（电力系统及其自动化专业论文）青藏铁路配（变）电所馈线保护测控系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t n o n - - g r o u n dn e u t r a ls y s t e ma n da r c - s u p p r e s s i o n - c o i l - g r o u n dn e u t r a ls y s t e mr r e c a l l e dn o n d i r e c tg r o u n dn e u t r a ls y s t e m t h es t u d yo ft h ef e e dl i n ep r o t e c t i o na n d f a u l tl o c a t i o ni so n eo ft h em a i nf i e l d sw h e nn o n - d i r e c tg r o u n dn e u r a ls y s t e mi su s e d p r o v e db y p r a c t i c e ，t h ep r o t e c t i o nb a s e do nc o n v e n t i o n a lo v e r - c u r r e n tp r i n c i p l ec a l l e f f e c t i v e l yf u l f i l lt h ew o r k o f p r o t e c t i n gt h ef e e dl i n e t h eq i n 曲a i t i b e rm i l w a y i s a c r o s st h eq i n g h a i - t i b e r a l t i p l a n o b e c a u s e o fs h o r to fp o w e rs o u r c e si nt h e a i t i p l a n o v e r yl o n gf e e d l i n eo f p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mh a v et ob eu s e dw h e no n e o ft h es u b s t a t i o n si sf a i l e dt o o p e r a t e ，i no r d e rt og u a r a n t e e t h e r e l i a b i l i t ya n d s e c u r i t yo f t h ep o w e rs u p p l y i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , o n eo rm o r el u m pe q u i v a l e n tc a p a c i t a n c e sa r eu s e dt o s i m p l yt h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm o d e lo fv e r yl o n gf e e dl i n e af a u l tl o c a t i o n m e t h o di sp r o p o s e d ，a n dd i f f e r e n tm o d e l sa r eu s e dt od e t e r m i n et h ef a u l tp o i n t ，a s t h a ti sd i f f e r e n t s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sf a u l t l o c a t i n gm e t h o di s e f f e c t i v ef o rt h es i n g l e - p h a s e t o - e a r t hf a u l to f v e r yl o n gl i n eo fp o w e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mo n c o n d i t i o nt h a tt h es o l i do ra r cf a u l to c c u r s s e c o n d l y , t h es i m u l a t i o nm o d e lo fv e r yl o n gf e e dl i n eo fp o w e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mo fq i n g h a i - t i b e rr a i l w a yi ss e tu p t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p r o t e c t i o n b a s e do nc o n v e n t i o n a lo v e r - c 啪t p r i n c i l e l l e c a n n o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs e n s i t i v i t yw h e ni t i su s e di nt h ev e r yl o n gf e e dl i n eo fp o w e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m t h i r d l y , t w on o v e lp r o t e c t i v ep r i n c i p l e sa r ep r o p o s e di nt h ep a p e rb ya n a l y z i n g d a t ao f s i m u l a t i o n , w h i c hb a s e do nt h en e g a t i v e - s e q u e n c ec u r r e n ta n d v a r i e t yo f l o a d a n g l e a n ds e t t i n gr u l eo f t h e s ep r i n c i p i e si sd i s c u s s e di nt h ep a p e r f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h ea d v a n c e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r et e c h n o l o g y , a p r o t e c t i o n , m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o r f e e dl i n ei sd e v e l o p e dt oo v e r c o m e t h e d i s a d v a n t a g e si np r e s e n tp r o t e c t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k so f 瑚j l w a y ，n o n - d i r e c tg r o u n dn e u t r a l s y s t e m ，p r o t e c t i o nf o rf e e dl i n e ，v e r yl o n gf e e dl i n eo fp o w e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m ， f a u l tl o c a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 绝大多数的电力用户由电力公司的电力系统供电，铁路作为电力公司的 个用户当然也必须通过电力公司所提供的输电线路取得电能。铁路用电主要包 括以下两个方面：一是电力牵引负荷用电，这一部分负荷是一种特殊的旋转负 荷，其电压等级、负荷特点、取电方式都与电力系统的一般负荷不同，因此有 专门的牵引变电所为其供电。另一种就是与电力系统其他用户相似的铁路配电 负荷，这一部分负荷其虽然也有一些特殊性，但是总体上与一般的电力用户相 似。 铁路自动闭塞行车信号的用电为一级负荷，由于信号装置的特殊要求，停 电时间不得超过0 1 5 s ，否则可能发生行车事故或打乱运输秩序。为此，铁路 沿线均架设有自动闭塞电力线路或者贯通线路，并通过信号变压器向各信号点 或者车站信号楼、行车室供电。为保证供电的可靠性，铁路沿线一般平均每5 0 k m 左右设置一处配电所，即自动闭塞配电所。 随着国民经济的发展，铁路运输的重要性越来越突现出来，保证铁路运输 安全、高效的进行成为铁路工作者义不容辞的责任。经过近几年的发展，我国 的牵引变电所自动化水平越来越高，已经达到或者接近电力系统相同等级变电 所的水平。而铁路配电所的自动化水平却远远落后于电力系统相同电压等级变 配电所。 近年来，铁路建设的大发展对铁路自动闭塞配电所的提出了新的要求，新 型的、先进的、自动化水平高的专门针对铁路配电所的综合自动化系统成为广 大用户的酋选。 1 1 铁路配电系统的构成及特点 1 1 1 铁路配电所主接线图 典型铁路配电所主接线如图卜1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 雨弦母 母 荆撕羊 图卜1 典型铁路配电所主接线图 由图卜1 可见，典型铁路配电所具有两回电源进线，其中一回进线作为主 电源使用，另外一回进线作为备用，如果由于主电源发生故障而退出运行，则 备用电源可以自动投入运行，保证供电的可靠性。 母线包括两组机务母线、两组电源母线和两组自闭贯通母线。两组机务母 线之间通过母联连接在一起，如果需要两组电源同时投入时，则母联断路器闭 合，否则母联断路器处于分位。 机务母线与若干条馈线相连接，为馈出线提供电源，馈出线将保证铁路车 站、站场等工作用电，也保证一些沿线铁路职工和家属的生活用电。 自闭贯通母线分别与若干条自闭馈线和贯通馈线相连接，为自闭贯通线提 供电源。自闭贯通线将保证铁路信号、重要车站和重要生活设施的供电。 电源母线与所用变相连接，所用变为变电所提供自用电。 调压器连接机务母线和自闭贯通母线，在自闭贯通母线之间安装调压器的 目的在于当电力系统由于负荷过重等原因导致电压下降时，可以通过调压器分 接头或者档位的调节来保证自闭贯通母线的电压满足信号，自动闭塞和其他重 要设备工作的需要。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 此外铁路配电所机务母线还设置有电容器，主要目的是为了补偿无功，使 得功率因数满足要求。 1 1 2 铁路配电系统的特点 典型的铁路配电系统具有以下特点： 夺既有深入城市中心和居民密集点的配电所，也有地处人烟稀少地区的 配电所； 夺对供电质量和供电可靠性的要求比较高； 夺出线比较少，且出线一般情况比较短，传输功率和距离一般都不大； 夺大多数情况下线路采用单端供电； 夺运行方式为中性点非直接接地方式； 夺存在调压器需要设置专门的调压器保护和测控装置。 1 2 中性点非直接接地运行方式的特点瞠1 在电力系统中，当变压器或者发电机的三相绕组为星形联结时，其中性点 存在两种运行方式：中性点直接接地和中性点不直接接地。一般情况下，中性 点直接接地系统称为大电流接地系统，中性点不直接接地( 不接地、经消弧线 圈、经电阻接地) 系统成为小电流接地系统。 当系统采用中性点不直接接地的运行方式时，正常运行的情况下，各相对 地分布电容相同，三相对地电容电流对称且其和为零，各相对地电压为相电压。 当发生单相接地故障时( 假设c 相发生单相接地故障) ，根据基尔霍夫电压 定律，中性点对地电压玩与c 相相电压啡之和等于零，即 玩= 一吼= 以e ” d ：= d 。+ d ；= j g - 。- 一3 ” ( 1 一1 ) ( 1 2 ) d ；= d 。+ 玩= i 驴。e ，一”。 ( 1 3 ) 因此中性点不接地运行方式下，单相接地故障前后的电压关系，线电压不 变，而非故障相对地电压升高到原来相电压的i 倍。这是中性点不接地这种运 行方式的一个最主要的特点。由于中性点不接地系统的上述特点，中性点不接 地运行时应注意： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 夺电气设备对地绝缘要求必须按照线电压数值进行设计； 夺若单相接地电容电流超过一定数值，则应该在中性点经消弧线圈或者 电阻接地的方式下运行。对于6 - l o k v 的线路该数值为3 0 a ，对于3 5 k v 线路该数值为i o a 。 1 3 青藏铁路配电系统概况 我国正在建设的青藏铁路。”东起格尔木，经昆仑山口、沱沱河、安多、那 曲、当雄至西藏拉萨，全长1 1 1 8 公里。青藏铁路某区段的供电形式如图卜2 所示。 进线2进线l 1 4 9 k m 1 4 7 k i n1 9 5 k m9 1 k 图卜2 青藏铁路某段的供电形式示意图 由于高原电力稀缺，不得以采用这种超长距离供电方式，纳赤台变电站、 五道梁变电站和沱沱河变电站公用一路电源，在电源线路故障的情况下，将导 致纳赤台变电站越五道梁变电站向沱沱河变电站供电，供电线路总长超过3 0 0 公里，显然这种情况下已经超出了集中参数线路模型所能够精确表述的范围， 在进行故障分析、故障定位和保护原理研究时必须使用超长线路分布参数模型。 1 4 铁路配电系统保护测控装置的现状 国内厂家中南京恒星、重庆新世纪、珠海万力达和许继电气均在铁路配电 微机保护和综合自动化市场中占有一定的分额。 许继电气的x w j k 一3 1 0 0 t d 铁道配电所自动化系统，是专门针对铁路配电 所设计的，其中的w ) 一1 1 4 微机自闭贯通线路保护装置采用8 0 c 1 9 6 + p s d 作为 c p u ，配置了以下保护测控功能”。： 夺三段式相间电流保护 夺低电压保护 毋 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 夺过负荷告警及跳闸 夺三相一次重合闸 夺失压各自投 夺小电流接地选线 珠海万力达电气的m l p r 是针对3 5 k v 及以下电压等级的架空线路而设计的 微机保护装置，其采用主频为1 6 m h z 的工业级中央处理单元，配置了以下保护 测控功能”1 ： 夺速断保护 夺过流保护 夺接地保护 夺后加速功能 夺低频减载 夺三相一次重合闸 现有国内厂家的微机保护和综合自动化系统的保护配置基本上能够满足铁 路配电所使用的需要，但是专门针对铁路配电所的系统保护配置比较简单，系 统设计中所采用的c p u 等器件也比较落后，不利于随着铁路配电所运行方式的 改变而升级，用户根据实际运行情况而灵活配置保护的空间也比较小。 由于我国的中低压配电网络采用中性点不直接接地的运行方式，而国外的 电网都采用中性点直接接地的运行方式。这就决定了我国的配电自动化系统不 能直接引进国外设备，而必须结合我国配电网的实际情况，采用国内厂家的现 有产品，并逐步加以改进。 输电线路故障定位装置已经成为高压电网运行必不可少设备，对查找故障 和及时排除故障至关重要。国内厂家的现有配电产品都没有配备这一装置，原 因在于并没有一种合适的成熟的故障定位原理能够成功的应用于中性点不直接 接地系统，同时由于3 5 k v 及以下中低压电网供电线路一般都比较短，且大多数 处于城市和人口密集地区，人工查找故障的难度并不大。铁路配电网络相对于 电力系统相同电压等级的配电网络而言，自闭贯通线路由于负荷较轻而出现距 离长，一般在5 0 k m 左右，并且大多数处于城市郊区或者铁路沿线，这就给及时 查找故障，排除故障带了相当的难度，因此，铁路配电系统应该考虑设罱故障 定位装置。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 1 5 本文所做的工作 开发新型的适合铁路配电系统的微机保护和综合自动化系统可以更好的提 高供电的可靠性，保证铁路运输的安全进行。本文以成都交大许继电气有限责 任公司科研项目“p a 2 i 铁路配电所综合自动化系统”为基础，以开发设计该系 统中“w k h 一8 8 1 馈线保护测控装置”和“w z h 一8 8 1 自闭贯通线保护测控装置”为 目标，着眼于正在建设中的运行环境恶劣，运行方式特殊的青藏高原铁路配电 系统，围绕着开发适合铁路配电系统特点的馈线保护测控装置展开。 论文主要完成了如下工作： 夺在分析铁路配电系统运行方式特点的基础上，广泛查阅资料，并对国 内运行的配电所微机保护和综合自动化系统进行调研的基础上，进行 了系统设计，主要进行了“w k h 一8 8 1 馈线保护测控装置”的硬件设计。 夺根据铁路配电系统运行方式的特点，进行了“w l ( h 一8 8 1 馈线保护测控 装置”和“w z b 一8 8 1 自闭贯通线保护测控装置”的保护配置，并讨论 配置了适合系统特点的自动装置。 夺编程实现了所配置的各种保护和自动化功能。 夺在理论上提出了一种根据单相接地故障位置不同而采用不同线路模 型的比较准确的故障定位原理，并对定位效果进行了分析。 夺针对3 5 k v 超长距离供电线路的具体情况，对各种故障情况进行了仿 真，并对保护动作行为进行了分析。 + 夺提出了适合3 5 k v 超长距离供电线路的负序电流保护和基于线路阻抗 角变化的保护，并对整定方法进行了讨论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章超长距离供电线路故障定位的原理与仿真 铁路配电所采用的是中性点不直接接地的运行方式，铁路配电所的馈线和 自闭贯通线的负荷较轻，所以允许较长的供电的距离。对于地处恶劣自然环境、 电力资源相对稀缺的青藏铁路，其配电所馈线和自闭贯通线路的供电距离往往 更长，甚至可能达到上百公里，在特殊运行方式下，可能达到3 0 0 多公里。 为了保证信号、站场的供电，在馈线和自闭贯通线发生故障或者不正常运 行情况的时候，应该及时发现并排除故障，防止故障的进一步扩大，保证正常 的电力供应。因此在发生故障的时候能够比较准确地测定故障的具体位置就显 得尤为重要。 2 1 故障定位方法的研究 本节对中性点不直接接地运行方式下发生单相接地短路故障时的故障定位 方案做了初步的研究，提出了一种根据故障不同位置采用不同线路模型的比较 准确的故障定位方案。对于如图2 1 所示的具有两条馈线的供电线路本文所 提出的故障定位方案将故障供电线路分为四段，按不同测距模型进行测距。 i 皇星旦墼i 基望筵i 图2 - 1 供电线路分段示意图 2 1 1 模型一初步判断故障点位置 由于铁路配电所馈线和自闭贯通线路的负荷比较轻，所以未考虑线路的负 荷情况。并认为线路的正序阻抗与负序阻抗相等，线路的正序分布电容与线路 负序分布电容相等，忽略线路对地电导。 模型一及a 相故障时a 相的各序网络如图2 2 所示“，为了简洁，在图2 2 中非故障线路的各序网络未画出( 图2 3 ，2 4 ，2 5 同) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 l a 里j ! 璧一题一旦翌_ j i 丝 【b 壁基!q 里j 图a 模型一示意图 l叁星l曼星l星j旦星i 图b 故障正序网络图 i盎壁 【 8 嬖妄壁l望里l 图c 故障负序网络图图d 故障零序网络图 图2 - 2 模型一及故障时各序网络图 模型一将超长距离供电线路用1 1 型电路模型来等效，将分布电容等效为一 个集中电容元件并置于线路的末端。由故障时的各序网络图和电力系统分析的 知识，对故障定位算法做如下推导“，下列公式中下标0 ，下标l ，下标2 分别表示相应电气量的零序分量、正序分量和负序分量。 u o l = d z l l 1 + r ，i 矿1 + e 矿l ( 2 1 ) o ，2 = d z ! j 0 2 + r f - i 2 + 意f 2 ( 2 2 ) u 。o = d z o ，。o + r ，- ，口，o + e 矿o ( 2 - 3 ) _， u 。= u m + u 。2 + u 。o ( 2 - 4 ) 将公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 代入( 2 4 ) ，并注意到，矿，+ 0 ：+ ，矿。= 和言州+ 易2 + 官矿o = 0 ，得： u 。= d ( z l ，。l + z 2 2 + z o l o ) + r 。白 ( 2 - 5 ) 因为3 ，0 = ，可+ ，v + 易，并根据a 相单相接地短路时的边界条件 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 j = i j = q 褥 i 。f = 3 1 f o ib f i j f = 3 1 。f 。 2 - 6 ) 由故障时的零序网络图可知 j 矿o = j o o - i 品= j 。一i i _ 彘= j 。一i ；畿( z 一7 ) 将( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) 代入( 2 5 ) 得 眈= d z 小d z 。d z z j 。o + 3 r ( i 。一精8 ) 式( 2 - 8 ) 中的未知数包括d 和r ，为了消除过渡电阻对故障定位的影响 下面讨论如何消除r ，。 式( 2 8 ) 虽然为一个方程，但是由于各个电气量都是复数的形式，因此只 要进行傅氏变换就可以得到两个方程式，可以利用这种方法来消除过渡电阻的 影响。 为了使推导过程简洁，省略各个电气量下标中的相别a ，省略线路正序参 数的下标t ，并用下标c 表示相量的实部，用下标s 表示相量的虚部。 由式( 2 - 6 ) 得 u 。+ ，u ，= d k r + 。) ( l + ，) + ( r o + o ) ( 。+ j l o ，) + ( r + j x ) ( 厶。+ ) + ，r ， ，”+ ”一! 尘；兰i i j i 号i ；手宝；：三型 c z 一。， 经整理得： a l d 2 一a 2t d + 3 a 3 r r + a 4 = 0 ( 2 1 0 ) b j d 2 一b 2 d + 3 b 3 一r r + b 4 = 0 ( 2 1 1 ) 式中，q = 口r 。一x o 口2 = r o u 。一x o u ，+ 口r o 一卢( x o x 。o ) 口3 = r o 厶。一( x o x c o ) - ，o ，一u o 。 口。= r u 。一( 上。一x 。o ) u ， b = d - x e p r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 b 2 = r o u 。+ x o 。u 。+ 口( x o x 。o ) + 卢r o b 3 = ( x o x 。o ) ，o 。+ 矗o ，0 。一u 帖 b 。= r u ，一( 凰一x 。o ) - u 。 g c = r i ：一x j 。+ r q i o 。一x o i o 。一r i 口c + x i o 。 母= r i ：+ x ic + r a - in ；+ xb - l 。c r ia ；一x i k 联立解式( 2 - 1 0 ) 和( 2 - 儿) ，消去r ，可以得到如下一元二次方程： ( a l b 3 一b t a 3 ) d 2 一( a 2 b 3 一b 2 a 3 ) d + ( 口4 b 3 一b 4 a 3 ) = 0 ( 2 - 1 2 ) 求解此方程组就可以得到d ，也就得到了故障点的大致位置。 2 1 2 模型二c 段故障的定位 根据电网络分析理论，故障点与线路首端之间的线路的分布电容电流的影 响随着线路的增长而增大，线路末端的等效电容随着短路点位置的靠近而逐渐 失去等效的作用，因此在线路比较长的情况下，且故障点距离线路首端比较远 的情况下，利用模型一进行故障定位的准确性将受到很大的影响。 本节讨论长线路距离线路c 段发生故障时定位方案，其中心思想是对线路 的分布电容电流进行补偿。 故障网络图，各序网络图如图2 3 所示。 i 照ig 曼l 星i 咝| 皇壁l旦曼j曼壁垒壁 西南交通大学硕士研究生学位论文第1l 页 置i曼璧墼 一旦丝 【 i星i旦丝f壁iq 照 i 图2 3 模型二及故障时各序网络圈 ( 四个图形依次为模型二示意图，正序、负序、零序网络示意图) 模型二将超长距离供电线路分为两个部分，第一个部分用t 型电路模型来 等效，将分布兼容等效为一个集中元件置于线路1 4 处来补偿线路的容性电流： 第二部分用r 型电路模型来等效，将分布电容等效为一个集中电容元件并置于 线路的末端。对于线路长度c 段和d 段的故障，其故障定位公式仍然可以利用 式( 2 1 ) 一( 2 - 1 2 ) 推导和计算，所不同的是，此时线路中的电压u 、电流，、 零序电压“和零序电流“都为线路1 2 处的值。这些值可以通过线路参数、线 路等效电路和线路首端的电压电流得到。下面推导0 、，、玩和矗。 由图2 3 知： 0 一。= 玩一i 1 五 ( 2 1 3 ) 口2 。= 0 2 一i 1 j 2 z z ( 2 一1 4 ) 0 。= 0 。一i 1 ? 。z 。 ( 2 一1 5 ) 0 。= 口l 。+ 疗2 。+ d 。= d l + 驴2 + d 。一去( j 1 z l + j 2 z 2 + j 。z o ) 堕堕茎垄堕挈竺兰堡笙奎翌! ! 墨 = 口了1 j z 1 + j 1 a 厶( z 0 一五)( 2 1 ，6 ) 4 1 一“】，lz b j 一之c 协m z 一参： 葚； 耻o t 。 篙蚤 ，卸引山n 面u e l + 面u e 2 + 袅) = i ! 二d 五。一丘。) 2 x x ： ( 2 - 2 0 ) 由图2 3 以及公式( 2 1 3 ) 一( 2 1 6 ) 可以得出， d = d 。一i 1 j z i + 三- “z o - z 1 )( 2 2 1 ) 由于在u 、，7 、u o 和z o 中不含有变量d ， 的实部和虚部代替公式( 2 1 2 ) 1 1 0 、j 、 给出驴、，、哦和靠实部和虚部的表达式。 所以只需要用驴、，、玩和矗 u o 和? o 的实部和虚部即可，下面 u e c i u c 1 1 r i c + 1 i ；一l ( r o - r ) k 毫n 嘲氐 u “= u | 一j 1 x jc i 1 r j s 一去( r o r ) f q ；一苌。x n x 1 i i 。 。砜。一扣+ 三托氐 u q e t = u o = - i x n i o c 一之r o i ，s i = i o 。= 一肖。o ) 2 x ：1 x ? o 祭k 小老一糌 k 钆c + 毪 ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 u ：= u 。- 1 4 r k + 丢z 气一百1 ( r o - r ) l 。+ 去( x 。一x ) ，。( 2 - 3 0 ) 哦= u 。一1 4 x ，。一百1r ，。一( r o - r ) i o e s - l ( x 。一z ) ，( 2 3 1 ) = u o e c i r 。_ 一三五。 ( 2 _ 3 2 ) u ；, = u o o - l 。x o i o 。- 1 r 。，o 。 ( 2 3 3 ) 用d 、j 、眈和矗的实部和虚部代替公式( 2 1 2 ) 中的d 、j 、吼和厶 的实部和虚部，并解方程即可求得d ，故障点与线路首端的距离可以根据d 为 很容易的求得。 2 1 3 模型三叫段故障的定位 前面讨论的模型将分布电容的全部或者一部分等效为集中电容元件并将其 置于线路终端，当考虑线路终端短路时，等效电容与故障点距离很近，此时在 等效电路中该电容将被旁路，从而使得线路总的分布电容减少，影响故障定位 的准确性。 本节讨论长线路距离线路d 段发生故障时定位方案。 故障网络图，各序网络图如图2 4 所示。 l 盛| 旦曩】垦l望壁j 壁旦壁 墨i旦墼【 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 题旦星 璧一旦壁 ； i丝 】旦垦i墨i旦壁 j 图2 4 模型三及故障时各序网络图 ( 四个图形依次为模型二示意图，正序、负序、零序网络示意图) 模型三将超长距离供电线路分为两个部分，两个部分都用t 型电路模型来 等效，将分布兼容等效为一个集中元件置于线路1 4 处和3 4 处来补偿线路的 容性电流。分析方法类似于公式( 2 2 2 ) 一( 2 3 3 ) 的推导过程，可以得到 u ：= 【，。一吉r l + 1 ：x i 。三1 ( g o - r ) ，。+ 圭( x 。一x ) 厶。( 2 3 4 ) 己厂! = ，。一主1 z k 一圭胄- l j 1 ( 民一r ) ，。一j 1 ( z 。一) k 。 ( 2 3 5 ) u 品：u 。一= 1 r 。 u l ：u 。一三凰 ，l1 。， jo e c + = a 0 0 u i m 一圭i o 。 弘秘是+ 紫 弘卜鼍一 耻耻番 呸! 墨! 二墨! 壶 2 x c t 噩o ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 瑶s 刊t s _ 造 由图2 4 及公式( 21 ) 一( 2 - 4 ) 知： o “= z ) z ；i “七d z o j ；一d z ：i ；+ r f i ：+ i ：+ i 豹 = d z ：i “+ d z ；i ；一n z ；i ；+ r f j “ ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) 利用与2 1 1 节相同的方法消去月，得： 。= 渐( 2 - 4 3 ) 式中： a = 去( r e x r + r 咒一z 。l o - 一r 品+ + 咒) p i2 4 ( r i ：+ x 】：+ r o i ；s + x q i ；c r _ i ；s x _ i ；c ) 2 1 4 模型四a 段故障的定位 本节讨论长线路距离线路a 段发生故障时定位方案。 故障网络图，各序网络图如图2 - 5 所示。 l 星 i旦璧i 星i 里曼l d z l f 1 - d ) z 05 z 壁 l8 星l 壁! 噬l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 l丝旦壁 i壁j堡塑 i i墨l旦壁i嬖lq 墨i 图2 - 5 模型四及故障时各序网络图 ( 四个图形依次为模型二示意图，正序、负序、零序嚼络示意图) 模型四将超长距离供电线路用t 型电路模型来等效，将分布电容等效为一 个集中元件置于线路1 2 处来补偿线路的容性电流。由于其网络结构与模型一 相似，因此可以采用模型一的方法对故障距离进行计算，这里不再重复。 2 1 5 故障定位方案的实现 根据前面的理论推导，将超长供电线路分段采用不同的故障定位模型来获 得精确的故障位置： 模型一将分布电容等效在线路末端，适合于对线路故障的位置进行初步的 判断，其也能够比较准备的确定发生在b 段的故障的位置。 模型二将分布电容等效在线路1 4 处，能够对线路a 段和b 段线路的分布 电容有比较好的补偿效果，适合对于发生在c 段的故障进行定位。线路终端发 生故障的情况。 模型三将分布电容等效在线路1 4 处和3 4 处，对全线路的分布电容电流 均有较好的补偿作用，适合于对发生于d 段的线路进行故障定位。 模型四将分布电容等效在线路1 4 处这种等效方法对全线路的分布电容电 流都有比较好的补偿作用，适合于对发生在a 段线路的故障进行故障定位。 四种模型适合于线路不同位置发生故障时的故障定位，而对其他位置的故 障则没有很好的适应性，甚至不能用于其他情况的故障定位。因此，要最终实 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 现对故障的准确定位，必须采用综合运用四种模型的方案，具体过程如下： 首先利用模型一进行故障位置的初步判断，若故障发生在b 段，则给出故 障定位结果。若测得故障点位于c 段，则利用模型二进行故障定位；若测得的 故障点位于d 段，则利用模型三进行故障定位；若测得故障点位于a 段，则采 用模型四进行故障定位，最终综合利用四个线路模型实现比较准确的故障定位。 由于模型一给出的定位结果有一定的误差，因此对故障段的判别也不是非 常精确的，当判断出的故障点位于线路各分段的边缘处目寸，所采用的模型应使 得短路位置之后只有一个等效电容，只有这样才能利用相应的算法得到比较准 确的故障位置。 由于对于长距离和超长距离供电线路，必须考虑其对地的分布电容对运行 的影响，所以其精确数学模型应该是基于二端口网络的电路模型。本节所提出 的算法是基于集中参数电路模型的定位方法，在公式推导工程中仅仅是将分布 电容作为集中元件考虑，因此由于模型的不准确必然带来结果的误差。消除这 一误差的方法是对线路的分布电容进行补偿，也就是尽可能多的将线路细分， 每一部分的分布电容用集中元件表示，但是这样必然导致公式和运算的复杂化， 不利于工程使用。因此，在本节所提出的故障定位方案的基础上进行定位仅能 提供一个比较准确的故障位置，故障的距离位置仍然需要人工或者利用其他设 备进行查找。 算法的推导过程中没有考虑负荷的影响，对称负荷对电压电流的负序分量 和零序分量不会产生影响，但是负荷对正序分量存在影响。将负荷集中于线路 终端的近似也会带来一定的误差，并且当线路长度很长的时候重负荷的影响不 容忽视，对负荷的补偿可以采取和对分布电容的补偿相同的方法，对于这部分 内容，本节未给予考虑。 2 2 故障定位原理的仿真 本节主要建立超长距离供电系统的仿真模型，并对2 1 节所提出的超长距 离供电线路单相接地的故障定位原理进行仿真。 2 2 1 超长线路特点与供电系统模型 ( 1 ) 超长线路的特点 超长线路运行的情况下，若忽略线路电阻，认为线路无损，则空载时线路 中x 处的电压d ，和j ，的方程为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 兰睾：y2 d ， ( 2 - 4 4 ) c 垃 j 。：上些( 2 4 5 ) “ y z 出 其中y 和z 分别为导线的传播系统和波阻抗。 无损导线的波阻抗z 。：、三，此时线路上行波的波速为。：罢k m m s 。可 vcf c 见长线路运行方式下，在考虑电压和电流的关系的时候必须考虑线路分布电容、 线路电感等参数的影响，而分布电容的影响在短线路的计算中是可以忽略的。 另外短线路模型可以等效为一个7 参数模型或者n 参数模型，所带来的误差可 以忽略不计，而长线路模型中因为线路的长度相对于电磁波的波长不能完全忽 略，因此一个丁参数模型或者n 参数模型已经不能描述波在线路上传播的过程， 因为长线路模型实际上应该是无穷很短的丁参数模型或者n 参数模型的串联组 成的电路。通过集中参数模型或者元件直接建立长线路模型是有困难的，主要 困难在于串联，参数模型或者n 参数模型的个数，以及参数的选取，还有就是 三相线路相互之间的影响问题的处理。 本章在处理过程中采用的是商业仿真软件m a t i a b 0 ，该软件的s i m u l i n k 图形仿真工具提供电力系统仿真软件包，对大多数电力系统元件都可以直接找 到相应的模型，减少了仿真的工作量。 ( 2 ) 供电系统模型2 0 1 2 3 1 本文所建立的供电系统模型基于前面所说明的青藏铁路纳沱线的运行情 况，将线路中的小负荷根据位置归算到相应的负荷点，仿真系统的负荷情况如 表2 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 表2 一l 超长距离供电线路沿线负荷情况” 序号负荷点线路长度( k m )负荷( m w ) 1a4 1 1 10 4 7 5 2b1 8 0 00 6 8 3c3 6 3 90 2 6 9 4d4 6 6 5o 3 8 5e2 4 5 5o 1 4 2 6f1 9 5 6l _ 3 6 7g3 7 50 2 1 2 8h3 6 1 20 2 7 9 9i2 2 1 20 1 6 8 1 0k4 3 5 40 9 9 2 总计 3 2 5 5 44 9 5 7 在仿真的过程中所使用的导线参数如表2 2 所示。 表2 - 2 仿真模型中导线参数1 i 单位电阻r ( q k m )单位电感l ( m h k m )单位电容c ( 仙f k m ) l 正序 0 3 3 1 71 3 2 70 0 0 8 6 8 8 l 零序 0 ，4 8 1 74 5 9 50 0 0 4 7 6 2 变压器参数 变压器容量：6 3 0 0 k v a 变压器接线方式：y y 连接 变压器一次绕组参数：r l = o 0 0 2 p u ；厶= o 0 8 p u 变压器二次绕组参数：r ，= o 0 0 2 p u ；l ，= 0 0 8 p u 变压器变比：1 1 0 k v 3 5 k v 变压器励磁回路参数：如= 5 0 0p u ；l 。= 5 0 0 p u 仿真模型的测量点 母线电压：u 。、u b 。、u 。，测量点位于母线处； 线路电流：，。、，。、，。，测量点位于母线处： 负荷及接线方式 负荷：并联r l c 负荷 接线方式：接线 变压器及测量点s i m u l i n k 仿真用模型和长距离供电线路s i m u l i n k 仿真用 模型分别如图2 - 6 和图2 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图2 - 6 变压器及测量点模型 明 图2 7 氏距离供电线路供电模型 对所建立的中性点不接地系统超长距离供电系统模型有以下问题需要说 夺仿真系统采样频率2 0 k h z ； 夺系统电源采用理想电压源来代替实际系统中的电源。理想电压源模型 忽略了电源的内阻及其他内部参数，建立模型的目的是为了讨论保护 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 在不同情况下的动作情况，因此电源侧的参数在一问题中成为次要因 素而被忽略，该忽略不会影响仿真结果。 夺线路负荷采用接线方式，负荷被近似均匀的分布到各相中，故仿真 的结果适用于负荷对称的情况下，对于大多数的负荷不对称运行的情 况下会带来一定的误差。 2 2 2 故障定位仿真 本节对2 1 节所提出的故障定位方案进行仿真。 仿真采用如图2 7 所示超长距离供电线路供电模型，为简单起见，仿真时 认为在同一母线上仅有两条出线，并认为两条出线的参数和长度完全一致，并 认为线路空载。变压器和线路参数如2 2 1 节所示。 表2 3 一表2 - 6 列出了对采用不同模型对线路故障进行定位的仿真结果。 图2 8 一图2 1 4 为几个特殊点发生单相接地故障和经过过渡电阻接地时， 线路首端的电压和电流的波形。 表2 - 3 利用模型一进行故障定位的结果( 单位：k m ) 实际短路点 04 1 5 65 9 7 19 9 41 4 7 6 计算值 0 4 0 3 85 8 3 49 8 3 51 4 8 4 3 误差 o一1 1 81 3 71 0 5o 8 3 实际短路点 1 8 6 3 52 2 3 6 23 0 7 ，0 8 63 2 6 3 6 6 计算值 1 9 02 3 1 1 53 2 7 9 4 l3 5 1 2 7 5 误差3 6 57 5 32 0 8 5 52 4 9 0 9 表2 4 利用模型二对c 段和d 段故障进行定位的结果( 单位：k i n ) l 实际短路点1 8 6 3 5 2 2 3 6 22 6 0 7 43 0 7 0 8 63 2 6 3 6 6i l计算值 1 8 6 6 72 2 4 5 42 6 2 8 73 1 1 7 2 43 3 2 4 1】 l误差o 3 20 9 22 1 34 6 3 86 0 4 4 j 表2 - 5 采用模型三对d 段故障进行定位的仿真结果( 单位：k m ) l 实际短路点 2 6 0 7 43 0 7 0 8 63 2 5 3 6 6 l i计算值 2 6 1 7 23 0 7 8 1 23 2 7 0 1 1 | 误差o 9 80 7 2 60 6 4 5 表2 - 6 利用模型四对a 段故障进行故障定位的结果( 单位：k m ) 实际短路点 o4 1 5 65 9 7 19 9 4 计算值 04 0 ，8 35 8 9 89 9 3 7 误差00 ，7 30 7 3 一o 0 3 综合表2 3 到2 - 6 ，得利用本文所提出的故障定为原理的定位结果如表2 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 表2 7 对不同地点的故障采用不同模型进行定位的仿真结果( 单位：k m ) l 实际短路点 04 1 5 65 9 7 19 9 41 4 7 6 i计算值 04 0 ，8 35 8 9 89 9 ，3 71 4 8 4 3 l误差 o一0 7 3一o 7 30 0 30 8 3 l 实际短路点 1 8 6 3 52 2 3 6 22 6 0 7 43 0 7 ，0 8 63 2 6 3 6 6 f计算值 1 8 66 72 2 4 5 42 6 1 7 23 0 7 8 1 23 2 7 0 1 1 l误差0 3 20 9 20 9 80 7 2 60 6 4 5 表2 - 8 考虑过渡电阻时故障定位仿真结果( 单位；k m ) l 过渡电阻5 q过渡电阻5 0 0过渡电沮1 0 0 q l 实际短路点计算值误差计算值误差计算值误差 i4 1 5 64 0 7 70 7 94 0 2 81 2 83 9 7 91 7 7