个电流行波和第二个电流行波到达的时间，T₃为闪络侧检测点检测到的首个电流行波到达的时间，v表示行波波速。

2.如权利要求1所述的输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法，其特征在于，确定雷击点和闪络点不一致的步骤包括：获得所述两个检测点的首个行波电流的最大能量E_i：E_i＝max(|s_i(t)|)×t_i，其中i＝1,2，其分别表征两个检测点；s_i(t)表示检测点检测到的首个行波电流，t_i表示该首个行波电流的波长；若两个检测点的最大能量E_i差别显著，则认为雷击点和闪络点不一致。

3.如权利要求2所述的输电线路雷击点与闪络点不一致时的故障测距方法，其特征在于：所述两个检测点的最大能量E_i差别显著是指两个检测点的最大能量E_i相差2倍以上。