CN109470989A - 一种基于110kV部分同塔双回线路的雷击故障选线与定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于110kV部分同塔双回线路的雷击故障选线与定位方法，属于电力系统继电保护技术领域。首先对杆塔、雷电流、绝缘子进行参数设定，分别从行波传播过程与耦合电流传播过程的角度，利用雷击不同位置时各个量测端零模电流首波头极性同异的特点进行对雷击故障区段的定位，再根据耦合电流行波与初始故障行波到达某一量测端时间不同的原理，对雷击故障位置进行精准测距，最后利用单端测距对110kV部分同塔双回线路雷击故障定位的适用性进行分析，得出经简化后的线路模型利用单端测距法进行故障定位。

Description

一种基于110kV部分同塔双回线路的雷击故障选线与定位 方法

技术领域

本发明涉及一种基于110kV部分同塔双回线路的雷击故障选线与定位方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

随着电网建设的发展，110kV输电线路在所有输电线路中所占的比重越来越大，其重要性不言而喻。根据云南省某有关研究院数据，云南省某一年内(2009-2010年)110kV及以上输电线路由雷击引起的跳闸事故共发生596次，占总跳闸次数的54.6％。其中500kV、220kV与110kV输电线路由雷击引起的跳闸事故次数分别39次、113次与444次。110kv输电线路由于在输电系统中占比较大，往往发生雷击的次数也较多。并且在建设中多使用同塔双回线路结构与部分同塔双回结构，以达到充分利用土地资源增加线路传输容量的目的。由于同塔双回线路杆塔结构与单回线路结构不同，往往杆塔较高、避雷线屏蔽性能较差，导致线路存在防雷性能整体降低等缺点。因此如何对雷击故障进行有效准确的选线和定位，确定改善同塔双回线路耐雷水平的方法对今后部分同塔双回线路的发展有着指导性的意义。

对于同塔双回线路国内外学者已有较多的研究。在故障定位方法方面，包含用电弧故障的转移特性与单端推导故障处参数构造故障测距公式故障进行定位。也有以故障前后端工频电压、电流的幅值研究对象，提出一种适用于同塔双回线路的故障测距新算法。还有在同塔双回线路解耦的基础上，利用序分量故障计算模型，提出了一种适用于开环网络的三端局部耦合双回输电线路故障分析方法。但经过大量验证该方法对于含闭环网络的部分同塔线路并不适用。虽然对于同塔双回线路故障定位技术各国学者已进行一定的研究，但现有研究分析大多数针对于全程同塔双回线路或仅针对某一特定的线路情况，而110kV部分同塔双回线路在实际运行中占有一定的比重，针对这一线路类型缺乏有效的分析，其对现有测距方法的适用性也有待研究，因此对于这一线路类型的分析对110kV系统的安全稳定运行具有极其重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于110kV部分同塔双回线路的雷击故障选线与定位方法，通过利用雷击不同位置时各个量测端零模电流首波头极性同异的特点进行对雷击故障区段的定位，再根据耦合电流行波与初始故障行波到达某一量测端时间不同的原理进行故障测距。

本发明的技术方案是：一种基于110kV部分同塔双回线路的雷击故障选线与定位方法，首先对杆塔、雷电流、绝缘子进行参数设定，分别从行波传播过程与耦合电流传播过程的角度，利用雷击不同位置时各个量测端零模电流首波头极性同异的特点进行对雷击故障区段的定位，再根据耦合电流行波与初始故障行波到达某一量测端时间不同的原理，对雷击故障位置进行精准测距，最后利用单端测距对110kV部分同塔双回线路雷击故障定位的适用性进行分析，得出经简化后的线路模型利用单端测距法进行故障定位。

具体步骤为：

步骤1：对杆塔、雷电流、绝缘子进行参数设定

(1)杆塔：仿真模型选取型号为SZT-35的110kV同塔双回杆塔，采用多波阻抗模型模拟杆塔，杆塔模型中，多波阻抗的计算模型如下：

将杆塔划分为k段导体，k＝2,3,4…,n，n为圆柱导体数量，导体自阻抗为Z_T-kk，第k根与第l根之间距离为R_kl，互阻抗为Z_T-kl；

进而得出总波阻抗Z_T-n为：

多波阻抗模型可以对n段导体求和得出波阻抗公式：

其中r_e为多导体系统等效半径，可通过下式求出：

式中r为导体半径，R为两导体间距离；

(2)雷电流：根据雷击地面的等值电路，令u₀、i₀分别表示雷电通道电压与雷电流；Z₀与Z_j表示雷电通道的波阻抗与雷击点接地阻抗，由u₀＝i₀Z₀，得出通过Z_j的雷电流i为：

(3)绝缘子：反击时塔顶电位升高至U_td，并与导线电位U_d出现差异，这一差异即为绝缘子两端电压U_j，可由如下公式得到：

步骤2：对110kV同塔双回输电线路进行解耦处理；

将双回线路的电压和电流表示成同向量和反向量形式，具体为：

式中，下标T代表同向量，F代表反向量，A、B、C为相量，I代表I回线，II代表II回线；

步骤3：对于110kV部分同塔双回输电线路雷击行波分析；

对单根导线而言，若雷电流行波自雷击点向线路两边传播，将母线指向导线规定为线路电流正方向，这一规定方向与雷电行波传播方向相反，则线路量测端采集到的初始故障行波方向与雷电流行波方向相反，即雷击中导线时量测端采集初始电流行波方向为正极性，以此方法判别且标定极性。

步骤4：通过导线上的感应电流行波传播方向与零模电流所取参考方向的同异，利用线路两端零模电流首波头极性的异同判断雷击故障区段；

步骤5：利用故障电流行波与耦合电流行波传播路径上有一定的差异的特点，对于双回线路处的雷击故障，采用一端数据进行故障定位，耦合电流行波与故障电流行波传播路径差的单端测距公式为：

其中，t₁为相电流初始波头到达时刻，t₂为解耦后线模电流行波初始波头的到达时刻，v为行波在线路上的传播速度。

本发明的原理是：

一、采用多波阻抗模型模拟杆塔建立模型。

杆塔模型中，多波阻抗的计算模型如下：

将杆塔划分为k段导体，k＝2,3,4…,n，n为圆柱导体数量，导体自阻抗为Z_T-kk，第k根与第l根之间距离为R_kl，互阻抗为Z_T-kl。

进而得出总波阻抗Z_T-n为：

多波阻抗模型可以对n段导体求和得出波阻抗公式：

其中r_e为多导体系统等效半径，可通过下式求出。

上式中r为导体半径，R为两导体间距离。

二、对所建立的模型通过相模变换进行解耦

对于同塔双回线路，存在相间耦合与线间耦合，采用相模变换矩阵进行解耦转化。

均匀换位同塔双回线路模相变换和相模变换矩阵分别为：

和

三、判定模型中雷击电流行波方向并确定其极性

(1)对单根导线而言，若雷电流行波自雷击点向线路两边传播，将母线指向导线设为线路电流正方向，这一设定方向与雷电行波传播方向相反，则线路量测端采集到的初始故障行波方向与雷电流行波方向相反，即雷击中导线时量测端采集初始电流行波方向为正极性，以此方法判别且标定极性。

故障点F处的初始故障电流行波i_F为：

其中u_F表示故障点处电压行波；Z_C表示线路波阻抗；γ表示线路传播常数；x_F表示故障点距量测端距离。

2)通过导线上的感应电流行波传播方向与零模电流所取参考方向的异同判断量测端零模电流首波头极性，进而利用线路两端零模电流首波头极性的异同判断雷击故障区段。

四、雷击故障定位

利用故障电流行波与耦合电流行波传播路径上有一定的差异的特点，对于双回线路处的雷击故障，采用一端数据进行故障定位。

耦合电流行波与故障电流行波传播路径差的单端测距公式为：

其中t₁为相电流初始波头到达时刻，t₂为解耦后线模电流行波初始波头的到达时刻，v为行波在线路上的传播速度。

本发明的有益效果是：

1、利用导线上的感应电流行波传播方向与零模电流所取参考方向的异同判断量测端零模电流首波头极性，进而通过判断线路两端零模电流首波头极性的异同方法判断雷击故障区段，大大降低了计算工作量，原理简单，操作简便。

2、有效的解决110kV部分同塔双回线路的双回线处雷击故障等位问题，仅采用一端数据进行定位，避免了双端测距中需考虑测距装置时钟同步的问题。

3、分别采用相电流行波与线电流行波的首波头到达时间不同进行测距，避免了繁琐的后续波头分析，良好的改善了单端测距中故障点反射波不易识别的问题。

4、首波头到达时间误差较小，有效的提高了测距精度。

附图说明

图1是本发明实施例110kV部分同塔双回线路系统仿真模型图；

图2是本发明实施例不考虑线路间耦合情况下不同雷击类型、位置情况下各个量测端零模电流首波头极性图；

图3是本发明反击双回线路处示意图；

图4是本发明110kV部分同塔双回线路简化图；

图5是本发明反击线路不同位置简化图；

图6是本发明110kV部分同塔双回线路雷击区段定位流程图；

图7是本发明110kV部分同塔双回线近端故障模型图；

图8是本发明雷击故障C端行波数据图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种基于110kV部分同塔双回线路的雷击故障选线与定位方法，首先对杆塔、雷电流、绝缘子进行参数设定，分别从行波传播过程与耦合电流传播过程的角度，利用雷击不同位置时各个量测端零模电流首波头极性同异的特点进行对雷击故障区段的定位，再根据耦合电流行波与初始故障行波到达某一量测端时间不同的原理，对雷击故障位置进行精准测距，最后利用单端测距对110kV部分同塔双回线路雷击故障定位的适用性进行分析，得出经简化后的线路模型利用单端测距法进行故障定位。

具体步骤为：

步骤1：对杆塔、雷电流、绝缘子进行参数设定

(1)杆塔：仿真模型选取型号为SZT-35的110kV同塔双回杆塔，采用多波阻抗模型模拟杆塔，杆塔模型中，多波阻抗的计算模型如下：

将杆塔划分为k段导体，k＝2,3,4…,n，n为圆柱导体数量，导体自阻抗为Z_T-kk，第k根与第l根之间距离为R_kl，互阻抗为Z_T-kl；

进而得出总波阻抗Z_T-n为：

多波阻抗模型可以对n段导体求和得出波阻抗公式：

其中r_e为多导体系统等效半径，可通过下式求出：

式中r为导体半径，R为两导体间距离；

(2)雷电流：根据雷击地面的等值电路，令u₀、i₀分别表示雷电通道电压与雷电流；Z₀与Z_j表示雷电通道的波阻抗与雷击点接地阻抗，由u₀＝i₀Z₀，得出通过Z_j的雷电流i为：

(3)绝缘子：反击时塔顶电位升高至U_td，并与导线电位U_d出现差异，这一差异即为绝缘子两端电压U_j，可由如下公式得到：

沿线架设避雷线的输电线路在不同电压等级下反击耐雷水平如下表所示：

不同电压等级输电线路反击耐雷水平

绕击时，导线上电压U_d为：

上式中Z₀为雷电通道波阻抗；Z_d为导线波阻抗。

不同电压等级输电线路的绕击耐雷水平如下表所示：

不同电压等级输电线路绕击耐雷水平

步骤2：对110kV同塔双回输电线路进行解耦处理；

将双回线路的电压和电流表示成同向量和反向量形式，具体为：

式中，下标T代表同向量，F代表反向量，A、B、C为相量，I代表I回线，II代表II回线；

步骤3：对于110kV部分同塔双回输电线路雷击行波分析；

对单根导线而言，若雷电流行波自雷击点向线路两边传播，将母线指向导线规定为线路电流正方向，这一规定方向与雷电行波传播方向相反，则线路量测端采集到的初始故障行波方向与雷电流行波方向相反，即雷击中导线时量测端采集初始电流行波方向为正极性，以此方法判别且标定极性。

步骤4：通过导线上的感应电流行波传播方向与零模电流所取参考方向的同异，利用线路两端零模电流首波头极性的异同判断雷击故障区段；

步骤5：利用故障电流行波与耦合电流行波传播路径上有一定的差异的特点，对于双回线路处的雷击故障，采用一端数据进行故障定位，耦合电流行波与故障电流行波传播路径差的单端测距公式为：

其中，t₁为相电流初始波头到达时刻，t₂为解耦后线模电流行波初始波头的到达时刻，v为行波在线路上的传播速度。

相比于110kV同塔双回线路，其T接点后将ⅠⅡ回线路分为两条单回线路，雷击情况较之双回更为复杂，并且雷击不同位置时雷电行波在线路中的折反射过程不尽相同。因此将其分为三种情况，即：雷击双回线路端即图1中①处，雷击Ⅰ回线路单回线段即图1中②处，雷击Ⅱ回线路单回线段即图1中③处。

在雷击发生在不同位置时，行波的折反射过程不同。而对应雷击类型不同则各量测端采集的零模电流首波头极性也不尽相同。对此，不同雷击类型情况下，对雷击线路不同位置时各个量测端零模电流首波头极性进行分析，得出如图2所示结果。图中A表示双回线路A端同向零模电流首波头极性；D表示双回线路A端Ⅰ回线路采集的Ⅰ回零模电流首波头极性；E表示双回线路A端Ⅱ回线路采集的Ⅱ回线路零模电流首波头极性；B表示单回线路B端采集的Ⅰ回线路零模电流首波头极性；C表示单回线路C端采集的Ⅱ回线路零模电流首波头极性。

以绕击Ⅰ回为例由上述可知，绕击时雷电流行波在导线上传播，量测端BD采集的零模电流首波头极性均为负极性。当负极性雷电流行波在A端母线处透射至E端时，由于E端参考方向与D端相反导致E端采集的零模电流首波头极性为正极性，雷电流行波继续沿Ⅱ回线路传播至C端，由于C端参考方向与D端一致，故C端采集的零模电流首波头极性为负极性。

图3为110kV部分同塔双回线路结构，在双回线路处发生雷电反击时，会在导线上产生正极性的电流行波，并沿线路向两端传播，最终各个量测端采集到的零模电流初始波头均为负极性。

通过上述判别即可确定雷击区段，将复杂线路情况进行有效分解，进而根据不同的雷击区段进一步进行雷击位置的定位，流程图如图6。

结合仿真实例进行故障定位说明，仿真模型如图7所示，设110kV部分同塔双回线路中双回线路处距离A端5km处发生雷电绕击，并导致线路故障。仿真时长0.1s，在0.065s时发生雷电绕击Ⅰ回线路并导致线路闪络。此时可以根据本文中方法确定雷击区段以及故障线路，确定为雷击双回线处Ⅰ回线路导致故障，C端采集相电流行波与线模电流行波如图8所示，测得线模电流行波初始到达时刻t₂为0.065198025s，相电流行波初始到达时刻t₁为0.065165944s。行波在架空线路上的传播速度v取2.98×10⁵km/s。带入式公式(9)中得出：

得出故障距离为4.780069km，与设定的故障距离5km基本相符，误差为219.931m，在允许范围之内。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于110kV部分同塔双回线路的雷击故障选线与定位方法，其特征在于：首先对杆塔、雷电流、绝缘子进行参数设定，分别从行波传播过程与耦合电流传播过程的角度，利用雷击不同位置时各个量测端零模电流首波头极性同异的特点进行对雷击故障区段的定位，再根据耦合电流行波与初始故障行波到达某一量测端时间不同的原理，对雷击故障位置进行精准测距，最后利用单端测距对110kV部分同塔双回线路雷击故障定位的适用性进行分析，得出经简化后的线路模型利用单端测距法进行故障定位。

2.根据权利要求1所述的基于110kV部分同塔双回线路的雷击故障选线与定位方法，其特征在于具体步骤为：

步骤1：对杆塔、雷电流、绝缘子进行参数设定

(1)杆塔：仿真模型选取型号为SZT-35的110kV同塔双回杆塔，采用多波阻抗模型模拟杆塔，杆塔模型中，多波阻抗的计算模型如下：

将杆塔划分为k段导体，k＝2,3,4…,n，n为圆柱导体数量，导体自阻抗为Z_T-kk，第k根与第l根之间距离为R_kl，互阻抗为Z_T-kl；

进而得出总波阻抗Z_T-n为：

多波阻抗模型可以对n段导体求和得出波阻抗公式：

其中r_e为多导体系统等效半径，可通过下式求出：

式中r为导体半径，R为两导体间距离；

(2)雷电流：根据雷击地面的等值电路，令u₀、i₀分别表示雷电通道电压与雷电流；Z₀与Z_j表示雷电通道的波阻抗与雷击点接地阻抗，由u₀＝i₀Z₀，得出通过Z_j的雷电流i为：

(3)绝缘子：反击时塔顶电位升高至U_td，并与导线电位U_d出现差异，这一差异即为绝缘子两端电压U_j，可由如下公式得到：

步骤2：对110kV同塔双回输电线路进行解耦处理；

将双回线路的电压和电流表示成同向量和反向量形式，具体为：

式中，下标T代表同向量，F代表反向量，A、B、C为相量，I代表I回线，II代表II回线；

步骤3：对于110kV部分同塔双回输电线路雷击行波分析；

步骤4：通过导线上的感应电流行波传播方向与零模电流所取参考方向的同异，利用线路两端零模电流首波头极性的异同判断雷击故障区段；

步骤5：利用故障电流行波与耦合电流行波传播路径上有一定的差异的特点，对于双回线路处的雷击故障，采用一端数据进行故障定位，耦合电流行波与故障电流行波传播路径差的单端测距公式为：

其中，t₁为相电流初始波头到达时刻，t₂为解耦后线模电流行波初始波头的到达时刻，v为行波在线路上的传播速度。