CN105699858B - 一种考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑接头电阻的架空‑电缆混合线路故障测距方法，包括以下步骤：通过差分傅氏算法分别提取架空线故障后电缆端和架空线端的三相电压、电流工频分量以及线路连接处三相电流的工频分量；对上述工频分量进行对称分量变换；计算线路连接处的电流正序量；比较计算与实测得到的线路连接处电流，判断故障区间；计算线路连接处正常线路侧的电压电流；计算线路连接处故障线路侧的电压电流；针对故障所在线路段建立故障点电压方程；化简正序及负序电压方程；计算接头电阻；计算故障距离。与现有技术相比，本发明具有准确性高、效率高、求解简便的特点。

Description

一种考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法
技术领域
本发明属于电缆系统故障检测技术领域，尤其是涉及一种架空-电缆混合线路故障测距方法。
背景技术
随着现代化城镇的快速发展，城区可用空间日益紧张，而架空线路占用了大量空间资源，是阻碍城镇建设的主要因素之一。若用埋地电缆代替架空线路，则能够减轻线路通道压力，改善城镇可用空间紧张的局面，便于美化市容、优化城市布局。另外，采用电缆传输电能不仅可提高线路的输送容量，还可降低变压器的出线规模，具有较高的安全性及可靠性。因此，城区内采用架空线路，而市区内采用电缆线路的架空-电缆混合线路在电力系统中已占据了十分重要的地位。
在电力系统中，高压输电线路起着输送电能的桥梁作用，一旦输电线路发生故障，将直接威胁到电能的正常传输，造成大范围停电，甚至威胁整个电力系统的安全。因此，对架空-电缆混合线路故障点进行快速准确的定位，不仅能加快故障线路的检修进度，尽快恢复供电，且能减少停电损失，加强电力系统运行的安全性及可靠性。
目前，对架空-电缆混合线路的故障定位方法主要可分为两种，一是行波法，通过分析故障行波包含的故障点信息，利用故障行波的传输时间对故障距离进行计算；二是故障分析法，通过利用线路两端的同步电气量构造冗余的测距方程，从而对故障点进行定位。但现有方法均未考虑架空线-电缆连接处的接头电阻对故障测距结果的影响，而在实际中，接头电阻对混合线路的电压及电流分布情况存在较为明显的影响。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种高效、准确的考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法，有效提高故障点位置判断精确度。
为实现本发明所述目的，本发明提供一种考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法，该方法通过建立故障测距方程并检测线路连接处的电流来求得接头电阻并消除其产生的测距误差，所述测距方法包括以下步骤：
(1)通过差分傅氏算法分别提取架空线故障后电缆端的三相电压工频分量三相电流工频分量架空线端的三相电压工频分量三相电流工频分量以及线路连接处三相电流的工频分量
(2)对上述工频分量进行对称分量变换，得到对应的零序、正序和负序量；
(3)根据步骤(2)中得到的架空-电缆混合线路两端的电压电流正序量，计算线路连接处的电流正序量；
(4)比较计算与实测的线路连接处电流，对故障区间进行判断；
(5)计算线路连接处正常线路侧的电压电流；
(6)根据步骤(5)的计算结果计算线路连接处故障线路侧的电压电流；
(7)针对故障所在线路段建立故障点电压方程；
(8)将线路电压电流的正序和负序量代入步骤(7)中建立的电压方程，获得简化的正序及负序电压方程；
(9)根据步骤(8)中所述的正序及负序电压方程，计算接头电阻；
(10)根据步骤(9)中的接头电阻以及步骤(8)中的正序电压方程，获得故障距离。
所述步骤(2)中的对称分量变换为：
式中： 为电缆端三相电压的零序、正序和负序分量；
同理，获得故障后电缆端三相电流零序、正序和负序分量架空线端三相电压序分量架空线端三相电流序分量以及线路连接处三相电流序分量
所述步骤(3)中，计算线路连接处的电流正序量为：
式中：Z1,Z2分别为电缆和架空线波阻抗；γ1,γ2分别为电缆和架空线传播常数；L1,L2分别为电缆和架空线长度；分别为根据电缆端和架空线端计算得到的线路连接处的电流正序量；分别为电缆端和架空线端三相电压的正序量；分别为电缆端和架空线端三相电流的正序量。
所述步骤(4)中，对故障区间进行判断的具体过程为：
若且则故障点位于电缆线上；若且则故障点位于架空线上；若则故障点位于线路连接处；
其中分别为根据电缆端和架空线端计算得到的线路连接处的电流正序量，为实测得到的线路连接处电流正序量。
所述步骤(5)中，设故障点位于电缆线，则计算线路连接处正常线路侧的电压电流的公式为
式中：Z2为架空线波阻抗；γ2为架空线传播常数；L2为架空线长度；为架空线端三相电压的正序量；为架空线端三相电流的正序量；和分别为线路连接处正常线路侧的电流和电压；
故障点位于架空线时的正常线路侧的电压电流的计算与上式同理。
所述步骤(6)中，设故障点位于电缆线，则计算线路连接处故障线路侧的电压电流公式为
式中：R为接头电阻；和分别为线路连接处正常线路侧的电流和电压；和分别为线路连接处故障线路侧的电流和电压；
故障点位于架空线时的故障线路侧的电压电流的计算与上式同理。
所述步骤(7)中，设故障点位于电缆线，故障点电压方程为：
式中：x为待求的故障点到电缆线首端距离，即故障距离；Z1为电缆线波阻抗；γ1为电缆线传播常数；L1为电缆线长度；为电缆线端三相电压的正序量；为电缆线端三相电流的正序量；和分别为线路连接处故障线路侧的电流和电压；
故障点位于架空线时的故障点电压方程与上式同理。
所述步骤(8)中，简化的正序及负序电压方程为：
式中：γ11,γ12分别为电缆线传播常数的正序量及负序量，并有：
γ11＝γ12＝γ1；
其中，k＝1,2，分别代表正序及负序分量；R为接头电阻；γ1为电缆线传播常数；L1为电缆线长度；和分别为线路连接处正常线路侧的电流和电压的正序及负序分量；Z1k为电缆线波阻抗正序及负序分量；为电缆线端三相电压的正序及负序分量；为电缆线端三相电流的正序及负序分量。
所述步骤(9)中，接头电阻R的计算公式为：
所述步骤(10)中，故障距离的计算公式为：
与现有技术相比，本发明能对架空-电缆混合线路的故障点进行定位，有效地、准确地计算出故障距离，从而可及时对故障线路采取有效措施，缩短故障修复时间，具有以下有益效果：
(1)本发明在架空-电缆混合线路的连接处增设一电流检测点能增加线路电气量的已知量，从而能够对接头电阻进行求解；
(2)本发明通过比较计算及实测得到的混合线路连接处的电流能准确判断故障区间，将问题转化为单一线路类型的故障测距；
(3)本发明将线路连接处的接头电阻对线路电压的影响进行了考虑，消除接头电阻对定位结果的影响，能提高故障测距的准确性；
(4)本发明应用线路电气量的正序及负序分量分别建立电压方程能对接头电阻进行准确简便求解，从而得到更为准确的故障点位置。
附图说明
图1为本发明架空-电缆混合线路故障测距的流程图；
图2为本实施例中线路故障示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参照图1及图2，以一单相接地短路架空-电缆混合线路为研究对象进行故障测距，按照下列步骤定位故障点：
步骤1：根据实测到的架空-电缆混合线路两端电压电流数据，及通过在架空电缆线路连接处的电流数据分别应用差分傅氏算法，计算架空-电缆混合线路短路故障时，电缆端三相电压的工频分量三相电流的工频分量架空线端三相电压的工频分量三相电流的工频分量线路连接处三相电流的工频分量本步骤中所述的差分傅氏算法是本领域内常用的数学方法，因此发明人在此不再进行详细的描述；
步骤2：分别对架空-电缆混合线路两端三相电压电流的工频分量及线路连接处电流的工频分量进行对称分量变换，得到线路不对称短路故障时线路两端三相电压电流工频分量及连接处电流工频分量的零序、正序及负序分量，并记为 其中，i＝0,1,2，分别代表零序、正序及负序分量。以电缆端三相电压为例进行说明，所述的变换公式为：
式中：
步骤3：分别应用混合线路两端的电压电流正序量计算线路连接处的电流正序量，所述的电流计算公式为：
式中：Z1,Z2分别为电缆和架空线波阻抗；γ1,γ2分别为电缆和架空线传播常数；L1,L2分别为电缆和架空线长度；此处，Z1＝(29.252-j4.153)Ω/km，Z2＝(343.14-j62.971)Ω/km，γ1＝0.0006+j0.004，γ2＝0.0002+j0.0011，L1＝4.3048km，L2＝2.013km；
步骤4：比较计算与实测得到的线路连接处电流，从而对故障区间进行判断；若则故障点位于电缆线上；若则故障点位于架空线上；若则故障点位于线路连接处，此时可直接得到故障距离。本实施例中， 即因此，判断故障位于电缆线上；
步骤5：根据正常线路端的电压电流数据对线路连接处正常线路侧的电压电流进行计算，以故障点位于电缆线为例，所述的电压电流计算公式为：
故障点位于电缆线时，架空线路为正常线路，则应用架空线路端点的电压、电流，以及架空线的长度、电气参数计算架空线和电缆连接点处的电压、电流；故障点位于架空线时，电缆正常，则应用电缆端点的电压、电流以及电缆的长度、电气参数计算架空线和电缆连接点处的电压电流。二者所用计算公式一致，不同之处体现在用来计算的电压、电流数据和线路参数。
步骤6：根据基尔霍夫定律计算线路连接处故障线路侧的电压电流，以故障点位于电缆线为例(故障点位于架空线时的计算同理)，所述的电压电流计算公式为：
式中：R为接头电阻；
步骤7：针对故障所在线路段，根据线路电压电流正序量建立故障点电压方程，以故障点位于电缆线为例(故障点位于架空线时的计算同理)，所述的电压方程为：
式中：x为待求的故障点到电缆线首端距离；
步骤8：将线路电压电流负序量代入所述的电压方程，并将正序电压方程及负序电压方程进行化简，所述的化简后方程为：
式中：γ11,γ12分别为电缆线传播常数的正序量及负序量，且γ11＝γ12＝γ1；
其中，k＝1,2，分别代表正序及负序分量；
步骤9：根据所述正序及负序电压方程对接头电阻进行计算，所述的接头电阻计算公式为：
此处，R＝0.4997Ω；
步骤10：根据所述接头电阻及正序电压方程对故障距离进行计算，所述的故障距离计算公式为：
此处，x＝1.999km，即判断故障点位置距电缆线首端距离为1.999km。而实际故障点位置为距电缆线首端2km处，验证了本方法的有效性与准确性。
本发明在故障定位计算时计及混合线路连接处接头电阻所产生的影响，可更为准确地计算得到故障距离。在建立故障测距方程时，在方程中引入接头电阻，并通过在混合线路连接处增设一电流检测点，对接头电阻进行计算，进而对故障点进行定位。与现有故障测距方法相比，混合线路连接处的接头电阻影响被纳入了考虑范围，可以较为准确地得到故障点位置，从而大大提高了定位的准确性。

Claims (10)

1.一种考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法，其特征在于，该方法通过建立故障测距方程并检测线路连接处的电流来求得接头电阻并消除其产生的测距误差，所述测距方法包括以下步骤：
(1)通过差分傅氏算法分别提取架空线故障后电缆端的三相电压工频分量三相电流工频分量架空线端的三相电压工频分量三相电流工频分量以及线路连接处三相电流的工频分量
(2)对上述工频分量进行对称分量变换，得到对应的零序、正序和负序量；
(3)根据步骤(2)中得到的架空-电缆混合线路两端的电压电流正序量，计算线路连接处的电流正序量；
(4)比较计算与实测的线路连接处电流，对故障区间进行判断；
(5)根据正常线路端的电压电流数据计算线路连接处正常线路侧的电压电流；
(6)根据基尔霍夫定律及步骤(5)的计算结果计算线路连接处故障线路侧的电压电流；
(7)针对故障所在线路段建立故障点电压方程；
(8)将线路电压电流的正序和负序量代入步骤(7)中建立的电压方程，获得简化的正序及负序电压方程；
(9)根据步骤(8)中所述的正序及负序电压方程，计算接头电阻；
(10)根据步骤(9)中的接头电阻以及步骤(8)中的正序电压方程，获得故障距离。
2.如权利要求1所述的一种考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤(2)中的对称分量变换为：
式中： 为电缆端三相电压的零序、正序和负序分量；
同理，获得故障后电缆端三相电流零序、正序和负序分量架空线端三相电压零序、正序和负序分量架空线端三相电流零序、正序和负序分量以及线路连接处三相电流零序、正序和负序分量
3.如权利要求1所述的一种考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤(3)中，计算线路连接处的电流正序量为：
式中：Z1,Z2分别为电缆和架空线波阻抗；γ1,γ2分别为电缆和架空线传播常数；L1,L2分别为电缆和架空线长度；分别为根据电缆端和架空线端计算得到的线路连接处的电流正序量；分别为电缆端和架空线端三相电压的正序量；分别为电缆端和架空线端三相电流的正序量。
4.如权利要求1所述的一种考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对故障区间进行判断的具体过程为：
若且则故障点位于电缆线上；若且则故障点位于架空线上；若则故障点位于线路连接处；
其中分别为根据电缆端和架空线端计算得到的线路连接处的电流正序量，为实测得到的线路连接处电流正序量。
5.如权利要求1所述的一种考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤(5)中，设故障点位于电缆线，则计算线路连接处正常线路侧的电压电流的公式为
式中：Z2为架空线波阻抗；γ2为架空线传播常数；L2为架空线长度；为架空线端三相电压的正序量；为架空线端三相电流的正序量；和分别为线路连接处正常线路侧的电流和电压；
故障点位于架空线时的正常线路侧的电压电流的计算与上式同理。
6.如权利要求1所述的一种考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤(6)中，设故障点位于电缆线，则计算线路连接处故障线路侧的电压电流公式为
式中：R为接头电阻；和分别为线路连接处正常线路侧的电流和电压；和分别为线路连接处故障线路侧的电流和电压；
故障点位于架空线时的故障线路侧的电压电流的计算与上式同理。
7.如权利要求1所述的一种考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤(7)中，设故障点位于电缆线，故障点电压方程为：
式中：x为待求的故障点到电缆线首端距离，即故障距离；Z1为电缆线波阻抗；γ1为电缆线传播常数；L1为电缆线长度；为电缆线端三相电压的正序量；为电缆线端三相电流的正序量；和分别为线路连接处故障线路侧的电流和电压；
故障点位于架空线时的故障点电压方程与上式同理。
8.如权利要求1所述的一种考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤(8)中，简化的正序及负序电压方程为：
式中：x为待求的故障点到电缆线首端距离，即故障距离；γ11,γ12分别为电缆线传播常数的正序量及负序量，并有：
γ11＝γ12＝γ1；
其中，k＝1,2，分别代表正序及负序分量；R为接头电阻；γ1为电缆线传播常数；L1为电缆线长度；和分别为线路连接处正常线路侧的电流和电压的正序及负序分量；Z1k为电缆线波阻抗正序及负序分量；为电缆线端三相电压的正序及负序分量；为电缆线端三相电流的正序及负序分量。
9.如权利要求8所述的一种考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤(9)中，接头电阻R的计算公式为：
10.如权利要求8所述的一种考虑接头电阻的架空-电缆混合线路故障测距方法，其特征在于，所述步骤(10)中，故障距离的计算公式为：
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