CN1191315A - 高压架空线路在线故障测距方法及仪器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线探测高压架空输电线路故障点距离方法及仪器,特征是测量线路电抗值,通过硬、软件设计,在单片机的控制下完成信号采样、处理、数值计算和报警显示;其仪器装置包括变送器、模数转换电路、数字光隔强制驱动、自调零电路等和安装在变电所的接地倒相开关电路;本发明方法及仪器装置对于我国广泛使用的10～35KV单端电源高压架空输电线路的故障测距,具有十分重要的现实意义和广阔的应用前景。

Description

高压架空线路在线故障测距方法及仪器装置

本发明属于电故障探测技术领域，涉及一种在线探测高压架空输电线路故障点距离的方法及仪器装置。

在电力架空输电线路中，由于线路故障多，查找困难，故障查寻一直是电业运行人员面对的一大难题。为解决这一问题相应出现了一些故障测距方法及装置。在本发明以前的现有技术中，常采用的方法有：故障录波法、脉冲反射法及电子电路构成的以测量线路阻抗为目标的检测方法。故障录波法的优点是方法简单，但测量精度不高，且需要经过人工计算方可定位；脉冲反射法是一种离线测距方法，其优点是对低阻性故障和断线有较好的效果，但结构复杂，调试困难，尤其是对高阻性故障和闪络性故障不易取得明显的反馈信号而无法做出判断；电子电路构成的阻抗法测距，其电路调试困难，易受干扰，精度不高。上述这些方法都只能在有限的范围内得到应用。

电抗法是一种利用故障电压和电流计算故障回路电抗值，从而标定出故障距离的方法，这种方法不受过渡电阻的影响，可真实地反映故障和故障距离，适用于单端电源高压架空线路的故障测试，因而近年来出现过电抗法故障测距的报导，如苏联SU1543354、*SU1590968、SU1661685等项专利申请。但这些专利中有的只能利用故障相电压的高低进行接地故障选线，估算故障距离，有的不具备测量接地回路电抗及准确标定故障距离的功能，有的只能检测两路出线，且误差大、实用性差，尤其是对于中性点不接地系统的单相接地故障的在线测量，仍旧没有提出更好的技术解决方案。

针对上述现有技术状况，本发明的目的在于，以测量线路电抗值为基础，提供一种既可在线准确检测和判断各类线路故障，又能精确计算和显示各类故障距离的方法和仪器装置，尤其是可有效地解决其它方法不易检测的中性点不接地系统单相接地故障的检测和距离测量问题。同时，本发明的目的还在于提高故障时在线测量电网参数的准确性、可靠性和抗干扰能力。

现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：

对于均匀传输线来说，其自身参数电阻、电抗与线路长度成正比，发生短路故障时，其短路回路的电阻、电抗值的大小就反映了故障回路的长度，从而也就反映了故障点的距离；但是，对于各种短路故障来说，有许多是非金属性短路，会在故障点出现过渡电阻而造成测距不准；然而，测量回路的电抗值来确定故障点距离就不会受到影响；此外，由于单相接地故障比率很大，而电力系统中广泛应用的10～35KV网络为中性点不接地系统，一般方法无法测距，甚至连故障线路也无法确定；因此，本发明的基本思路是：通过对软硬件的设计，使得各类短路及接地故障均可得到准确的测量，如：在方法设计上，采用滤波效果好的快速傅立叶变换法，检测时滞小的瞬时无功功率参数计算法以及可校正互感器角差的旋转向量法；在仪器的硬件电路设计上对关键电路部分采用二选一加约束的冗余技术使各电路可互相调换，互不干扰，采用光电隔离措施，提高仪器的抗干扰能力，在仪器的配套装置上，设计了独特的接地倒相开关电路，等等，很好地解决了故障的查找与测距难题；下面，先简单叙述用电抗法进行短路故障测距的原理：

由于故障电路中的电抗值不受过渡电阻的影响，则可根据传输线的线路电抗值与长度成正比原则，当线路发生短路故障时，通过测量计算变电所(线路首端)至故障点的线路电抗，即可确定故障点的距离：设短路时首端电压为_D，短路电流为 (如图1所示)，则： ${\stackrel{.}{U}}_D={\stackrel{.}{I}}_D(R+R_g)+j{\stackrel{.}{I}}_{D}X----\left(1\right)$

由(1)可得： $X=\frac{U_D\mathrm{Sin\φ}}{I_D}----\left(2\right)$

式中： 是_D和 的相位差；

       X——短路时所测得的电抗值。

则距离L为： $L=\frac{X}{X_1}----\left(3\right)$

式中：X₁-是线路单位长度的电抗，可由电力手册中查出。

通过所测得的电压、电流值可判断出故障的类型，由换算出的电抗值，可准确算出故障的距离。对于三相短路、两相短路、单相短路以及中性点不接地系统的单相接地等各类故障的测量，其原理同上，区别仅在于所需测量参数为所构成回路中的相间电压和电流。

根据上述原理，本发明在线测量高压架空线路故障距离的方法特征及步骤如下(参见图2、图3)：

1、变送器将引入的三相电压、电流信号，经标准信号变换后，送模数转换电路。

2、采样时，由单片机控制，将各路电压和电流信号同时采样保持，再由单片机控制多路开关将信号经阻抗匹配后，送模数转换电路转换，转换后的数字信号经光电隔离强制驱动电路送往单片机子系统；由单片机根据下式(新的瞬时无功功率理论)进行正常有效值计算： $U=\sqrt{\frac{2}{3}}[u_a\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\ωt}\right)+u_b\mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)+u_c\mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)]$ $I=\sqrt{\frac{2}{3}}[i_a\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\ωt}\right)+i_b\mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)+i_c\mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)]$

根据I值的大小来判断是否发生短路故障，即当I＞I_max时，有短路故障发生；故障发生时，单片机发出故障录波命令，由单片机根据下式计算各相故障电流、电压有效值： $I=\frac{1}{N}{K}_1\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|i\left({\mathrm{KT}}_1\right)\right|$ $U=\frac{1}{N}{K}_1\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|u\left({\mathrm{KT}}_1\right)\right|$

其中K₁为比例系数，T₁为采样周期，N为工频周期的采样点数，i为线路相电流的瞬时值，u为线路相电压的瞬时值。

判断故障类型：

I_A＞I_max、I_B＞I_max、I_C＞I_max则为三相短路；

I_A＞I_max、I_B＞I_max或三相中任意两相大于I_max，则为两相短路；

I_A＞I_max或三相中任意一相大于I_max，则为单相短路；

U_A＜U_min或三相中任意一相小于U_min，则为单相接地故障。

3、由单片机对故障相参数进行傅立叶分析，并采用曲线拟合和旋转矢量法进行数值修正，根据下式得到故障相电压、电流基波分量的实部和虚部： $U_{\mathrm{an}}=\frac{1}{N}\mathrm{\Σu}\left({\mathrm{KT}}_1\right)\mathrm{Cos}\left({\mathrm{\ωKT}}_1\right)$ $U_{\mathrm{bn}}=\frac{1}{N}\mathrm{\Σu}\left({\mathrm{KT}}_1\right)\mathrm{Sin}\left({\mathrm{\ωKT}}_1\right)$ $I_{\mathrm{an}}=\frac{1}{N}\mathrm{\Σi}\left({\mathrm{KT}}_1\right)\mathrm{Cos}\left({\mathrm{\ωKT}}_1\right)$ $I_{\mathrm{bn}}=\frac{1}{N}\mathrm{\Σi}\left(K{T}_1\right)\mathrm{Sin}\left({\mathrm{\ωKT}}_1\right)$ 旋转矢量修正一、二互感器带来的角误差：U_a＝U_anCosθ-U_bnSinθ    U_b＝U_bnCosθ+U_anSinθI_a＝I_anCosθ-I_bnSinθ    I_b＝I_bnCosθ+I_anSinθ其中θ为互感器的角误差。电抗值： $X=\frac{U_b{I}_a-U_a{I}_b}{I_a^2+I_b^2}$ 从而得到距离值： $L=\frac{X}{x_1}$

其中：x₁-该线路单位长度电抗值

4、当判断为单相接地故障时，操作接地倒相开关：闭合非接地相隔离开关和真空断路器，使接地相与非接地相构成相间回路，同时对各线路电流、电压进行录波，然后根据录波结果进行故障选线并按上述3的方法进行距离计算，在标定故障距离时，采用单位长度的零序电抗值；选线方法：当某条线路的零序电流i₀＝i_a+i_b+i_c大于规定值时，则该线路为故障线路。

根据上述故障测试及测距方法，本发明所提供的仪器装置具有：变送器、模数转换电路、80C196单片机子系统、显示、报警电路、插接结构、双层机壳，其特征在于：还具有数字光隔强制驱动电路、自调零电路、现场微调开关和安装在变电所的接地倒相开关电路。数字光电隔离强制驱动电路接于模数转换电路的输出和单片机子系统之间，自调零电路、显示、报警电路、现场微调电路与单片机连接，接地开关控制与单片机输出驱动连接，测量信号经变送器等送入单片机。数字光隔强制驱动电路(如图5所示)作用是提高系统检测速度。由于短路时过渡过程变化较快，对仪器的采样速度要求较高，单位时间内采集的数据越多，计算出的结果越准确。而采样速度除了与单片机、模数转换电路等有关外，还受到光电隔离器件速度的制约，且往往是影响速度的主要因素，实验表明强制驱动电路可使光电隔离器件的速度提高数倍。自调零电路的目的是提高数据检测的准确性。为了防止电路长时间工作及环境温度变化工作点出现漂移而给数据测量带来误差，电路中设计了自调零电路(如6图所示)，当检测到线路出现故障时，仪器开始录波，录波后通过调零电路将各路信号的“零点”读入，这样就可对录波时得到的数据进行修正，避免仪器内部工作点的漂移所带来的误差。现场微调开关用于现场校正测量精度，消除不同线路单位长度电抗值略有不同所带来的误差。接地倒相开关电路的目的是使中性点不接地系统的单相接地故障构成测量回路，使电抗法能进行故障测距。接地倒相开关连接于变电所的母线上(如图7所示)，当仪器判断出单相接地故障发生时，控制另一相进行一次瞬时接地，构成两相接地测量回路，由仪器检测出故障点的距离。接地倒相开关电路中由于接入了限流电阻，且电路接通时间短，对电网不会造成影响。插接结构便于仪器维修和测量线路数量的扩充。双层机壳屏蔽电场和磁场对仪器的影响。

现将附图说明如下：

图1：电抗法测距等效线路原理示意图

图2：本发明软件主程序框图

图3：本发明仪器装置原理框图

图4：变送器

图5：数字光电隔离强制驱动电路

图6：自调零电路

图7：接地倒相开关电路

图8：仪器装置接线示意图

其中：

图4中互感器及标准电阻和可调电阻是为了将输入的三相电压、电流信号转变为仪器可进行处理的小电压信号，其核心元件UA741集成运算放大器各管脚与其它元件所构成的电路形成一级射级电压跟随器，起阻抗变换作用。

图5中的6N137芯片是完成光电隔离的主要部件，其16等脚与起强制驱动的光电三极管的基极相接，是为了增加光隔的频率。

图6是自调零电路，由单片机控制三极管的基极，从而控制调零继电器动作，对录波数据进行零点修正。

图7是接地倒相开关电路，该电路安装在变电所，其上端与变电所的母线A、C相相接，G_A、G_C为单相隔离开关，DL为单相真空断路器，LH为电流互感器，R为限流电阻，下端与变电所接地网连接。

图8是本发明仪器PLTC-1与被测线路的接线示意图，采用模块化设计，插槽式结构，每一条出线对应一块模板和相应的变送通道，各隔板之间的作用是相互独立的。

本发明同现有技术相比的优越性在于：

(1)、可以在线检测各种类型的故障，并准确显示故障点距离，不受过渡电阻和非金属短路的影响。

(2)、可有效地解决中性点不接地系统的单相接地故障的测距难题。

(3)、在方法上采用了一系列措施，检测时滞小、滤波效果好、检测速度快。校正和修正了互感器的角差和比差，有效地提高了仪器装置的测试精度。

(4)、采用了模块化设计，互换性好，检测线路数量不受仪器本身结构的限制。

(5)、采用了冗余技术，提高了仪器装置的可靠性。

本发明方法及仪器装置对于我国广泛使用的10～35KV单端电源高压架空输电线路的故障测距，具有十分重要的现实意义和广阔的应用前景。

Claims (7)

1、一种在线探测高压架空输电线路故障测距方法，以测量线路电抗值为基础，其特征在于：

(1)、变送器将引入的三相电压、电流信号，经标准信号变换后，送模数转换电路；

(2)、采样时，由单片机控制，将各路电压和电流信号同时采样保持，再由单片机控制多路开关将信号经阻抗匹配后，送模数转换电路转换，转换后的数字信号经光电隔离强制驱动电路送往单片机子系统；由单片机根据下式(新的瞬时无功功率理论)进行正常有效值计算： $U=\sqrt{\frac{2}{3}}[u_a\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\ωt}\right)+u_b\mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)+u_c\mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)]$ $I=\sqrt{\frac{2}{3}}[i_a\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\ωt}\right)+i_b\mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)+i_c\mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)]$

根据I值的大小来判断是否发生短路故障，即当I＞I_max时，有短路故障发生；故障发生时，单片机发出故障录波命令，由单片机根据下式计算各相故障电流、电压有效值： $I=\frac{1}{N}{K}_1\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|i\left({\mathrm{KT}}_1\right)\right|$ $U=\frac{1}{N}{K}_1\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|u\left({\mathrm{KT}}_1\right)\right|$

其中K₁为比例系数，T₁为采样周期，N为工频周期的采样点数，i为线路相电流的瞬时值，u为线路相电压的瞬时值；

(3)、由单片机对故障相参数进行傅立叶分析，并采用曲线拟合和旋转矢量法进行数值修正，根据下式得到故障相电压、电流基波分量的实部和虚部： $U_{\mathrm{an}}=\frac{1}{N}\mathrm{\Σu}\left({\mathrm{KT}}_1\right)\mathrm{Cos}\left({\mathrm{\ωKT}}_1\right)$ $U_{\mathrm{bn}}=\frac{1}{N}\mathrm{\Σu}\left({\mathrm{KT}}_1\right)\mathrm{Sin}\left({\mathrm{\ωKT}}_1\right)$ $I_{\mathrm{an}}=\frac{1}{N}\mathrm{\Σi}\left({\mathrm{KT}}_1\right)\mathrm{Cos}\left({\mathrm{\ωKT}}_1\right)$ $I_{\mathrm{bn}}=\frac{1}{N}\mathrm{\Σi}\left({\mathrm{KT}}_1\right)\mathrm{Sin}\left({\mathrm{\ωKT}}_1\right)$

旋转矢量修正一、二互感器带来的角误差：

U_a＝U_anCosθ-U_bnSinθ    U_b＝U_bnCosθ+U_anSinθ

I_a＝I_anCosθ-I_bnSinθ    I_b＝I_bnCosθ+I_anSinθ

电抗值： $X=\frac{U_b{I}_a-U_a{I}_b}{I_a^2+I_b^2}$

从而得到距离值： $L=\frac{X}{x_1}$

其中：x₁-该线路单位长度电抗值；

(4)、当判断为单相接地故障时，操作接地倒相开关：闭合非接地相隔离开关和真空断路器，使接地相与非接地相构成相间回路，同时对各线路电流、电压进行录波，然后根据录波结果进行故障选线并按上述(3)的方法进行距离计算，在标定故障距离时，采用单位长度的零序电抗值；选线方法：当某条线路的零序电流i₀＝i_a+i_b+i_c大于规定值时，则该线路为故障线路。

2、根据权利要求1所述的一种在线探测高压架空输电线路故障测距方法，其特征在于：

故障判断的标准为：

I_A＞I_max、I_B＞I_max、I_C＞I_max则为三相短路；

I_A＞I_max、I_B＞I_max或三相中任意两相大于I_max，则为两相短路；

I_A＞I_max或三相中任意一相大于I_max，则为单相短路；

U_A＜U_min或三相中任意一相小于U_min，则为单相接地故障。

3、根据权利要求1所述的一种在线探测高压架空输电线路故障测距方法而设计的仪器装置，具有：变送器、模数转换电路、80C196单片机子系统、显示、报警电路，其特征在于：还具有数字光隔强制驱动电路、自调零电路、现场微调开关和安装在变电所的接地倒相开关电路；数字光电隔离强制驱动电路接于模数转换电路的输出和单片机子系统之间，自调零电路、显示、报警电路、现场微调电路与单片机连接，接地开关控制与单片机输出驱动连接，测量信号经变送器等送入单片机。

4、根据权利要求3所述的一种在线探测高压架空传输线路或网络故障测距方法而设计的仪器装置，其特征在于：标准信号转换电路中的核心元件UA741集成运算放大器各管脚与其它元件所构成的电路形成起阻抗变换作用的一级射级电压跟随器。

5、根据权利要求3所述的一种在线探测高压架空传输线路或网络故障测距方法而设计的仪器装置，其特征在于：强制驱动数字光隔电路中的6N137芯片的16等脚与光电三极管的基极相接。

6、根据权利要求3所述的一种在线探测高压架空传输线路或网络故障测距方法而设计的仪器装置，其特征在于：接地倒相开关电路安装在变电所，其上端与变电所的母线A、C相相接，下端经限流电阻与变电所接地网连接。

7、根据权利要求3所述的一种在线探测高压架空传输线路或网络故障测距方法而设计的仪器装置，其特征在于：仪器中的硬件电路与被测线路采用模块插槽式结构，每一条出线对应一块模板和相应的变送通道，各模板之间的作用相互独立。

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