（通信与信息系统专业论文）配电网交流故障定位法的研究与实现.pdf

l l j 一 _ i l k l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网交流故障定位法的研究与 实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：叁亟垒拯闩期：墨! ：三：! ， 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：丝丝：兰：! 日期：垄翌：兰：生 i一 -ji 2 - 华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 配电网交流故障定位方法的思路是：线路出现单相接地故障以后，在停电离线状态 下向故障相注入交流信号，然后携带手持交流信号探测器用二分法沿线路检测，直到找 到故障为止。交流注入信号频率本文选择6 0 h z ，相对与s 信号注入法，称为低频交流注 入法。通过本文的研究工作，取得了如下主要研究成果与结论：( 1 ) 首次将交流定位方 法从经验提高到理论。( 2 ) 给出了交流信号源和交流信号探测器的设计方法。( 3 ) 探测器 采用单片机c 8 0 5 1 f 3 1 0 ，这是目前比较先进的单片机。( 4 ) 数据显示部分用液晶显示模块 以节省电池的耗电量，显示器与单片机的接口为串行通信接口。该方法可以地面检测， 便于现场人员操作，并通过保定市定州赵家沣变电站线路的实验证明了其有效性。 关键词：交流故障定位；低频交流注入法：p 删信号；c 8 0 5 1 f 3 1 0 单片机 a b s t r a c t t h ei d e ao fa cl o c a t i n gf a u l tm e t h o di nd i s t r i b u t i o ns y s t e mi st h a ti n j e c t i n ga na c s i g n a li n t ot h ef a u l tp h a s ea f t e ras i n g l el i n et og r o u n df a u l th a p p e n e d ，a n dt h e nd i a g n o s i n gt h e f a u l ta l o n gt h et r a n s m i s s i o nl i n ew i t ht h eh a n d l e da cs i g n a ld e t e c t o ru t i l i z i n gd i c h o t o m y m e t h o du n t i lt h ef a u l ti sd e t e r m i n e d t h e 仔e q u e n c yo ft h ei n j e c t e da cs i g n a lu s e di n t h i s s t u d yi s6 0h z c o m p a r e dw i t ht h ei n j e c t e dss i g n a lt e c h n i q u e ，t h i sm e t h o di sc a l l e dl o w f e q u e n c ya cs i g n a li n j e c t i o nm e t h o d t h es t u d yo ft h i sp a p e rm a d et h ef o l l o w i n gk e y f i n d i n g sa n dc o n c l u s i o n s ：1 e x c h a n g et h ea cp o s i t i o n i n gm e t h o d sf r o me x p e r i e n c et ot h e o r y b yt h ef i r s tt i m e 2 t h el o w - f r e q u e n c ya cp o s i t i o n i n gm e t h o di sf i r s t l yp r o p o s e da n di s i m p l e m e n t e d 3 t h ed e t e c t o ru s em i c r o c o n t r o l l e rc 8 0 5 1f 310 ，w h i c hi st h em o r ea d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l e r 4 d a t as h o wu s e sl c dm o d u l ei no r d e rt os a v eb a t t e r yp o w e ra n dt h e i n t e r f a c eo fd i s p l a ya n dm i c r o c o n t r o l l e ri ss e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e t h ep r o p o s e d t e c h n i q u ea l l o w st h eg r o u n dd e t e c t i n ga n di sc o n v e n i e n tf o re n g i n e e r s o p e r a t i o n ，t h el o c a t i n g f a u l te f f i c i e n c yi si m p r o v e da n dt h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o di sp r o v e db ye x p e r i m e n t i w a n gz h a o y a n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f q iy u l i n k e yw o r d s ：a cl o c a t i n gf a u l t ；l o wf r e q u e n c ya cs i g n a li n j e c t i o nm e t h o d ；p w m w a v e f o r m s ；c 8 0 5 1f 3 1 0s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r f l l i i 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言l 1 1 配电网交流故障定位研究的意义1 1 1 1 课题的背景1 1 1 2 社会需要2 1 1 3 生产上需要2 1 2 国内外现状2 1 2 1 国外配电网交流故障定位研究回顾2 1 2 2 国内配电网交流故障定位研究回顾2 1 3 本文研究的主要内容3 第二章交流定位法的定位长度4 2 1 配电线路导线分布电容4 2 2 配电线路的分布电感8 2 3 交流定位方法的有效定位长度1 0 2 3 1 线路等值电路1 0 2 3 2 分布电容电流计算1 2 2 4 交流定位方法的频率特性1 5 2 5 本章小结2 1 第三章信号源2 2 3 i 低频交流信号注入法原理2 2 3 1 1 交流故障定位方法2 2 3 1 2 交流信号频率和注入能量的选择2 3 3 2 交流信号源2 6 3 2 1 交流信号源的主回路2 6 3 2 2 交流信号源的控制回路2 8 3 2 3 交流信号源的软件设计3 1 3 2 3 1p w m 控制技术及其在本装置中的应用3 1 华北电力大学硕士学位论文目录 3 2 3 2p w m 信号软件的实现3 2 3 3 交流信号源整机设计3 7 3 4 本章小结3 8 第四章探测器3 9 4 1 信号探测器的基本原理和总体结构3 9 4 1 1 影响信号探测器检测的主要因素3 9 4 1 2 交流信号探测器原理和结构3 9 4 2 信号探测器模块简介4 4 _ 4 2 1 单片机简介4 4 4 2 1 1 单片机设计方式4 4 4 2 i 2 基于单片机实现方式的硬件电路设计4 5 4 2 2c p u 模块4 5 4 2 2 ic 8 0 5 1 f 3 1 0 发展由来4 5 4 2 2 2c 8 0 5 1 f 3 1 0 与8 0 5 1 相比的特点4 6 4 2 3 有源带通滤波器4 7 4 2 4 放大器4 9 4 2 5 精密整流部分4 9 4 2 6 键盘控制及显示部分5 0 4 3 探测器程序流程图5 0 4 4 配电网故障交流定位实验5 1 4 5 本章小结5 4 第五章结论5 5 参考文献5 7 致谢6 1 在学期间参加的科研工作及学术论文发表6 2 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 配电网交流故障定位研究的意义 1 1 1 课题的背景 随着经济的发展，社会对电力的依赖越来越强，电网断电对社会生活造成的影响愈 来愈大，经济损失难以估计。因此，快速准确定位故障，对电力系统的经济性、安全性 和可靠性非常重要。 目前，我国城乡的配电网络主要以l o k v 配电网络为主，个别发达地区配电线路采 取“手拉手 的供电方式，大多数配电网络还是采用单辐射树状方式供电，供电可靠性 比较差。由于城乡的配电网络负责供电的区域比较广、地形比较复杂、负荷比较分散， 造成l o k v 线路错综复杂，供电半径过长，线路分支较多，每条馈线上装设负荷开关， 将馈线分成不同的供电区段，造成运行方式复杂。由于采用单电源供电，当复杂的配电 网络某一点发生故障，造成变电站馈线保护动作，开关跳闸，中断供电。供电部门在收 到线路故障的停电信息之后，需要尽快查找故障地点，消除故障，恢复送电。目前，查 找故障点的方法依然采用人工巡视的方法，依靠操作人员沿线路巡视查找故障点，当故 障发生在庄稼生长期、大风、雷雨、大雪等恶劣的天气或者线路处于林区、山沟、河流 等地形复杂地区以及故障发生在夜间的时候，会给巡视人员查找故障造成很大的困难， 有时查找到故障点要用很长的时间，而故障却很容易处理。这种查找故障的方式不但消 耗了大量的人力、物力，而且会造成线路停电时间过长，给用户造成一定的损失。为了 向用户提供连续可靠的电能，故障点的及时发现、快速消除故障、尽快恢复供电显得尤 为重要。 我国中低压配电网大多采用中性点非有效接地方式( 俗称为小电流接地系统) 【】， 配电线路故障，尤其是单相接地故障的快速、准确定位，不仅对修复线路和保证可靠供 电，而且对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的作用。当发生非永 久接地( 也称瞬间接地) 故障时，接地点电弧大都能自行熄灭，线路绝缘不会破坏，不 需要断丌线路就能恢复讵常，运行可靠性高。小电流接地电网运行中有两个关键问题需 要解决：一是当发生永久接地时需要选出故障线( 以下简称选线) 7 q 8 ) ；二是对选出的 故障线进行故障定位( 以下简称定位) 1 9 - 2 9 】，找出接地故障点，以便对故障进行处理。 传统的方法是逐次拉路选出故障线，再由人工巡线目测法找出接地故障点。拉路选 线造成非故障线用户的不必要供电中断。目测巡线定位耗费大量的人力物力，延误定位 华北电力大学硕士学位论文 时间。这两种方法与现代电网的高度自动化极不适应。几十年以来，无数的电力工作者 为解决选线和定位自动化问题进行了大量工作，研究工作从未停止过。通过众多专家、 学者的努力，选线问题取得了重大突破，新型选线装置的选线正确率不低于9 5 1 3 0 】， 可以满足配电网运行对选线的要求。但配电网的单相接地故障定位问题则没有多大进 展，一直还采用人工目测巡线的老办法，严重影响配电网供电的可靠性。配电网是电网 中结构最复杂，分布面积最庞大的部分，故障频繁，尤其是单相接地故障，发生概率最 大，因此研究配电网接地故障定位问题很有必要。选线问题解决之后，中压配电网的单 相接地故障定位问题就提到日程上来t t 3 1 - 3 3 。 1 1 2 社会需要 保持可靠地持续供电是电力系统运行的基本要求。随着电力系统的发展，用户对供 电可靠性要求越来越高，准确的故障定位是保证电网安全可靠运行的重要条件，具有重 大的社会效益和经济效益。 1 1 3 生产上需要 课题组多年从事小电流接地电网单相接地故障选线研究工作，到过很多现场，所到 之处都说：“选线固然很重要，但定位更需要，希望你们早点动手研究定位问题。 社 会和生产需要是科学研究的第一推动力。在社会需要和生产需要的强力推动下，在圆满 完成小电流选线研究之后，课题组立刻动手研究中压配电网的单相接地故障定位问题， 并取得了重大进展。 1 2 国内外现状 1 2 1 国外配电网交流故障定位研究回顾 欧洲一些地区的故障定位技术主要是利用馈线自动化装置确定故障区段，然后由人 工巡线来找到故障点。即在线路上安装有自动分段丌关和检测装置，故障后利用自动分 段开关的相互配合，确定故障区段并将故障区段隔离，但是这种方法只能确定故障区段， 并不能确定故障位置，而且由于馈线自动化投资大、维护复杂，限制了其应用范围，在 我国没有得到广泛的应用。 1 2 2 国内配电网交流故障定位研究回顾 目前，我国城乡的配电网络主要以配电网络l o k v 为主，个别发达地区配电线路采 取“手拉手”的供电方式，大多数配电网络还是采用单辐射树状方式供电，供电可靠性 比较差。由于城乡的配电网络负责供电的区域比较广、地形比较复杂、负倚比较分散， t l t 华北电力大学硕士学位论文 造成l o k v 线路错综复杂，供电半径过长，线路分支较多，每条馈线上装设负荷开关， 将馈线分成不同的供电区段，造成运行方式复杂。由于采用单电源供电，当复杂的配电 网络某一点发生故障，造成变电站馈线保护动作，开关跳闸，中断供电。供电部门在收 到线路故障的停电信息之后，需要尽快查找故障地点，消除故障，恢复送电。目前，查 找故障点的方法依然采用人工巡视的方法，依靠操作人员沿线路巡视查找故障点，当故 障发生在庄稼生长期、大风、雷雨、大雪等恶劣的天气或者线路处于林区、山沟、河流 等地形复杂地区以及故障发生在夜间的时候，会给巡视人员查找故障造成很大的困难， 有时查找到故障点要用很长的时间，而故障却很容易处理。这种查找故障的方式不但消 耗了大量的人力、物力，而且会造成线路停电时间过长，给用户造成一定的损失。为了 向用户提供连续可靠的电能，故障点的及时发现、快速消除故障、尽快恢复供电显得尤 为重要。 配电网是电网中结构最复杂，分布面积最庞大的部分，故障频繁，尤其是单相接地 故障，发生概率最大，因此研究配电网接地故障定位问题很有必要【3 4 1 。 1 3 本文研究的主要内容 ( 1 ) 研究交流定位长度。 ( 2 ) 设计交流信号源。交流信号源输出频率6 0 h z ，输出电流3 5 0 m a ，输出电压o 3 0 0 0 v 稳定提供能量，3 0 0 0 5 0 0 0 v 瞬间提供能量，容量：1 0 5 0 v a 。 ( 3 ) 设计并实现了交流探测器。探测器采用单片机c 8 0 5 1 f 3 1 0 和液晶显示模块 l c m l 2 8 6 4 ，这是基于波形的探测器。 华北电力大学硕士学位论文 第二章交流定位法的定位长度 配电网交流故障定位方法【3 5 棚】的思路是：线路出现单相接地故障以后，在停电离线 状态下向故障相注入交流信号，然后携带手持交流信号探测器用二分法沿线路检测，直 到找到故障为止。交流定位方法受导线分布电容影响较大，因此经常会出现定位失败的 现象【4 1 4 6 1 。 问题是导线分布电容对交流定位方法的影响到底有多大，交流定位方法到底有多大 的应用范围，交流定位法的注入信号频率到底选多大为好，交流定位法的信号注入电流 到底多少最佳，这些都是需要回答的问题，所以对交流信号注入法的理论研究是十分必 要的。本章通过对交流定位方法的研究得出了交流定位方法的应用范围，对上述问题给 出了满意的回答。 必须承认，人们对电力线路的频率特性、长度特性并不陌生，尤其是在保护领域和 电力线通信领域，对线路的基本频率特性已经有了很多描述。但是当应用的领域不是保 护或者通信时，其结果是不能搬用的，道理很简单，因为对信号的检测手段和检测方式 发生了根本的变化。对于保护信号和通信信号，信号检测需要在线路两端进行。而故障 定位不是这样。 在交流法故障定位中对交流信号的检测是在线路的底下地面检测，这一信号检测的 方法不同注定了分析方法的不同。所以本章的原始数据就是国家经贸委电力司主编的电 力技术标准汇编，电气部分第7 册，电力线路与电力金具【4 7 】，这是一部标准，是线路的 施工标准，里面详细规定了线间的最短距离和最长距离，导线的最小截面积和最大截面 积，杆塔的最小档距和最长档距等等。一旦线路的结构固定，线路的特性就会固定。本 章所用的原始公式亦不陌生，就是单位长度的电容、电感和电阻。但是这些熟悉的原始 数据和这些熟悉的原始公式用到了交流法故障定位的特性分析，就会使人眼前一亮，有 柳暗花明又一村的感觉，给交流定位法指明方向划定了范围，使交流定位法注入频率的 选择和注入能量的选择有了可靠的依据。 本章的重要结论是交流信号法的应用范围是很广的，可以达到实用化水平。这是本 章的重要贡献，也是本文的重要贡献之一。 2 1 配电线路导线分布电容 如果传输线每一导线沿线各处具有相同材料、相同截面，并且导线周围介质沿线均 匀分布，则称之为均匀传输线或简称均匀线。一般架空输电线可近似地视为均匀传输线。 4 华北电力大学硕士学位论文 在分布参数电路理论中【4 8 别】，均匀传输线的原始参数是以每单位长度的线路参数来表示 的。用线路分布电容来反映沿传输线周围空间分布的电场的储能特性，设单位长度线段 的对地电容为c l 。 交流法定位的最大问题是导线分布电容对注入的交流信号影响太大，因此研究分布 电容对交流注入信号的影响是非常重要的。三相电力线路单相导线对地的分布电容为公 式( 2 - 1 ) 【5 2 】： g 2 鬻x 1 0 - s ( f o n ) ( 2 - 1 ) 。， 其中：d m 为几何均距，d m 2 v 见a 巩d m ，r 是导线半径，d 口。、4 。是线 间距离。配电网的导线最小距离与档距有关【4 7 1 ，如表2 1 所示。在城镇档距一般取 4 0 5 0 米，在郊区档距一般取6 0 1 0 0 米。 表2 - 1 配电网导线最小线间距离 档距 4 0 5 06 0 7 08 09 01 0 0 ( m ) 最小 0 60 6 50 7o 7 5o 8 5o 9l 线间距离 ( m ) 从表2 1 中可以看出，线问距离越大分布电容越小，因此这里取最坏的情况，线问 距离取0 6 米，且三角排列，这时的分布电容最大，其余情况的分布电容都会小于此种 情况。所以d m = 0 6 米。 公式( 2 - 1 ) 显示，导线半径r 越大，分布电容也越大，因此导线半径取最大情况的 半径。配电网对于导线截面的选择如表2 2 所示。 表2 - 2 配电网导线截面积m m 2 主干线分干线分支线 铝绞线 1 2 0 7 0 3 5 另外各地区配电网对导线截面积的选择也有差别，如东北地区最大可以选择 2 4 0 m m 2 ，而昆明地区最大选择1 2 0m m 2 。计算导线最大分布电容时，取导线截面积为 华北电力大学硕士学位论文 2 4 0m m 2 , 半径，：1 丝：1 丝：8 7 研川，带入公式( 2 1 ) ，得配电网最大分布电容： v 万v3 1 4 。 一。一一一 印葶则鸭葶n o 0 1 3 l l m = 0 0 1 3 例删( 2 2 ) 在另一个极端，线距取最大值l 米且水平排列，导线半径取最小值，即截面积取 3 5 r a m 2 ，就会得到配电网分布电容的最小值，即公式( 2 3 ) ： 仉= 徊丽= 蕊= 1 2 6 ( m ) ，= 侉= 羔黾3 4 c 朋朋，卢1 i i 2 1 丽。3 3 4 ( 栅 印琴埘n 避列n 咖9 3 洲吵o 0 0 9 删娴 ( 2 - 3 ) 所以配电网导线分布电容在0 0 0 9 3 - - 0 0 1 3 1uf k m 之间。一般情况下，在广大的 郊区和农村，档距选择8 0 米，导线线距为0 8 5 米，导线截面积取1 2 0 m m 2 ，且导线水平 排列，得到一般情况的导线分布电容，即公式( 2 - 4 ) ： d 柳= 徊丽= v 0 8 5 x0 8 5 x1 7 = 1 0 7 ( m ) ，= 警= 黑地域朋所，卜1 了2v 而拍j 8 ( 删) 印琴埘n 豢埘n o o ll 1 0 - 6 ( 刚”o 0 l 删刎 ( 2 - 4 ) 当导线截面积选用9 5 耐时厂= 厚= 6 ， = 5 5 ( m m ) 华北电力大学硕士学位论文 印葶枷“2 毒圳一_ 0 0 1 0 5 埘i | 弋刚= 0 0 1 0 5 ) 当线距取l 米水平排列时： 印等枷一2 鼍圳一0 2 旷洲刎_ 0 0 1 0 2 慨) 可见分布电容的变化不大，这是因为几何均值与导线半径之比取了对数。需要注意 的是： ( 1 ) 在研究交流定位方法的应用范围时，用公式( 2 4 ) 的电容值，这是一般情况。 ( 2 ) 计算电容值使用的导线半径是根据截面积折算出来的，比实际半径要小l 2 毫 米，比如截面积1 2 0 平方毫米的导线半径是7 6 毫米，计算时取6 1 8 毫米，但计算得 到的电容值几乎没有变化，仍然是0 0 1 l 微法公里。 ( 3 ) 计算电容公式没有考虑大地的影响，这是因为架空线路距地面较高，一般情况 大地的影响可以忽略不计。 ( 4 ) 电容值用于研究交流法的应用范围，所以不能用零序电容c 。的公式计算电容。 比如单一导线对地高度为h ，半径为r ，则这根导线的对地电容是公式( 2 5 ) 1 5 3 】： 艮箍2 器懒， ( 2 5 ) l o k v 配电网导线对地高度取6 米，导线半径6 1 8 m m ，则c = o 0 0 7 3uf k m 。三根导 线的对地电容大约是两个c 汕串连c 再与c 并联的结果，而c j l h 是c 。的一半，所以，三根 导线的对地电容c ：，大约是： 争州jcc,73+2等未=00073+2、00073x矿000552。一，g + 2 春0 0 7 3 + 2 忑丽i 1 丽广。0 1 3 渺懒 显然在c 。计算公式的范围内，所以采用c 的计算公式。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 配电线路的分布电感 用沿线的分布电感来反映沿传输线周围空间分布的磁场的储能特性， 度线段上的电感为l 。，则分布电感为公式( 2 - 6 ) 【4 7 l ： 厶= ( 4 6 l g 争+ 譬) 圳1 日 设单位长 ( 2 6 ) 其中：o 为几何均距，d 。= 钔瓦丽，r 是导线半径，见。、p k 、d c 。是线 间距离，l i ，是导线材料的相对导磁系数，对于铝、铜取1 。 当档距选择1 0 0 米，导线线距为1 米，导线截面积取3 5 m m 2 ，且导线水平排列 时，得到导线最大分布电感，即公式( 2 7 ) ： ，= 萼= 羔= 3 3 4 ( m m )卢、i2 而2 厶= ( 4 剐g 争+ x l o - 4 = ( 4 矧g 器+ 1 ) x 1 0 - 4 = 1 2 3 义棚 似7 ， 当档距选择4 0 米，导线线距为0 6 米，导线截面积取2 4 0 m m 2 ，且导线三角排 列时，得到导线最小分布电感，即公式( 2 8 ) ； 矾= 沥丽= v 0 6 x 0 6 x0 6 = o 6 ( 朋) ，：，丝气2 4 0 ：8 砌小 肛1 i 2 u 1 4 划删 铲( 4 矧g 争+ x1 0 - 4 = ( 4 引g 西6 0 0 + ) x 1 0 - 4 = 0 8 9 6 c 所h ，砌，c 2 固 所以配电网导线分布感在0 8 9 61 2 3 5 m h k m 之问。一般情况下，档距选择8 0 华北电力大学硕士学位论文 米，导线线距为o 8 5 米，导线截面积取1 2 0 m m 2 ，且导线水平排列，得到导线分布 电感，即公式( 2 - 9 ) ： d 。= 徊丽= 扼面面丽彳= 1 0 7 ( z ) ，= 愕= 牌= 6 1 8 ( r a m ) 肛、了21 面 铲( 4 剐g 争+ - 1 0 - 4 = ( 4 剐g 罴+ ) x 1 0 - 4 = 1 0 8 c 棚 弘9 ， 当导线截面积选月9 5 耐= 厚= 辱_ 5 5 ( 聊聊) 铲( 4 引g 争+ - ) x 1 0 - 4 = ( 4 剐g 等+ x 1 0 4 = 1 1 c 棚 当线距取1 米水平排列时： 铲( 4 引g 争+ - ) x 1 0 - 4 = ( 4 剐g 等+ 三1 ) x 1 0 - 4 = 1 1 3 c 可见分布电感的变化也不大。考虑一般情况下的分布电感和分布电容，并忽略 线路的电阻和电导，可以得到3 0 公罩的线路等效电路，如图2 1 所示。之所以可 用单相等值电路代表三相是因为三相电力线处在对称运行方式。 图2 - 1 无损传输线集中参数电路 当频率等于5 0 h z ，线问距离o 8 5 米，导线截面积1 2 0 m m 2 时，该等效电路的输 入阻抗为： 9 华北电力大学硕士学位论文 z = z = 1 c i j 国毒 二 之一+ j f 础。 弘“1 l j i _ ，伊； + 鸠 弘“1 z = ：磊4 叫石瓦薪u 习 2 2 3 1 4 5 0 o 0 0 1 0 8 3 。一i 面二葡i 爱石瓜画i 一 4 一( 2 x 3 1 4 x 5 0 ) 2x o 0 0 1 0 8 x o o l l x l o 一6x 3 0 2 2 3 交流定位方法的有效定位长度 2 3 1 线路等值电路 = 0 9 6 ( 足q ) 由于电流流过金属导体而引发热损耗的现象存在于传输线的整个长度上，用以 反映这一过程的电路参数是沿线的分布电阻，单位长度线段上的电阻r 。；因绝缘不 完善而引起的线间泄漏电流也是沿线分布的，用以反映这一过程的电路参数是分布 漏电导，单位长度线段的电导g 。在相当宽的频率范围内四个参数都是恒定的，即 认为它们均为常量。在全面考虑导线单位长度上的电阻、电导、电容和电感时，传 输线等值电路如图2 2 所示。整条传输线可视为无数多个微分段级联而成，每个微 分段是由r 。l 、g 。、l 。、c 。构成的集中参数电路，如图2 2 所示： i o 华北电力大学硕士学位论文 r 豳酗x 其中：r = 詈( q 砌) 图2 - 2 传输线分布参数的等值电路中某一段 式中：p 一导线材料的电阻率，铝为3 1 5qm m 2 k m ，铜为1 8 8qm m 2 k m ，当导 线截面积为1 2 0 m m 2 时： 一 耻詈= 等- o 2 6 2 5 ( n lk m)(2-10) 当频率为5 0 h z ，电感采用公式( 2 - 9 ) ，电感阻抗为： z = c o l i = 2 3 1 4 x 5 0 x 1 0 8 x l o 以= 0 3 3 9 ( f 2 k m ) ( 2 - 11 ) 显然和电感阻抗比起来，电阻不能被忽略。而电导是由于绝缘不好引起的漏电， 很小所以可以忽略。对于交流故障定位而言，电力线的等值电路如图2 - 3 所示： d ，cz 0 出“2 d ，c 厶出1 , 3 图2 3 故障定位集中参数电路 为什么不采用图2 - 1 的等值电路? 原因l 是电阻不能忽略，原因2 是图2 一l 的 等值电路不适合分析电容电流与导线长度的关系，当导线为无限长时，图2 - 1 的电 流就会是无穷大，而事实不是这样，因此采用图2 - 3 的等值电路，图中l 。即是l 。， c 。即是c 。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2 分布电容电流计算 计算电容电流时采用图2 - 3 的等值电路，设： z l = r o + j t o i , o 乙= 志 这样电路由n 个同样的电路组成，当n = l 时如图2 - 4 所示，n = 2 时如图2 - 3 所 示，n = 3 时如图2 5 所示，依此类推，输入阻抗为z 。 加缸上b 出z 3 图2 - 4 交流定位n = l 时集中参数电路 加以z 毛出, t 3 加d b c z 矗出 z 1 2 舶h z b 出u 3 图2 - 5 交流定位n = 3 时集中参数电路 当n = l 时：z i = z + z f n = 2 吼z ：c + 貉 邹- 3 吼z ，- z c + 貉 华北电力大学硕士学位论文 显然z 。- zc + 格( 2 - 1 2 ) 当一- , o o1 列- ：乙= z l + 萼 z c + z r ( 2 - 1 3 ) 得：乙2 一乙乙一z z c = o 7 z l _ zl 2 + 4 zl zc z 月2 二一 二 ( z 一1 4 ) 当频率为5 0 h z ，电容采用公式( 2 - 4 ) ，电容阻抗为： zc=击=瓦丽忑去而=28952(删km)(2-15)cm2 31 45 000 1 11 0二，i = 一= 2 i 庀s 2 ， 。 c i 一6 、 比较公式( 2 1 0 ) 和公式( 2 一1 1 ) ，z c z ，z c r o ，因此公式( 2 1 4 ) 可以简 化并去掉不合理的减号： 弘一zt+、zt 2 + 4 z l z c ：瓜：厝： = 3 1 3 3 4 ( q ) 所以当线路长度为无穷大，假设注入电压为l o k v 时，电容电流为，即公式( 2 一1 6 ) ： ，。：堕：3 1 9 1 ( a ) 一 3 1 3 3 4 ( 2 - 1 6 ) 当线路长度不等于无穷大，在l o o k m 以内时，- 设线路长度为z ，其等效电路如 图2 - 6 所示。 图2 - 6 交流定位集中参数电路 华北电力大学硕士学位论文 z =磅1 k 坻， ，1 一! + ，砬，+ r ，l 弦乳彩严一吣j ：丙j(20l丽,4c 而j c o r 而c 。q ， c 2 一7 ， 一彩2 ii ，2 +o l ，2 r 吖 z ：煎兰! 二壶基二：竺兰竺! ! 二( 竺! 二：竺：! 二坠! 二壶堡型。2 郴，。 “一脚2 厶c i ，2 ) 2 + g rc i ，2 ) 2 由公式( 2 - 1 8 ) 计算出的阻抗值和电容电流如表2 - 3 所示。电压l o k v ，频率5 0 h z ， 分布电容c 。= 0 0 11uf k m ，分布电感l i - 1 0 8 m h k m ，分布电阻r o = o 2 6 2 5q k m 。 表中容抗与电压无关，电流与电压有关，这里电压选择l o k v 线电压来计算电容电 流，实际上这时计算的电容电流没有意义，只起到观察趋势的作用。 表2 - 3 配电网对地容抗与线路长度的关系 线路k 度( k m )线路阻抗( k q )电容电流( a ) 39 6 5 l0 1 0 4 5 5 7 9 0 1 7 3 1 02 8 90 3 4 5 2 01 4 4 7 0 6 9 1 3 09 6 51 0 3 6 4 07 2 31 3 8 2 5 05 7 91 7 2 8 6 04 8 22 0 7 5 7 04 1 3 2 4 2 1 8 03 6 l2 7 6 8 9 03 2 l3 1 1 6 l o o2 8 93 4 6 4 从表2 3 看到，线路越长容抗越小，线路3 0 公罩时容抗为9 6 5 k q ，如果这时 的接地电阻也是9 6 5 kq ，则故障电流和电容电流相等，这是交流定位法极限应用， 即认为此时交流法能够有效定位，当接地电阻继续增大，其电流小于电容电流时， 交流定位法不能有效定位，这就是导线分布电容对交流定位法的限制。当线路长度 为1 0 0 公里时，其容抗只有2 8 9 k q ，这时还使用交流法定位，它所允许的接地电 阻也只有2 8 9 kq 。当然这是交流5 0 h z 的情况。如果采用其它频率结果会不同。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 4 交流定位方法的频率特性 本文说的交流定位法是在停电离线状态下向故障相注入交流信号，然后再手持 交流信号检测器沿线路检测该交流信号，因此研究导线分布电容电流与频率的关系 非常重要。 当线路为无限长时，线路阻抗由公式( 2 - 1 4 ) 决定，即： z 。：z l + _ 、 z l 丁2 + 一4 z l z c 交流定位法的频率一般选择在2 0 - 2 2 0 h z 之间，在这个范围内： z f = = 二_ = 6 5 8 ( 殷) 。改c 2 3 1 4 2 2 0 0 0 1 1 1 0 6 、7 z - - d a l i = 2 x 3 1 4 x 2 2 0 x 1 0 8 x 1 0 - 3 - - 1 5 d ，所以z c 乙，z c r o ：乙=一zl+zl 2 + 4 z l z c = 瓜= 厝= 愿矧3 埘( 哟 l=黑-3191(33 4 栅 ，= = 1 月- 1 3 一 “7 说明在故障定位所使用的频率范围内，注入电压l o k v 无限长导线的电流是 3 1 9 l 安培，与频率无关。 当导线的长度在l o o k m 以内时，线路的输入阻抗仍然由公式( 2 - 1 8 ) 决定，其阻 抗与频率有关，如何选择注入交流信号的频率呢，为了尽量减少导线分布电容的影 响，交流法的注入信号频率选择6 0 h z 。如果注入频率选择4 0 h z ，分布电容的影响 就会更小，但是此时同样功率的输出变压器体积就会增加，因此注入交流频率选择 6 0 h z 比较理想，这一频率的选择既能与工频信号区分丌来又能最大限度减少分布电 容的影响。 注入信号的频率确定以后，再确定注入信号的电流。注入电流的确定与交流信 号探测器的性能有关，实验数据表明，当流入故障点的电流达到l o o m a 以上时，定 位效果比较理想，因此就选择故障点电流l o o m a 。为了探测器能分辨出故障电流， 所以流入分布电容的电流最大也应该是l o o m a ，由于故障电阻与分布电容是并联关 华北电力大学硕士学位论文 系，则注入电流是4 1 0 0 2 + 1 0 0 2 = 1 4 1 m a 。实际定位时注入1 5 0 m h 。这就是本文对注 入能量的选择。 决定分布电容电流大小的还有一个因素就是注入电压。当接地电阻为2 0 k q 时， 希望注入故障点的交流信号达到l o o m h ，则注入电压= l o o x 2 0 = 2 0 0 0 v ，事实上， 注入电压的选择并不重要，注入能量以电流为准，电压值只是根据电流和电阻折算 出来的。同时选择注入信号的频率为6 0 h z ，分布电容取o 0 l li if k m ，分布电感耿 1 0 8 m h k m ，分布电阻取0 2 6 2 5q k m ，根据公式( 2 - 1 8 ) 得到表2 - 4 。 由于此时的注入电压为2 0 0 0 v ，故障点电流l o o m h ，从表2 4 中可以看出，当 线路长度为1 2 k m 时，电容电流达到l o o m a ，交流定位法能够有效定位。当线路长度 超过1 2 k m 时，电容电流就会超过l o o m a ，交流探测器很难区分故障电流和电容电流， 交流定位法就会失败，这正是交流法的局限所在。 有效定位长度1 2 k i n 是在接地电阻2 0 k q 时的定位范围，如果接地电阻下降， 则定位有效长度就会增加。即使是1 2 k m 的有效定位长度，也可以应用于很多场合， 其应用如下： ( 1 ) 应用于城市架空配电网线路，因为城市内架空线路很短，一般不会超过 1 2 k m ，而且分支极少。 ( 2 ) 应用于移动定位法，所谓移动定位法就是注入信号点不是在变电站的出口， 而是不固定，用车载式交流信号源，可在线路的任何地点注入信号，称为移动定位 法。当在某一点注入信号，就在该注入点附近1 2 k m 范围内查找故障点，如找到就 中止，如没有找到故障点，就再移动到下一点，继续注入交流信号，继续查找，直 到找到故障为止。 事实上移动式定位方式已经被人们所接受，这与电力部门的管理机制有关，查 找线路故障的任务属于线路工区，如果他们要进入变电站注入信号就必须与变电工 区协调，为了减少与其他工区的协调工作量，就宁愿使用移动式定位方式，将交流 信号的注入点选择在变电站之外。 为了加大交流定位法的有效定位长度，只能是希望接地电阻小一些。当接地电 阻为l o kq ，仍然希望故障点电流l o o m h ，允许电容电流也是l o o m a ，所需要的注入 电压为l o o m h 1 0kq = 1 0 0 0 v ，频率仍然是6 0 h z ，结果如表2 - 5 所示。可见接地电 阻l o kq ，6 0 h z 低频交流法有效定位线路长度为2 4 k m 。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 表2 4 接地电阻2 0kq ，注入电压2 0 0 0 v ，电容电流与线路长度的关系 线路长度( k m )线路阻抗( kq )电容电流( a ) 38 0 4 20 0 2 5 54 8 2 50 0 4 1 8 3 0 20 0 6 6 1 02 4 1 3 0 0 8 3 1 2 2 0 10 0 9 9 2 01 2 0 60 2 4 9 3 0 8 0 40 3 7 3 4 06 0 30 4 9 8 5 04 8 20 6 2 2 6 04 0 lo 7 4 7 7 0 3 4 40 8 7 2 8 030 9 9 7 9 02 6 71 1 2 3 1 0 02 41 2 4 9 表2 - 5 接地电阻l ok q ，注入电压1 0 0 0 v ，电容电流与线路长度的关系 线路长度( k m )线路阻抗( kq )电容电流( a ) 38 0 4 20 0 1 2 5 4 8 2 5o 0 2 l 83 0 20 0 3 3 1 02 4 1 30 0 4l 1 22 0 1 0 0 4 9 2 01 2 0 60 0 8 3 2 41 0 0 50 0 9 9 3 0 8 0 40 1 2 4 4 06 0 3o 1 6 6 5 04 8 20 2 0 7 6 04 0 1 0 2 4 9 7 03 4 4o 2 9 l 8 030 3 3 2 9 02 6 70 3 7 4 1 0 02 40 41 6 如果用加大注入电压的方法，那么故障点的电流会增加，但是电容的电流也会 增加，探测器的分辨率并没有提高，所以，用加大注入电压的办法来扩大交流法的 有效定位长度是不可能的。只要手持探测器能识别即可。 还有一个数字是我们关心的，就是3 kq 的接地电阻。这是很重要的阻值，大 于3 kq 的接地故障就成为高阻接地，小于l kq 的接地故障成为低阻接地，接地电 1 7 华北也力大学硕士学位论文 阻在1 - - 3 k q 时，是行波定位法的不确定区，可能成功定位也可