（电力系统及其自动化专业论文）配电线路故障测距装置的研制.pdf

配电线路故障测距装置的研制 摘要 本论文研究课题为输电线路故障测距装置的研究。故障测距是查找配电网馈线故 障位置的重要依据，准确的故障定位对故障的迅速排除，使系统恢复正常运行具有重 要的实用价值。 本文对国内外配电网故障测距研究工作以及各种测距的方法进行了归纳总结，并 对存在的问题实质进行了深入分析。本文分析了架空配电线路和电缆线路参数特点， 提出了配电线路故障测距的新方法一故障点直流电压补偿法。并在此基础上，制定 出了配电线路相间短路和接地短路的故障点测距方案，设计了测距装置电路图，包括 测距板和电源部分。测距板主要由低通滤波器、a 丁舱g a j 6 单片机和f 阳f 2 8 6 4 0 4 0 2 b 型液晶显示器组成。对输入量经过数字滤波、采样和处理，直接显示出测距结果。电 源部分是一个由d c d c 变换的直流电源，可输出连续可调直流电压。通过仿真试验， 对不足之处进行改进，不断调整测距装置的准确度，然后进行实际测量，考虑到实际 测量中线路可能存在较小感应电压而影响测量精度的的问题，装置中增加了过滤交流 感应电压的数字低通滤波电路。试验结果表明：此装置具有较好的准确性，且价格较 低，有一定的实用性。 关键词：配电线路故障测距故障点直流电压补偿 r e s e a r c ho nd i s t r i b u t i o nl i n ef a u l tl o c a t i o nd e v i c e a b s t 刚屹t t h i sp a p e ri sa b o u tr e s e a r c ho nd i s t r i b u t i o nl i n ef a u l tl o c a t i o nd e v i c e f a u l tl o c a t i o ni sa ni m p o r t a n tb a s i st of i n dd i s t r i b u t i o nf e e d e rf a u l t sp o s i t i o n ， a c c u r a t ef a u l tl o c a t i o nh a si m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u ei nq u i c k l yr u l e do u tt h e f a u l t s ，a n da l l o w i n gt h es y s t e mt or e s u m en o r m a lo p e r a t i o n i nt h i sp a p e r ，d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld i s t r i b u t i o nl i n ef a u l tl o c a t i o n r e s e a r c hw o r ka n dav a r i e t yo ff a u l tl o c a t i o nm e t h o d sw e r es u m m a r i z e d ，a n d i n d e p t ha n a l y z e st h es u b s t a n c eo ft h ep r o b l e m s t h i sp a p e ra n a l y z e st h e d i s t r i b u t i o nl i n e sa n dc a b l el i n e sp a r a m e t e rc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d p r o p o s ean e w d i s t r i b u t i o nl i n e sf a u l tl o c a t i o nm e t h o d - - t h e p o i n t o ff a u l td cv o l t a g e c o m p e n s a t i o n o nt h i sb a s i s ，d e v e l o p e di m p l e m e n t a t i o np l a nt ot h ed i s t r i b u t i o n l i n e si n t e r - p h a s es h o r t c i r c u i ta n ds i n g l e - p h a s eg r o u n df a u l tl o c a t i o n ，d e s i g n e d t h ef a u l tl o c a t i o nd e v i c ec i r c u i t ，i tc o n s i s to ff a u l tl o c a t i o na n dp o w e rs u p p l y p a r t s t h ef a u l tl o c a t i o np a r tc o n s i s to fl o wp a s sf i l t e r ，at m e g a l16 s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ，a n df y d l 2 8 6 4 0 4 0 2 bl c d t h ep o w e rs u p p l yi sad c d c c o n v e r t i n gd i r e c tc u r r e n ts o u r c e ，i t so u t p u td cv o l t a g ec a na d ju s tc o n t i n u o u s l y t h ei n p u ts i g n a lt h r o u g hl o w p a s sf i l t e r ，s a m p l i n ga n d p r o c e s s ，d i r e c t l yr e f l e c t t h er e s u l t so ff a u l tl o c a t i o no ns c r e e n a f t e rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，d r a w b a c k s h a sb e e ni m p r o v e d ，a n dc o n s t a n t l ya d j u s t e dt h ea c c u r a c yo ft h ef a u l tl o c a t i o n d e v i c e ，t h e n ，m a d ea c t u a lm e a s u r e m e n t s m a l l e re m fw e r ef o u n di nt h e m e a s u r e m e n t ，i ta f f e c t e dm e a s u r e m e n ta c c u r a c y t h ed i g i t a ll o w - p a s sf i l t e ri s d e s i g n e df o rs o l v et h i sp r o b l e m t h ee x p e r i m e n t a lp r o o f it h i sd e v i s ei sm o r e a c c u r a c y ，a n dl o wc o s t ，i th a sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nl i n e ：f a u l tl o c a t i o n ：t h ep o i n to ff a i l u r ed c v o l t a g e c o m p e n s a t i o n 4 目录 第一章绪论1 1 1 本课题研究的目的及意义1 1 2 国内外研究现状2 i 2 1 架空线路的故障类型分类2 1 2 2 电缆线路的故障类型分类2 i 2 4电缆故障测距方法4 i 2 5 电缆故障定点方法概述7 1 3 输电线路故障测距装置的研究现状及存在的的问题9 1 3 1 高压电力电缆故障测距装置研究现状及存在的问题9 1 3 2 低压输电线路故障检测装置研究现状及存在的问题1 0 1 3 3 配电线路故障测距装置研究的意义1 1 1 4 本论文的研究内容及所做的工作1 l 1 4 1 本论文的研究内容1 1 1 4 2 本课题所做的工作1 l 第二章配电线路故障测距的故障点直流电压补偿法1 3 2 i 低压电力线路数学模型的建立1 3 2 2 直流电压补偿法基本原理1 4 2 2 1 单相接地的故障测距原理1 4 2 2 2 两相短路故障测距原理1 6 2 2 3 两相接地短路的故障测距1 7 2 2 4 三相短路的故障测距1 7 第三章基于故障点直流电压补偿法的配电线路2 2 故障测距装置研制2 2 3 1 故障测距装置的构成2 2 3 2 测距部分2 3 3 2 1 信号输入2 3 3 2 2 低通滤波2 4 3 2 3a t m e g a l 6 型单片机2 7 3 2 4 显示器2 8 3 2 5 测距部分接线图2 8 3 2 6 软件结构3 0 3 3 主机电源系统3 6 3 3 1 电源各部件的主要作用3 6 3 3 2 测量电源电路构成及工作原理3 7 3 3 3 主板电源4 0 3 4 测距装置的面板4 0 第四章配电线路故障测距装置的试验4 2 4 1 仿真试验4 2 4 2 模拟试验4 4 4 2 1 标准电阻试验4 4 4 2 2 电缆模拟试验4 5 4 3 输电线路故障测距实测试验4 6 4 3 1 影响测距的因素4 6 4 3 2 架空线路的实测4 7 4 3 3 误差分析及调整4 8 第五章结论与展望5 1 参考文献5 2 致谢5 4 攻读学位期间发表的学术论文及参与的课题研究5 5 6 1 1 本课题研究的目的及意义 第一章绪论 输电线路发生故障造成停电，对国民经济中的各个行业均造成较大影响，对于一级 负荷，一般设有后备电源，如果后备电源也失去，将会造成重大的财产损失和人生伤亡 事故，或者造成重大的政治影响；对于二级负荷，将会造成较大的经济损失和较大政治 影响，停电也会对人民生活造成诸多不便。在配电网络中，“t 型连接的线路比较多， 当发生单相接地时，绝缘监视装置将发出警报，当发生相间短路时，电流保护将动作使 断路器跳闸。在保护动作后，应立即查找故障点。高压输电网络一般都装设距离保护作 为相间短路保护，故障发生后，计算机即可给出故障报告，包括故障点的距离等信息， 而配电网装设的是电流保护和零序保护，当发生相间短路或两相接地短路时，电流保护 动作跳闸，当发生单相接地时，绝缘监视装置发出报警信号。在保护动作后，电流保护 可以判断故障的性质，但难以判断故障点的距离，通常的做法首先是用兆欧表测量各相 间及各相对地电绝缘电阻，初步判断故障类型，再将所有的变压器都从线路中切除，然 后分段查找故障点。这种方法要投入大量的人力和物力，查找的面广点多，切除故障和 恢复供电都要耗费大量的时间，而且线路停电时间过长，对用户造成较大的损失和影响。 由于城市街道、院校、医院、工厂等利用电力电缆供电的情况越来越普遍，因找不 到故障点而导致整条电缆线路报废的情况，在供电区域中时有发生。这种情况不仅造成 难以估计的停电损失，而且还带来重新更换，敷设电缆的巨大经济损失。因此，故障点 的快速、准确定位对提高供电可靠性具有重要的实际意义。有的农网线路甚至翻山越岭， 延伸十几公里，多处“t 型连接，使查找工作更为困难。因此，如果能快速定位故障 点的大致位置，将大大减少查找故障点的工作量，也将减少停电时间。现有的低压电力 电缆故障检测装置存在一些不足，无法满足低压电力电缆故障检测的需要，配网架空线 路故障测距装置也是一项急待研究的领域。因此，有必要研制出一种低价位、高精度、 小体积、操作简便的配电线路故障检测装置。这种装置的研究，不仅能解决城市供电的 实际问题，而且在农村电网领域也有着广阔的应用前景和巨大的经济效益。 本装置除了能测量低压电缆和架空线路的故障距离之外，还可用于高压架空线路电 阻参数的测量。因为架空输电线路在施工过程当中，考虑到弧垂、跳线连接等，导线实 际长度比距离长，其大小只能通过估算， 分析线路的功率损耗，应实测电阻大小， 本装置能较好地解决这个问题。 1 2 国内外研究现状 因而电阻大小也只能通过估算而得，为了准确 而在实测当中，会存在感应电流干扰的问题， 1 2 1 架空线路的故障类型分类 根据故障电阻与击穿间隙情况，架空输电线路故障可分为开路、低阻、高阻与闪 络性故障。 ( 1 ) 低阻故障 即低电阻接地或短路故障。架空输电线路相问或相对地绝缘受损，其绝缘电阻很 小，以致用兆欧表测量相间或相对地电阻时，绝缘电阻低于1 0 z c ( z c 为电缆特性阻 抗，一般不超过4 0q ) 时，而导线连续性良好者称为低阻故障。 ( 2 ) 高阻故障 架空输电线路相间或相对地绝缘虽然损坏，但其绝缘电阻较大，高于1 0 z c ，不能 用低压脉冲测距法测量的一类故障。它是相对于低阻故障而言的，包括泄漏性高阻故 障和闪络性高阻故障两种类型。 ( 3 ) 断线故障 线路相间或相对地绝缘电阻达到所要求的规范值，但有一相或数相导体不连续者 称为断线故障。 1 2 2 电缆线路的故障类型分类 电缆线路故障可分为低阻故障、高阻故障、断线故障与混合性故障。低阻故障、 高阻故障以及断线故障的定义与架空线路相同，混合性故障是指电缆线路含有两种或 两种以上的上述故障类型的故障。 1 2 3 架空输电线路故障测距方法 1 2 3 1 高压架空送电线路故障测距方法 架空线路的故障测距，根据测距原理可为两大类，第一是阻抗测距，第二类是行波 测距。1 1 0 k v 以上高压输电线路的距离保护就是采用阻抗测距，当输电线路发生故障时， 根据故障时的电压和电流参数、测量出故障点的距离，从而决定保护动作的时间和顺序， 同时打印出故障性质和故障点的距离，这类测距为在线测距。另一类是行波测距，其原 理是根据电波在线路中的传播过程中遇到特性阻抗发生变化的地方会产生反射波，如果 已知电波在线路上的传播速度，便可由两次反射波的特征拐点计算出故障点到测试端的 距离。其公式为： s = 1 2 ( v x t ) ( 1 - 1 ) 式中s 代表故障点到测试端的距离；y 代表电波在线路上的传播速度；r 代表电波 在故障点与测试端间来回反射的时间。人们可根据屏显波形，用双游标卡住两次反射波 的特征拐点，稍加人工干预就可以由计算机自动完成测距过程。此时如果加足够高的冲 击高压，将会在故障瓷瓶上看到放电火花，并听到“叭、叭 的放电声。省去了逐塔检 测之苦。对于短路或开路故障，也可从波形直接分析确定故障距离。 另外，国内已研制出配电线路在线检测及自动定位系统，该系统是一套具有线路故 障在线检测、线路防盗、故障线路自动定位等功能的智能化电力负荷管理系统在线路 发生故障( 接地或短路) 、配电线路被盗时，相应的采集终端采集到信息后，迅速地把故障 信息用g s m g p r s 的方式传送到监控总站，总站接收到信号后经计算机软件处理，解出对 应的故障信息，转发给相应的运行管理人员和维护人员，同时，在后台界面上自动准确地 显示故障发生地点或被盗线路的准确地点。 1 2 3 2 配电线路故障测距方法 低压配电线路故障的探测一般要经过诊断、测距、定点三个步骤。故障性质的诊断 即确定故障的类型与严重程度，是开路还是高阻或低阻故障，以便测试人员选择适当的 测距与定点方法。故障测距又叫粗测，即测量故障点至测量端的电气长度，以确定故障 点的大致位置。粗测法有电桥法，低压脉冲反射法( 又称雷达法) ，脉冲电压法( 又称 闪络法) 文献、脉冲电流法，直流比值法等，粗测的准确和迅速与否，直接决定了故障 探测的速度和效率。在实际应用中，对故障测距所要求的精度用不着太高，只要能满足 定点的要求即可。 故障定点又称精测，即根据故障测距的结果，准确地确定故障点的所在位置。这是 整个故障探测工作的最终目的。架空输电线路故障点的精测，主要是在线路上加足够高 的冲击高压，将会在故障瓷瓶上看到放电火花，并听到“叭、叭”的放电声，从而找到 故障点。 1 2 4 电缆故障测距方法 目前，电力电缆故障测距方法，主要分为在线测量和离线测量两种方法。例如， 国内学者提出了基于小波变换和自相关分析的测距方法是一种在线测量的方法。另 外，利用光纤分布温度传感器对电缆进行故障定位也属于在线测量。这种新方法是利 用近几年才发展起来的“光纤分布温度传感器”来检测由接地故障点电弧所引起的温 度升高，从而测寻故障点位置。光纤传感的基本原理：当光在光纤中传输时，光的特 性( 如振幅，相位，偏振态等) 将随检测对象的变化而变化。因此，光从光纤中射出 时，光的特性已得到了调制。通过对调制光的检测，便能感知外界的信息。在系统中 光纤既是传输媒体又是传感媒体，光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中的背向 r a m a n 散射光的强度，经波分复用器和光电检测器采集了空间温度信息，再经信号处 理系统解调后将温度信息实时从噪声中提取出来并进行显示：利用光纤中光波的传播 速度和背向光回波的时间间隔，对所测温度点定位。 利用“光纤分布温度传感器”检测故障点附近温度变化情况来实现电缆故障定 位的新方法，具有方法简便、定位快速准确和不受电磁干扰的优点，最大可测距离为 l o k m ，定位精度为1 m ，定位时间不超过3 0 s ，此法适用于低阻接地故障。 当电力电缆运行时的负荷电流与接地故障电流相差很小的情况下，这种方法的优 越性尤其突出。将光电子技术应用于电缆故障的测寻，虽然是电力电缆故障检测的一 个发展方向，但这种方法须沿电缆铺设光缆，成本太高，所以实施时须考虑国力的承 受能力。 电缆故障测距目前主要采用的是离线测量的方法，这些方法有电桥法、低压脉冲 反射法、脉冲电压法等。 4 m b f i g u r e1 - lb r i d g ec i r c u i tc o n n e c t i o nd i a g r a m 图1 - 1 电桥电路接图 在使用电桥法测量之前，应将被测电缆对端故障相与非故障相短接，如图卜1 a 所示，图卜1 b 给出了等效电路图。调节可变电阻r 。数值，使电桥平衡，使得m n 间的 电压差为0 ，检流计无电流流过，此时根据电桥平衡原理可得： 拿：旦 ( 1 2 ) = = il y ， 心r 2 r ，、r z 为已知电阻，设：乏= k ，则卺= k ，因电缆直流电阻与长度成正比，设 电缆导体单位长度电阻为r 。，l 奎长代表电缆全长，l 。和l 0 分别为电缆故障点到测量 端及末端的距离，则r 。可用( l 全长+ l 0 ) r o 代替，r 。可用l 。r 。代替，可推出： k 长+ l o = 瓯 ( 卜3 ) 而三o = 三全长一l x ，所以： 幺= 等 ( 1 - 4 ) 电缆断路故障也可用电容电桥测量，原理与上述电阻电桥类似。 1 2 4 2 低压脉冲反射法 低压脉冲反射法是一种利用传输线的电波反射现象，通过计量发射脉冲与故障点 反射脉冲之间的时差来进行测距的方法。主要测定输电线路中的开路、低阻故障，也 可用于电缆全长的标准测量，测量准确率较高，应用较广。这种方法不能用于测量高 阻或闪络故障。据统计，有近1 0 电缆故障为低阻或开路故障，可用低压脉冲反射法 测定。 工作原理：测试时向电缆注入一低压脉冲，该脉冲沿线路传播到阻抗不匹配点， 如短路点、故障点、中间接头等，脉冲产生反射，回送到测量点被仪器记录下来( 图 卜2 ) 。记录测试时的波形，波形上发射脉冲与反射脉冲的时间差t ，此时间差为测 量点与阻抗不匹配点往返一次的时间，脉冲在电缆中的波速度v ，则该点与测试端的 距离，可由下式计算： 三：! 眦 ( 卜5 ) 通过识别反射脉冲的极性，可以判定故障的性质。短路故障的反射脉冲与发射 脉冲极性相反，断路故障反射脉冲与发射脉冲极性相同。由1 - 5 式知道，脉冲在线路 中的波速度对于准确地计算出故障距离很关键。在不清楚线路的波速度值的情况下， 可用如下方法测量。如已知被测线路的长度，根据发送脉冲与电缆终端反射脉冲之 间的时间t ，可推算出线路中的波速度：三= 去心。 6 f i g u r e1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fl o w - v o l t a g ep u l s er e f l e c t i o n 图1 - 2 低压脉冲反射原理图 1 2 4 3 脉冲电压法 7 0 年代发展起来的用于测量高阻与闪络故障的方法。该方法首先将线路故障在 直流或脉冲高压信号下击穿，然后通过记录放电脉冲在测量点与故障点往返一次所 需的时间来测距。包括直流高压闪络测量法( 直闪法) 和冲击高压闪络测量法( 冲 闪法) 。脉冲电压法的一个重要优点是不必将高阻与闪络性故障烧穿，直接利用故 障击穿产生的瞬间脉冲信号，测试速度快，测量过程也得到简化，是线路故障测试 技术的重大进步。据统计，用直闪法测定的线路故障数，约占故障总数的2 0 ，而用 冲闪法测定的电缆故障数，占故障总数的7 0 。 1 2 5 电缆故障定点方法概述 电缆故障的定点，根据电缆是高阻还是低阻故障而采取不同的方法。对于电缆高阻 故障的精确测距采用放电声测法，在故障电缆上施加脉冲高压，使故障点击穿绝缘放电。 由于放电的能量与电缆电容及电压的平方成正比，因此该能量很大。这个能量在故障点 击穿瞬间突然释放，会发出强烈的爆声。利用仪器直接或间接探测这爆声发出的位置， 就能找到故障点。而低阻故障采用高频感应法，其原理是用高频信号发生器向故障电缆 施加高频电流，发出电磁波，然后，在地面上用探头沿故障电缆路径接受电缆周围电磁 场变化的信号，并将之送入放大器进行放大：而后，再将放大后的信号送入耳机或指示 仪表，根据耳机中声音的强弱或指示仪表指示值的大小来定出故障点的位置。 对于低阻故障，虽也可用声测法定点，但效果比较差，故主要用音频感应法定点。 ( 1 ) 声磁法 使用脉冲高压使电力电缆故障点击穿放电，利用电缆故障间隙放电产生机械声音对 发生高阻故障和闪络故障的电力电缆定点。声磁法是根据声音信号与磁场信号传播速度 不一的原理，利用仪器探头检出声音信号和磁场信号的时间差来确定准确的故障点。 ( 2 ) 音频感应法 对于电力电缆的短路故障，由于无放电声而不能采用声磁法，只能采用音频感应法 对故障点进行准确定点音频感应法用音频信号发生器在电力电缆短路相芯线间通上音 频电流，电力电缆会发出电磁波。在电力电缆故障点附近的地面上用探头( 电感式线圈) 沿被测电力电缆走向接收电磁场变化的信号，将信号放大后送人耳机或指示仪表检测信 号的变化情况，直至信号消失。在电力电缆故障点音频信号最强。 ( 3 ) 跨步电压法 利用脉冲跨步方式对低压电缆故障进行定向与定位的方法接线简单、操作方便， 可对直埋电力电缆故障快速定向、精确定点的测量方法。如图1 - 3 所示，它是利用电缆 。、n iir l v v 7 7 ! ! l fr 蟛 !： u i i u i 3 一 ： u f i g u r e1 3s t e pv o l t a g em e t h o df o rf a u l tl o c a t i o n 图1 - 3 跨步电压故障定点法 沿线的土壤中或地面产生沿电缆走向依次递减或递增的“跨步 电压脉冲，确定故障点 的方向和具体位置。因为根据以往的经验，低压( 1 k v ) 电力电缆故障，9 0o 6 0 以上故障点 的电缆护层都是破损的，这样即可利用在电缆一端施加一个周期的脉冲信号，沿电缆敷 设走向快速确定故障点的方向和精确确定故障点的位置。一般土壤情况下，在距离故障 r 点2 0 - - 一3 0 m ，就可以指示故障点方向，在水泥或硬化路面条件下，在距离故障点l o m ， 就可以指示故障点方向。 在故障电缆任一端的故障芯线或钢铠与地之间，用电压脉冲发生装置周期性的施加 电压脉冲信号，使之在电缆沿线的土壤中或地面产生以故障点为中心、沿电缆走向依次 递减“跨步 电压脉冲，用脉冲电压探测装置，对该“跨步 电压脉冲极性和电压幅 值进行测量，“跨步”距离为5 0 - l o o c m ，分正负极，当测量时指示电压为负值，则表 明故障点在相反方向，当测量指示电压为正时，表示故障点在前方，由于故障点脉冲电 压的分布如图中所示，越靠近故障点，电位变化曲线越陡，两电极间测量到的电压就越 大。根据测量的电压极性和大小的变化情况，即可确定出故障点。 ( 4 ) 红外热像技术 这种方法是利用电缆故障点温度比周围环境温度升高时，其红外用红外线成用红外 热象仪扫描电缆表面，拍摄出电缆的表面温度场分布图像，图形将反映出温度升高点较 其它点明亮，并能根据图像来推算电缆芯线温度，达到非接触地探测故障点的目的。 1 3 输电线路故障测距装置的研究现状及存在的问题 低压输电线路特别是电缆线路的故障是很复杂的，目前还没有一种万能的仪器可以 检测所有的故障。为确定不同类型的故障，设计有多种形式的装置。这些装置根据功能 可分为测距和精确定点两大类：根据线路是否带电可分为在线测量和离线测量两大类。 1 3 1 高压电力电缆故障测距装置研究现状及存在的问题 对于高压电力电缆故障，国内外有很多相关的研究，发表很多相关的论文，也有很 多相关的故障检测装置。从近年的发展趋势来看，采用电压或电流脉冲法作为测距原理 的装置，具有操作简便、测试速度快的优点，测距精度可达到1 ，因而得到越来越广泛 的应用。高压电力电缆故障精确定点装置，大都以声测法和音频感应法作为定点原理。 现有高压电力电缆故障测距装置存在的主要问题是：成本高，体积大，必须有交流电源， 一些测距装置不能直接显示出结果。 9 1 3 2 低压输电线路故障检测装置研究现状及存在的问题 低压电力线路故障检测装置的研究，一直没有能够和高压电缆的研究一样得到足够 的重视。目前国内低压电力线路故障检测装置，大多是在线监测，离线测量则大多是直 接利用声测法对低压电力电缆的故障点进行测寻。例如离线测量装置有d w 型低压电缆 故障测试定位系统，它包括测距仪和定位仪两部分。d w 型的电缆故障定位仪是针对直埋 低压电缆的埋设路径，埋深及故障点位置进行同步测试的仪器。现对国内外现有低压电 力线路故障检测装置存在的问题分析如下。 ( 1 ) 在测距原理上存在的问题 配电线路的特点是绝缘电压水平相对较低，因而无法承受故障测试时所施加的高电 压。若在低压电力电缆上用脉冲直流法、冲击法、高压电桥法来进行故障测距，都可能 使电缆出现二次击穿，产生新的故障。因此，低压电力电缆常用的故障测距方法是电桥 法与低压脉冲反射法。 在使用低压脉冲法时，将会有以下不足： ( a ) 若故障电阻大于l o z c 时，脉冲反射系数很小，根据故障点反射脉冲的波形较难 识别出故障点的距离，因此不适用于的电缆高阻故障测距： ( b ) 如果故障点太近的时候，使用低压脉冲法进行故障测距，会出现脉冲的发射波 与反射波之间的时间差非常小，不易分辨。这就相当于使用低压脉冲法测距的死区： ( c ) 使用低压脉冲反射法时，必须同时具有脉冲发射装置与接受装置，使整个测距 装置的成本较高。 电桥法装置成本低，操作简单、精度高，但使用电桥法时，有以下不足： ( a ) 如果故障点电阻较大，电桥里的电流将很小，这将会导致仪表很难探测到电流。 因此，电桥法不适用于电缆高阻故障的测距： ( b ) 如果电力电缆发生三相短路、三相短路接地和断线故障时，如前所述，电桥电 阻之比无法反映故障点的距离，这时就不能用电桥法进行电缆的故障测距。 以上分析的这几中故障测距方法，都不能很好地解决电缆高阻故障的测距问题，在 电缆的故障中，有很大的概率属于高阻的故障，因此，低压电力电缆的故障测距问题尚 待进一步的研究解决。 ( 2 ) 传统的故障精确定点方法上存在的问题 目前，传统的电缆故障精确定点的方法是声测法和音频感应法。 1 0 在实际应用当中，声测法主要用于高阻故障的故障点精确定位，由于受到电缆故障 点环境因素干扰，如振动噪声过大，电缆埋设过深等，造成定点困难。 对于电缆的低阻故障，传统的定点方法是音频感应法。这种方法由于主要是通过人 的耳朵对声音信号强弱的分辨来判断故障点的位置，因此，对操作人员的经验要求较高。 1 3 3 配电线路故障测距装置研究的意义 配电网不装设距离保护，在故障发生后，难以判断故障点的远近，在查找故障点时， 首先将变压器都从线路中切除，然后分段查找故障点。这种方法费时费力，而且线路停 电时间过长，对用户造成较大的损失和影响，而现有的架空线路配电线路和电力电缆线 路故障检测装置存在上面所述的诸多不足，特别是必须要有交流电源，并且不易于携带， 这给故障发生在分支线路的故障测距造成困难。为满足电力电缆和架空线路故障测距的 需要，研制一种既能用于电缆故障测距，也能用于架空配电线路故障测距且易于携带、 无需交流电源、价格低廉的故障测距装置，具有较大的现实意义。 1 4 本论文的研究内容及所做的工作 1 4 1 本论文的研究内容 本论文的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 架空线路和电缆线路故障测距方法的研究： ( 2 ) 电力电缆故障精确定点方法的研究： ( 3 ) 配电线路故障检测装置的研制。 ( 4 ) 配电线路故障检测装置误差分析。 为了解决配电线路故障的测距问题，本论文提出了一种新的方法一故障点直流电 压补偿法。这种方法原理简单、操作方便、成本低廉并且易于智能化，它可以解决配电 线路短路故障的测距问题。通过实测的试验，验证了直流电压补偿法在理论上的正确性。 1 4 2 本课题所做的工作 本论文着重做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 建立适用于配电线路故障测距的集中参数电路数学模型： ( 2 ) 提出了一种新的配电线路故障测距方法一直流电压补偿法： 1 1 ( 3 ) 研制基于直流电压补偿法的低压电力线路故障测距装置，编制相应的程序，然 后进行模拟试验，对装置进行改进，然后在线路上进行实测： ( 4 ) 进行误差分析，对装置进行改进： 第二章配电线路故障测距的故障点直流电压补偿法 2 1 低压电力线路数学模型的建立 要测量输电线路故障距离，首先应做模拟试验，而模拟试验应先建立低压电力线路 的数学模型。输电线路的模型可用图2 - 1 表示，线路的参数分别有电阻、电抗、电导和 电纳，这些参数是沿线路长度均匀分布的，为了计算方便，当线路长度在3 0 0k m 以内 时，常将常将分布参数用集中参数r 、x 、g 、b 表示，中、低压电力线路与高压电力线 g 一 2 b 一 2 f i g u r e2 1l l i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n em o d e l 图2 - 1 高压架空输电线路模型 路相比，有以下特点： ( 1 ) 电压等级较低，不存在电晕损耗，故可以认为电导g 踟，可以忽略不计： ( 2 ) 线路长度较短，一般为几公里到十几里，电容很小，对应的电纳b o ，可以忽 略不计： ( 3 ) 中低压架空配线路参数一般可用简化等值电路模型表示，图2 - 2 为用集中参数 f i g u r e2 - 2d i s t r i b u t i o nl i n em o d e l 图2 - 2 配电线路模型 1 3 表示的数学模型。用集中参数电路模型来计算架空线路的故障距离，可以反映配电线路 故障的真实情况。 2 2 直流电压补偿法基本原理 电桥法被当作低压电力电缆故障测距的主要方法，其工作原理是利用缆芯导体构成 电桥的回路电阻与电桥电阻进行平衡，且故障的距离是基于电阻与回路长度成正比的原 理，电桥法操作简单、精度高，而且装置成本低，但作为电缆的测距方法，它还存在以 下不足： ( 1 ) 在故障电阻很高的情况下，由于电桥里的电流很小，一般灵敏度的仪表很难探 测到这么小的电流。这时，为了得到在测距时所需的电流，传统的方法是使用高压电桥 法，或烧穿故障点，使接地阻抗变小后，再使用低压电桥法。低压电力电缆的电压绝缘 水平不高，如果为提高电桥的灵敏度而升高电压，有可能造成在定位时电缆的二次击穿， 形成新的故障：而在故障点上施加高压，让适当的电流流过并烧穿故障点形成碳化物， 使故障电阻值下降的方法，由于其费时费力，效果又不太理想而逐渐被淘汰。因此，从 上面的分析可知，电桥法不适用于电缆高阻故障的测距： ( 2 ) 当低压电力电缆发生三相短路、三相短路接地时，不能用电桥法进行电缆的故 障测距。为了克服电桥法的缺点，我们在电桥平衡原理的基础上提出了一种全新的故障 测距方法一故障点直流电压补偿法。 故障点直流电压补偿法就是在测量故障点的距离时，利用数学计算的方法，补偿故 障点的电压，使故障点存在的电阻电压降不对测量结果构成影响的一种方法。 2 2 1 单相接地的故障测距原理 本装置采用的电压补偿测距法在测量单相接地短路时的测距原理图如图2 3 所示， 测量仪产生的直流电压，根据故障点电阻的大小，可调节测量仪输出的电压值，以 获得合适的回路电流。当r ，较大时，调大测试仪的输出电压，当r ，较小时，则调小测 量仪的输出电压。电阻r 可起辅助调节作用，在测试中调节r ，对测量结果不会造成 影响。在低阻故障时，可把r 调大，限制回路电流，而在高阻故障时，可调小r 电阻 值，增大回路电流。c 相和地之间的电压，包括电缆的线路压降和故障点的电阻压降， 即 u c = 玩t + u ，+ u 月 ( 2 1 ) 式中r 广电缆每千米的电阻值( q k m ) ， 】广测量端至故障点的距离， ( 一故障点的电压。 由于b 相无电流，即i b _ o ，故b 点电位等于d 点电位，因此 矾，= u ( 2 2 ) 把u b c 送到据采集系统，经a d 转换后送给c p u 进行计算，用按键输入线路型号， 或直接输入每千米电阻大小的参数r 。，由相应的程序，就计算出故障距离 1 5 三，：u c b 玑 故障的距离直接显示在显示屏上。 2 2 2 两相短路故障测距原理 两相短路的测距电路如图2 4 所示 ( 2 - 3 ) ig 0 f i g u r e2 - 4t w o - p h a s es h o r t - c i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ef a u l tl o c a t i o n 图2 - 4 两相短路的故障测距原理图 设t 3 、c 两相短路，在测试电缆的另一端把b 相与a 相短接，然后在测试端的b c 两 相间加上由测量仪产生的直流电压，根据故障点电阻的大小，可调节测量仪输出的 电压值。电缆b 、c 相间电压，包括电缆的压降和故障点的电阻压降，即 u s c = x r o z ，+ u ，+ 吼l ，= i r d ：，+ u d c ( 2 4 ) 由于a 相无电流，i = 0 ，故u 。= u ，因此 饥l ，= u 掰一u c = u 蹦 ( 2 5 ) 由于采用了故障点电压补偿，因此，u 心反应的是故障段电缆的电压降，可通过 调节r ，使u 。为一合适的值，这样就可把u 柚送到测距的单片机，线路参数r 。通过键输 入，由相应的程序，就计算出故障距离 三。：堕( 2 - 6 ) “ 矾 1 6 2 2 3 两相接地短路的故障测距 架空线路发生两相接地短路的概率比电缆线路大，两相接地短路的故障测距方 法与单相接地故障测距法相似，假设发生了b 、c 两相接地短路，测量原理接线图如 图2 5 所示。将对端的任一短路相( c 相) 和正常相( a 相) 用导线相连，在待测相与 f i g u r e2 5t w o - p h a s ee a r t hs h o r t - c i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a mo ff a u l tl o c a t i o n 图2 - 5 两相接地短路的故障测距原理图 地之间施加测量电压，同理可知： = 吼t + u ，- i - u r ( 2 7 ) 而i a = 0 ，故a 点电位等于d 点电位，因此有 吼l ，= ( 2 8 ) 这样故障点的距离便可测量为： 驴等 浯9 ， 也可以采用在两接地短路相之间加测量电压的接线方式，这时，电源正极所接 的相为待测相。如果两个接地点不在同一地点，当测完一相之后，再调换正、负极 接线，测出另一接地相的故障距离。 2 2 4 三相短路的故障测距 三相短路的测距电路如图2 6 所示，与两相短路时的测距方法相似，可选择任何 两相来测量，例如，当选择a b 两相测距时，在线路的另一端把b 相与a 相短接，在测 1 7 试端的b c 两相间加上由测量仪产生的直流电压u b c ， 的电压u d 。 u p = + u m 同理，通过a 相测量得到故障点 ( 2 - 1 0 ) f i g u r e2 - 6t h r e e p h a s es h o r t - c i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ef a u l tl o c a t i o n 图2 - 6 三相短路的故障测距原理图 = + 【，胞+ = i t o t + u + = i r o z , j + ( 2 一l1 ) 由于a 相无电流，i a - o ，故u a c = u o c ，因此 矾l ，= u b c u c = u b a ( 2 1 2 ) 由于采用了故障点电压补偿，因此， u b a 反应的是测量端至故障点的电压降， 可通过调节r ，使u a b 为一合适的值，这样就可把u a a 送到据采集系统，经a d 转换后 送给c p u 进行计算，用按键输入线路参数r 。，由相应的程序，就计算出故障距离 ，：堕 ( 2 1 3 ) “ 饥 2 2 5 单相断线接地时的故障测距 如果发生的是单相断线且断线点两端均接地，如图2 7 所示，线路长度仍为l ， 断线点至首端距离为l x ，假设接地点的接地电阻与断线点至测量端的土壤电阻之和 为r 。，那么可以通过两次测量，来达到测量故障点的目的。 1 8 u u ( a ) ( b ) ( c ) f i g u r e2 - 7s i n g l e p h a s eb r e a kg r o u n d i n gm e a s u r e m e n ts c h e m a t i cd i a g r a m 图2 - 7 单相断线且接地时测量示意图 第一次测量以断线相和地构成回路测量，如图2 - 7 ( b ) ，测量得到的电阻为： r l = r j + r ，= 鼻+ r ( 2 1 4 ) 第二次测量时，将正常相与断线相的另一端用导线相连接，与地构成测量回路， 如图2 7 ( c ) ，假如测量得到的电阻为： 1 9 r 2 = 2 r l r + 足= r o ( 2 l 一三) + r ， 由式2 一1 4 得 r r = r l 一三x 把上式代入式2 1 5 0 0 ，经整理，得： 。= 三一1 r 2 - - r 1 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) 通过测量r l 和r 2 ，便可根据上式求出故障点距离。这种方法只适用于单相断线 且断线点两端均接地的情况，如断线时有一端接地而另一端不接地，或两端接地时 的接地电阻不相等，均不能采用这种方法来测量，因而这种测量方法有一定的局限 性。 2 2 6 直流电压补偿法故障测距的误差分析 理论上分析，直流电压补偿法故障测距产生误差的原因，主要有下列几种： ( 1 ) 故障点电阻太大，测距电流过小，故障线路上的压降过小，使测距造成误差。 ( 2 ) 故障点太近，线路电阻太小，故障线路上的压降过小，使测距造成误差。 ( 3 ) 线路上存在感应的交流电，使测距造成误差。 ( 4 ) 测量时，环境温度不等于2 5 0 c 而造成的误差。 ( 5 ) 测量时，元件参数变化造成误