CN109901024A - 一种架空-电缆混合线路的故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种架空‑电缆混合线路的故障定位方法，属于电力故障定位技术领域，该故障定位方法包括以下步骤：在混合线路母线以及各连接点处安装故障电流检测装置，根据故障电流检测装置检测到的故障电流信号的方向来判断架空‑电缆混合线路的故障支路；已知故障支路的情况下，根据故障点位置的计算公式确定故障点的位置；建立架空‑电缆混合线路仿真模型，根据仿真模型中各检测点的故障类型，验证故障点的位置的正确性，该故障定位方法能够快速、准确的对故障点进行定位，及时排除故障，恢复供电，从而提高整个系统的供电可靠性。

Description

一种架空-电缆混合线路的故障定位方法

技术领域

本发明涉及电力故障定位技术领域，尤其是涉及一种架空-电缆混合线路的故障定位方法。

背景技术

目前，城区大多采用电力电缆线路作为输电设备，当线路离开城市后改为架空线路，从而出现了多条电缆和架空线混合的高压输电线路。线路发生故障后，调度主要依靠故障定位数据来下定巡线范围指令，由于现有故障定位装置误差较大，使得调度下达巡线范围都较大。无论是架空线路还是电缆线路，其大部分故障并没有明显的烧伤痕迹，这不仅给故障点的排查带来困难。从现有的故障恢复运行的经验来看，寻找故障点所花时间占故障后设备维护时间一半以上，尤其是在夜晚、山区和冬季。架空-电缆混合线路主要向中心城区送电，一旦其发生故障，影响人口众多，经济损失也较大，同时直接影响到城区电网的供电可靠性。因此当架空-电缆混合线路发生故障后，需快速、准确的对故障点进行定位，及时排除故障，恢复供电，从而提高整个系统的供电可靠性。

公告号为CN 105044551 B的文献提供了一种架空线-高压电缆混合线路故障定位方法，包括：(1)分别测量线路两侧M、N端点的三相电压、电流相量，运用对称分量法分别计算出两侧的负序电压、负序电流、正序电压、正序电流；(2)根据负序电压，判断故障类型；(3)若为非对称故障，由双端电气量M侧和N侧的三相电压、电流相量分别计算沿线各点负序电压幅值，负序电压幅值相等的点即是故障点；(4)若为三相对称故障，采用正序电压变化量幅值比较的方法进行故障定位，正序电压幅值变化量相等的点即是故障点，但该定位方法缺少相应的模型支撑，无法验证定位方法的合理性。

公告号为CN 105137289 B的文献公开了一种适用于高压架空线-电缆混合线路的行波故障定位方法，其通过在受测混合线路的两端分别安装行波采集装置，并利用该两台行波采集装置分别采集并计算注入行波时间差、合闸行波时间差、故障行波时间差，利用行波信号在架空线区段或电缆区段波速恒定这一特点，通过判断故障行波时间差与各个注入行波时间差是否满足判定条件以及满足判定条件的次序来准确、快速的确定受测混合线路的故障点所在的线路段，再通过计算来精确定位受测混合线路的故障点位置，但该文献缺少相应的模型和实例进行相关的理论支撑，有待进一步改进。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种架空-电缆混合线路的故障定位方法，解决上述存在的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种架空-电缆混合线路的故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1：故障发生在混合线路中任意一条支路时，故障点都会产生向两端传输的故障行波，采用分布式测距方法，在混合线路母线以及各连接点处安装故障电流检测装置，根据故障电流检测装置检测到的故障电流信号的方向来判断架空-电缆混合线路的故障支路；

步骤2：在已知故障支路的情况下，根据故障支路两端检测点检测到的故障首波波头到达时间，根据故障点位置的计算公式确定故障点的位置；

步骤3：建立架空-电缆混合线路仿真模型，根据仿真模型中各检测点的故障类型，利用上述故障点的位置算法对仿真模型计算，将计算结果与实例中的结果进行误差分析，验证上述故障点的位置确定的准确性。

进一步的，所述步骤1的故障支路的电流信号的判定方法为：故障点同侧的检测终端记录的故障电流信号方向相同，故障点两侧记录的故障电流信号方向相反。

进一步的，所述步骤1的任一点的故障电流信号由该点的前行波电流和反行波电流叠加而成，其计算公式为

式中，v为行波传播速度，Z为波阻抗，u_f(x-vt)、i_f(x-vt)分别为沿x正方向传播的电压、电流前向行波，u_b(x+vt)、i_b(x+vt)为沿x负方向传播的电压、电流反向行波。

进一步的，所述故障点位置的计算公式为：

式中：L为故障发生线路总长度，Δt_p与Δt_q为故障初始行波到达故障支路两端所需的时间。

进一步的，所述Δt_p与Δt_q的计算公式为：

其中：Δt_p与Δt_q为故障初始行波到达故障支路两端所需的时间，t_p、t_q为故障初始行波到达P、Q两端的时刻，t₀为故障初始时刻。

进一步的，所述C₁为常数，所述C₁由这两个检测点之间各支路的长度及其波速度来确定，与故障点在故障支路上的具体位置无关。

进一步的，所述步骤3的故障类型包括单相接地、两相短路、两相接地和三相接地。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供一种架空-电缆混合线路的故障定位方法，先根据故障电流检测装置检测到的故障电流信号的方向来判断架空-电缆混合线路的故障支路，然后根据故障支路两端检测点检测到的故障首波波头到达时间，根据故障点位置的计算公式确定故障点的位置，通过科学有效的理论和计算公式，并通过能够快速地确定出故障点的大致位置，实现了架空-电缆混合线路的快速定位。

2.本发明提供一种架空-电缆混合线路的故障定位方法，利用输电线路的故障的可以视为其在正常运行的情况下，叠加一个故障分量，而故障分量从故障点开始向线路两端传播。根据这一点可以根据故障电流信号的方向来判断混合线路故障发生的线路，输电线路某点发生故障时，可以利用叠加原理将故障根据行波的基本理论，能够快速、准确的对故障点进行定位，及时排除故障，恢复供电，从而提高整个系统的供电可靠性。

3.本发明提供一种架空-电缆混合线路的故障定位方法，通过建立架空-电缆混合线路仿真模型，根据仿真模型中各检测点的故障类型，利用上述故障点的位置算法对仿真模型计算，验证了故障点的位置计算方法的可靠性，为架空-电缆混合线路更加可靠的提供运行数据支持奠定基础。

附图说明

图1为本发明的故障电流的流向图；

图2为本发明的利用叠加原理分析故障行波的示意图；

图3为本发明的均匀单导线单元等值电路的示意图；

图4为本发明的混合电路系统图；

图5为本发明的故障定位分析的示意图；

图6为本发明的监测点1和监测点2的故障电流行波的示意图；

图7为本发明的监测点3和监测点4的故障电流行波的示意图；

图8为本发明的监测点5和监测点6的故障电流行波的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

一种架空-电缆混合线路的故障定位方法，包括以下步骤：

如图1所示，步骤1：故障发生在混合线路中任意一条支路时，故障点都会产生向两端传输的故障行波，采用分布式测距方法，在混合线路母线以及各连接点处安装故障电流检测装置，根据故障电流检测装置检测到的故障电流信号的方向来判断架空-电缆混合线路的故障支路；

如图2所示，输电线路的故障可以视为其在正常运行的情况下，叠加一个故障分量。而故障分量从故障点开始向线路两端传播。输电线路某点F发生故障时，可以利用叠加原理将故障表示，图2(a)可由图2(b)来等效，而图2(b)又可视为正常负荷分量图2(c)和故障分量图2(d)两者的叠加。故障分量相当于在系统电势为零时，在故障点叠加与该点正常负荷状态下大小相等方向相反的电压，在这一电压的作用下，将产生由故障点向线路两端传播的行波。

如图3所示，若设输电线路是均匀线路，其单位长度电阻、电感、电容和电导分别为r₀、L₀、C₀和g₀，在输电线路上取dx段，作出等值电路，根据图3得到在分布参数线路上电压U和电流I与线路位置x的对应关系如下所示：

求解(1)式可得到电压行波U和电流行波I的对应关系如下式所示，

式(2)中，γ传播常数，可表示为k₁，k₂分别为积分常数，由边界条件确定，Z_c为线路波阻抗可表示为再对比传输线波动方程的D.Alembert解。

式(3)中，v为行波传播速度，Z为波阻抗，u_f(x-vt)、i_f(x-vt)分别为沿x正方向传播的电压、电流前向行波，u_b(x+vt)、i_b(x+vt)为沿x负方向传播的电压、电流反向行波。

表明线路上任一点的电压是由该点的前行波电压和反行波电压叠加而成的；同样，任一点的电流也由该点的前行波电流和反行波电流叠加而成。前行波电压与前行波电流的比值为正的波阻抗，反行波电压与反行波电流的比值为负的波阻抗，对比式(2)和式(3)得，

由式(4)可知，行波随着传输距离x的增加呈指数衰减关系。且当x＝t＝0时，即行波在产生的时刻，前向行波与反向行波大小相等。

根据上述行波理论，可以根据故障电流信号的方向来判断混合线路故障发生的线路。故障发生在混合线路中任意一条支路时，故障点都会产生向两端传输的故障行波。故障点同侧的检测终端记录的故障电流信号方向相同，故障点两侧记录的故障电流信号方向相反。因此，故障发生以后会产生从故障点流向线路两端的行波。若只在混合线路两端安装故障电流检测装置，由于行波衰减过快，有时候很难检测到故障电流行波。因此该方法采用分布式测距方法，在混合线路母线以及各连接点处安装故障电流检测装置，根据故障电流方向即可找出发生故障的支路。

如图4所示，若相邻检测点检测到的电流方向相反，则该相邻检测点之间的支路即为发生故障的支路。设定电流正方向为从母线A流向母线B，则若检测点1-4的故障电流方向为负，而检测点5-7的故障电流方向为正，则故障发生在检测点4和检测点5之间，即电缆2发生故障。故障发生在母线外侧时，所有故障点故障电流方向一致，若都为正，则故障发生在线路左侧；都为负，则故障发生在线路右侧。

步骤2：在已知故障支路的情况下，根据故障支路两端检测点检测到的故障首波波头到达时间，根据故障点位置的计算公式确定故障点的位置；

如图5所示，若故障支路为电缆2，设电缆波速度为v_b，故障发生在F点，P为架空线2与电缆2的连接点，距离F为L_p；Q为架空线3与电缆2的连接点，距离F为L_q，故障初始时刻为t₀，则故障初始行波到达P、Q两端的时刻t_p、t_q为t_p＝t₀+L_p/v_b、t_q＝t₀+L_q/v_b，那么故障初始行波到达两端所需的时间Δt_p与Δt_q之和为

其中，L₂为电缆2的长度。由上式可知，Δt_p与Δt_q之和与故障位置无关，由故障支路的长度及其波速度确定。因此，故障支路确定以后，在设定的波速度下，故障初始行波到达故障支路两端所用的时间之和就是确定的。

进一步分析即可得知，故障初始行波到达故障点两侧任意两个检测点的时间之和都可以由这两个检测点之间各支路的长度及其波速度来确定，与故障点在故障支路上的具体位置无关。

结合上述分析，根据故障支路两端检测点所测得的故障初始行波到达故障支路两端的时间差即可得到故障初始时刻以及故障初始行波到达故障支路两端所用时间，计算方程如下式(6)所示，

由式(6)算出Δt_p与Δt_q，所述C₁为常数，所述C₁由这两个检测点之间各支路的长度及其波速度来确定，与故障点在故障支路上的具体位置无关。

故障点的位置的计算公式如下，

其中，L为故障发生线路总长度。

步骤3：建立架空-电缆混合线路仿真模型，根据仿真模型中各检测点的故障类型，利用上述故障点的位置算法对仿真模型计算，将计算结果与实例中的结果进行误差分析，验证上述故障点的位置确定的准确性。

如图6、图7和图8所示，横坐标为时间，纵坐标为电流行波值，为了验证上述方法的准确性，在PSCAD中建立一条35kV双端电源混合线路系统，包含三条架空线路和三条电缆，架空线和电缆依次间隔，长度分别为60km、40km、50km、50km、40km、60km，在各连接点以及母线处均安装有故障电流检测装置，系统启动后0.245s发生故障，检测点数据采样率为1MHz。

以混合线路电缆1上30km处发生单相接地故障为例，当故障电阻为50Ω时，通过对各检测测点检测到的故障电流行波进行处理。

以电流行波向上为正，则监测点1和2的故障电流为正，监测点3～6均为负，而监测点7由于距离故障点距离较远，行波衰减较快，难以检测到故障电流行波波头。由于相邻监测点2和3故障电流方向相反，故障发生在监测点2和3之间，即电缆1上。

进一步分析可知，监测点2检测到的首个行波到达时间为0.245200s，检测点3检测到的首个行波到达时间为0.245064s，因此故障发生在电缆1的下半段。设电缆波速度v_b＝1.5×10⁸m/s，架空线波速度为v_a＝2.98×10⁸m/s，则由此可得常数C₁＝266.7μs，故由(6)计算出故障行波到达故障线路两端所需时间Δt_p＝201.4μs，Δt_q＝65.3μs，由(7)可得，故障大概位置为30.199km处。

所述步骤3的故障类型包括为不同线路在不同故障角、不同位置发生单相接地(AG)、两相短路(AB)、两相接地(ABG)以及三相接地(ABCG)等故障时，利用式(7)来计算结果，计算结果如表1所示：

表1不同情况故障定位计算

通过表1可知，分布式故障定位方法与故障位置、故障过渡电阻和故障角都无关，仿真结果误差最大仅为475米，满足现场运行需要。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种架空-电缆混合线路的故障定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：故障发生在混合线路中任意一条支路时，故障点都会产生向两端传输的故障行波，采用分布式测距方法，在混合线路母线以及各连接点处安装故障电流检测装置，根据故障电流检测装置检测到的故障电流信号的方向来判断架空-电缆混合线路的故障支路；

步骤2：在已知故障支路的情况下，根据故障支路两端检测点检测到的故障首波波头到达时间，根据故障点位置的计算公式确定故障点的位置；

步骤3：建立架空-电缆混合线路仿真模型，根据仿真模型中各检测点的故障类型，利用上述故障点的位置算法对仿真模型计算，将计算结果与实例中的结果进行误差分析，验证上述故障点的位置确定的准确性。

2.根据权利要求1所述的一种架空-电缆混合线路的故障定位方法，其特征在于：所述步骤1的故障支路的电流信号的判定方法为：故障点同侧的检测终端记录的故障电流信号方向相同，故障点两侧记录的故障电流信号方向相反。

3.根据权利要求1所述的一种架空-电缆混合线路的故障定位方法，其特征在于：所述步骤1的任一点的故障电流信号由该点的前行波电流和反行波电流叠加而成，其计算公式为

式中，v为行波传播速度，Z为波阻抗，u_f(x-vt)、i_f(x-vt)分别为沿x正方向传播的电压、电流前向行波，u_b(x+vt)、i_b(x+vt)为沿x负方向传播的电压、电流反向行波。

4.根据权利要求1所述的一种架空-电缆混合线路的故障定位方法，其特征在于：所述故障点位置的计算公式为：

式中：L为故障发生线路总长度，Δt_p与Δt_q为故障初始行波到达故障支路两端所需的时间。

5.根据权利要求4所述的一种架空-电缆混合线路的故障定位方法，其特征在于：所述Δt_p与Δt_q的计算公式为：

其中：Δt_p与Δt_q为故障初始行波到达故障支路两端所需的时间，t_p、t_q为故障初始行波到达P、Q两端的时刻，t₀为故障初始时刻。

6.根据权利要求5所述的一种架空-电缆混合线路的故障定位方法，其特征在于：所述C₁为常数，所述C₁由这两个检测点之间各支路的长度及其波速度来确定，与故障点在故障支路上的具体位置无关。

7.根据权利要求1所述的一种架空-电缆混合线路的故障定位方法，其特征在于：所述步骤3的故障类型包括单相接地、两相短路、两相接地和三相接地。