（电力系统及其自动化专业论文）配电线路单相接地故障行波定位技术的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 电力系统中的线路故障，严重影响系统运行的安全性、稳定性和供电可靠性， 同时也给电力生产运行部门及用户造成经济损失。而迄今为止，尚没有一种行之有 效的配电网故障定位方法。本文通过对现有故障定位方法的研究，提出一种适合配 电线路的，在系统发生单相接地故障时，能快速、准确进行故障定位的方法一一c 型行波定位方法，并利用a t p 软件进行仿真分析，验证了该方法的理论可行性。通 过物理实验，检验所提出方法的应用效果并发现影响行波定位的因素，进而提出针 对性的解决办法。 论文提出的c 型行波故障定位方法，不受故障瞬间电压幅值的限制，并能够有 效克服接地电阻的影响，具有实用性前景，已在实验室条件下得至4 实验验证。 关键词：配电线路，单相接地故障，c 型行波，故障定位 a b s t r a c t t h ef a u l to fp o w e rl i n es e r i o u s l ya f f e c t st h es a f e t y , s t a b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h e p o w e rs y s t e m a tt h es a l n et i m e ，t h ep o w e rc o r p o r a t i o n sa n dt h ec o n s u m e r ss u f f e rl a r g e e c o n o m i cl o s s a n ds of a r - t h e r ei sn o tak i n do fe f f e c t i v ef a u l tl o e a t i o i lm e t h o df o r d i s t r i b u t i o nl i n e t h i sp a p e rp r o p o s e saf a u l tl o c a t i o nm e t h o dt od i s t r i b u t i o nl i n e c t r a v e l i n gw a v ef a u l tl o c a t i o nb yr e s e a r c h i n gv a r i o u sm e t h o d so ff a u l tl o c a t i o n i tc a n f a s ta n da c c u r a t e l yf a u l tl o c a t i o nw h e ns y s t e mo c c u rs i n g l e p h a s eg r o u n d e df a u l t a n a l y s e st h ee m u l a t i o no fv a r i o u ss i n g l e - p h a s eg r o u n d e df a u l t sb yu s i n ga t ps o f t w a r e a n dv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d i n s p e c t st h ea p p l i c a t i o ne f f e c t so ft h em e t h o d t h r o u g hp h y s i c a le x p e r i m e n ta n dd i s c o v e r i e st h ef a c t o r st h a ta f f e c tt r a v e l i n gw a v ef a u l t l o c a t i o n ，a n dt h e np r o p o s e st h ec o r r e s p o n d i n gs o l v i n gm e t h o d f a u l tl o c a t i o nw i t ht h em e t h o dt h a tt h i sp a p e rp u t sf o r w a r di si r r e l e v a n tt ot h el i m i t s o f t h ev o l t a g ea m p l i t u d ei nt i m eo f t h ef a u l t ，a n dc a ne f f e c t i v e l yo v e r c o m et h ei m p a c to f t h eg r o u n d e dr e s i s t a n c e ，h a v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t a n dh a v eg o t t e nv e r i f i c a t i o nu n d e r p l a y s i c a le x p e r i m e n t s x i ac h a n g g e n ( e l e c t r i cp o w e ra n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f y a n gy i h a n k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nl i n e ，s i n g l e p h a s eg r o u n d e df a u l t ，c t r a v e l i n gw a v e ，f a u l t l o c a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电线路单相接地故障行波定位技术 的研究，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 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1 触一 名 期 签 ， 者作 日 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究的背景和现状 第一章绪论 电力系统中性点接地方式可划分为两大类：大电流接地方式和小电流接地方 式。在大电流接地方式中，主要有中性点直接接地方式、中性点经低电阻、低电抗 接地方式；在小电流接地方式中，主要有中性点经消弧线圈接地方式、中性点不接 地方式和中性点经高电阻接地方式。我国配电网中，6 6 k v 及以下都属于小电流接地 系统。 小电流接地系统的故障绝大多数是单相对地短路故障。小电流接地系统在发生 单相对地短路故障时，由于大地与中性点之间没有直接电气连接或串接了电抗器， 因此短路电流很小，保护装置不需要立刻动作跳闸，从而提高了系统运行的可靠性。 尤其在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧恢复绝缘，不需要运行人员采取什么 措施，这对于减少用户短时停电次数具有积极意义但是随之而来的问题是：如果故 障是永久性的，系统仅仅允许在故障情况下继续运行1 2 个小时，此时运行人员 必须尽快查明短路线路和短路点，以便采取相应对策解除故障，恢复系统正常运行。 这就提出了小电流接地系统的单相接地故障选线和故障定位问题。 作为选线技术的发源地，我们课题组在从2 0 0 0 年开始，在杨以涵老师的带领 下，得到了自然科学基金的支持，并与辽宁丹东电力公司合作，开始了第二轮选 线研究。使用了群体比幅比相、连续选线、有效域、多种判据融合等方法。目前选 线技术取得了突破性进展，如今选线成功率通过实测统计达到了1 0 0 ，选线效果 无疑是国内领先。这一成绩的取得，证明了现有选线判据的正确性和实用性。 在选线取得如此重大成绩的同时，而中性点非有效接地系统中的线路单相接地 故障定位是一个长期以来人们致力于解决但至今尚没有很好解决的难题。当前配电 线路故障定位方法是在确定接地线路后，由人工沿线路寻找故障点。以前配电系统 线路较短，结构也简单，虽然工作量较大，但还是可以接受的。随着配电网网架地 加强，线路增长，分支线路也增多，线路变得复杂，用传统的巡线方法找出具体故 障点的位置非常困难，少则几小时，甚至数十小时，不仅耗费了大量人力物力，而 且延长了停电时间，影响供电可靠性。尤其是在气候严寒冬季或雨雪天气、路况艰 难，现有找故障点的方法劳动强度非常大，难以适应当前生产的需求。因此开展配 电线路故障定位技术的研究具有重大意义。 根据电力系统中性点接地方式的不同，电力线路可分为高压输电线路和中低压 供配电线路。高压输电线路输电距离长，输送功率大，线路故障直接影响系统的安 全性和可靠性，在线路故障后迅速准确地找到故障点，及时排除故障，对系统的安 全稳定和可靠运行都有重要意义。所以，多年来人们尤其重视对高压输电线路故障 华北电力大学硕士学位论文 定位问题的研究，在这方面的研究也取得了很大成就【】。现场运行的各种故障定 位装置的测距结果达到很高的精度。 中压供配电线路分布范围广，每条线路较短、供电区域小，与输电线路故障相 比，一条线路停电影响的范围也较小，对系统的安全性不会造成重大影响。一直没 有受到足够的重视，线路发生故障后，基本上人工沿线寻找故障点。但是线路故障 会造成对用户的供电中断，快速的故障定位将使用户的停电时间大大缩短，减小停 电造成的损失。所以更有效的故障定位方法、供电恢复方法以及高质量的用户服务 是供电部门未来的工作目标。 1 2 现行方案及存在问题 当前，国内配电线路故障的检测方法是在确定接地线路后，再由人工沿线路寻 找故障点。在与配网自动化相结合进行单相接地故障定位的方法中，中性点非有效 接地系统定位方法的实现是依靠自动装置：在线路上安装有自动分段开关时，利用 线路出口的断路器和线路中间分段器的相互配合，确定故障区段并将故障区段隔 离，确定的最小故障范围是由两个相邻开关组成的区段。但是这种方法只能确定区 段，不能做到精确定位。山东工业大学研究的“s 注入法”m5 1 ，它是将单相接地 线路检测与接地点的定位结合起来的方法。“s 注入法”是在发生单相接地后，向 系统注入特定频率的信号，通过对该信号的检测来确定接地线路和接地点，系统母 线的每一条出线处安装一个带编码的探测器，根据探测器的信号来确定接地线路； 然后根据阻抗法计算故障距离或由人工携带定位探测器沿线查找故障点。该方法的 特点是无须增加一次设备，信号发生设备与一次强电系统之间通过t v 电磁耦合， 将信号注入故障系统，与一次系统没有赢接电的联系，不必考虑绝缘问题；通过t v 注入的信号强度基本不受接地点过渡电阻的影响，从而使故障检测的准确性也基本 不受接地点过渡电阻的影响。该方法是一种比较有效的单相接地故障定位方法，但 是也比较复杂。 为了找出适用于配电线路接地故障定位的方法，有必要对已知的高压输电线路 故障定位方法进行分析。 国内高压输电线路故障定位通常主要有阻抗法和行波法 6 q j 。阻抗法是根据故 障时测量到的电压、电流来计算故障回路的阻抗，根据线路长度与阻抗成正比的关 系来估算故障距离。行波定位法是根据波在传输线路上波阻抗不连续节点的反射特 性来确定故障点的距离。行波法又可以分单端和双端两种，单端行波法根据波的传 输理论，在波速已知的情况下，利用故障产生的初始行波和故障点反射波到达检测 点的时间差来计算故障点的位置；双端行波法是在线路双端检测故障产生的初始行 波，利用行波到达双端的时间差和波速通过计算来得到故障距离。 华北电力大学硕士学位论文 阻抗法是根据故障时测量到的电压、电流等电气量来计算故障点的距离，是输 电线路广泛采用的定位方法。而配电线路参数受外界影响大，不易获得准确值，因 此“阻抗法”很难应用于配电线路故障定位。 由于配电线路一般较短且带有多个终端，如果在每条线路终端都装设一套故障 定位装置，投资太大。所以单端行波定位法( a 型) 和双端行波定位法( b 型) 也不能用 于配电线路的故障定位。 1 3 解决问题的方法 实际的行波定位方法有两类，一类是利用故障产生的行波进行双端或单端故障 定位。一类是人工向故障系统注入脉冲信号，捕捉由故障点反射回来的行波，找到 故障点反射回来的行波，从而找到故障点。利用故障产生的行波进行单端故障定位 的方法称为a 型行波定位方法，利用故障产生的行波进行双端故障定位的方法称为 b 型行波定位方法，人工注入脉冲信号的方法称为c 型行波定位方法。 6 6 k v 和3 5 k v 配电线路都没有分支，与输电线路非常相似，因此对于该类配电 线路的接地故障定位可以参照输电线路故障定位方法。阻抗法及a 、b 型行波定位 都可以作为该类线路故障定位的方法。 l o k v 线路通常都有大量分支，确定故障分支是一个公认的难点【9 1 。对于此类线 路我们提出了c 型行波故障定位的方法，该方法不利用故障发生时产生的行波信号， 而是在故障后，由人工向故障线路发射脉冲信号，然后通过检测反射行波进行故障 定位。在找出故障点距离后，可根据线路结构进一步确定故障分支线路。 c 型行波是离线测距，该方法不受信号故障时刻行波信号强弱的影响，在进行 故障测距时可以重复的判断。对于某些因素( 如其它大的干扰) 某次接收到的信 号不能清楚分析出故障点位置，可以重新发一个行波信号再进行一次测距。 本文试图利用这种系统本身的结构特点和行波传播时在波阻抗不连续点发生 反射和透射的机理，在理论上对配电线路发生单相接地故障的定位问题进行分析研 究，并通过物理试验进行验证。 1 4 论文的主要工作 本文的主要研究工作分为以下几个部分： 第一部分( 第二章) 主要对行波的特性，分析了行波在传输线路中的波动过程、 传输特性以及行波传输过程中在波阻抗不连续点发生反射、折射的原理。并介绍了 几种利用行波进行故障定位的方法。针对配电线路提出c 型行波故障定位的方法。 第二部分( 第三章) 主要针对c 型行波故障定位方法，对各种单相接地故障进行 华北电力大学硕士学位论文 了仿真分析。介绍了电磁暂态仿真软件a t p ，并利用a t p 仿真软件建立了各种单相 接地故障的仿真模型。分析了仿真得到的图形和数据，验证了c 型行波定位理论的 可行性。 第三部分( 第四章) 主要介绍了c 型行波定位的硬件的设计和实现过程。硬件部 分包括信号源的设计和高速数据采集装置。介绍了低压冲击信号源( 幅值较低，持续 时间很短，一般几百纳秒) 和低压脉冲信号源( 幅值较低，持续时间很长，可根据需 要设计合适的脉宽) 的设计。并通过一简单线路，检验低压冲击信号源、低压脉冲 信号源以及高压冲击信号源对故障定位的影响，通过比较得出适合c 型行波定位的 信号发生器。 高速数据采集卡采用四川中科动态仪器有限公司的p c i 4 7 1 2 数据采集卡，其最 高采样率达到4 0 m h z ，满足行波定位的要求。 第四部分( 第五章) 主要介绍了物理模型试验和软件设计。物理模型是一简单带 分支的单相绝缘线路，低压冲击信号发生器在始端对线路注入脉冲电压信号，采集 线路在不同状态下的反射波形，对试验数据进行了分析，得到测距结果，从而验证 了c 型行波定位的可行性。并简要介绍了c 型行波定位的软件流程及实现。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章行波定位原理及定位方法 本章分析了行波在传输线路中的波动过程、传输特性以及行波传输过程中在 波阻抗不连续点发生反射、折射的原理。最后介绍了几种利用行波进行故障定位 的方法，并对各种定位方法进行比较。对于分支较多的配电线路提出了采用c 型 行波故障定位的方法。 2 1 传输线的波过程 一一一一一一一一王二一一一一一一一 豳2 1 单相均匀传输线分布参数电路 图2 1 中a b 是一条单相均匀无损线路，在f 点对地有一直流电源，芷为开关。 下面部分是其分布参数等值电路。c 。一c ，表示单位长度线路对地分布电容，厶一上 表示单位长度导线电感。 当开关芷闭合时，电源u 首先对c 0 充电使c 。上的电压为u ，c 0 带电后在其周 围建立起电场，电荷在电场的作用下向两边运动，同时电感中将有电流流过，在导 体周围建立磁场。经一定时间后c l 、c ，上的电压为u ，而厶、厶上则流过电流为，。 电容c 2 、c 上的电压则需要更长的时间才能出现，在c 2 、c 。充电过程中：、。上 流过电流为，。所以u 是以一定速度向+ x 和一x 方向运动的，即电场是以一定速度 运动的。当电压v 以一定速度运动时，对应的电流，也以一定的速度运动，即存在 以一定速度运动的磁场。 当u ，运动到某一点时，该点获得电压u 、电流，及一定的电磁场。这个运 动着的u 和，称为电压行波和电流行波，行波沿无损导线的传播过程就是平面电磁 华北电力大学硕士学位论文 场的传播过程，对架空线路来说周围介质是空气，电磁场的传播速度接近光速【l l 】， 故电压行波和电流行波在架空线路中都以接近光速向前传播。 2 2 行波的波动方程 线路的电阻、电感、电导和电容是沿线路均匀分布的，这种传输线就称均匀传 输线。现有一均匀传输线，假设每单位长度导线的电感及电阻为l o 和r o ：每单位长 度导线对地的电容及电导为c o 和g 。，则长度为出线段的参数应为l o d x 、r o d x 、c o d x 和g 。d x ，线路的等值电路如图2 2 所示： 图2 2 线路分布参数的等值电路中某一段 图2 2 为线路分布参数等值电路的某一段，图中电压“和电流f 均为距离x 和时 间t 的函数。从等值电路可以列出下面方程： 牡一国+ 罢，出，= 一尝疵= r o 出r + 。出鲁 h a id x 户 耠即蚴+ 孙出字c x u + - 嘉d x ) p 。， 略去上式中的二阶无穷小( 出) 2 项并整理后得： ( 2 2 ) 为了简化分析，我们将以无损耗的单导线路为例。略去9 0 和后可以将上式改 导得到电压和电流对应的波动方程： 6 ( 2 3 ) ，f、l 苦专 州 舭 = i i 鼬一缸西一缸 一 一 r，l 拼一=8抛一甜淌 o 。阿 可 二 如一&钟一缸j量如&钟缸；喜厂，l上 ： 剐 为写 华北电力大学硕士学位论文 i 一丽刮o c o 萨 1 一冀：娶(2-4)ioc0v- l 一萨。矿 上式的通解为： f ”( x ，。= o 一詈) + o ( f + 詈) 1i ( x , t ) = _ o 一言) 一c a t + - x v ) l z 。( 2 - 5 ) 其中，v = ；为行波沿线路的传播速度，对于无损线路，v 等于光速。 4 l o c o z c2 ，0 c 0 为线路波阻抗。v q ( t - 詈) 代表沿工轴正方向运动的电压行波，v q ( t + 季) 代 表沿x 轴负方向运动的电压行波，设观察点x = 0 ，那么通解可以写成： f “o ) = ( 卜兰) + o + 兰) ： ii ( t ) = r qc t 一兰) 一o + 兰) 】z 。( 2 6 ) 上式表明v 实际上是个速度，对固定的电压值“而言，它在导线上的坐标是以 速度v 向x 正方向移动的，因此”。0 一) 代表一个以速度v 向x 正方向行进的电压波。 同样，可以说明“，( f 一匀代表一个以速度v 向x 负方向行进的波，通常称u 。为前行 电压波，u y 为反行电压波。同理，i q 为前行电流波，为反行电流波。 显然式中乏具有阻抗性质，其单位应为欧姆，通常称z 。为波阻抗，其取值取决 于单位长度线路的电感? 0 和电容c 。，而与线路所带负荷、线路运行状态没有关系。 波阻抗与线路长度无关，并无单位长度的含义。行波电流等于行波电压除以波阻抗。 斤一 波阻抗z 。= 、f 卫。通常普通架空线路的波阻抗3 v 约是4 0 0 5 0 0 q 1 。从上式可知， vo o 电压行波与电流行波的比值为波阻抗，波阻抗为一定值，故电压行波与电流行波的 波形相同。同时从上式我们还可以得到一个结论：前行电压波u 。与前行电流波l 极 性相同，反行电压波u ，与反行电流波，极性相反。 当行波在无损导线上传播时，在行波到达处的导线周围空间就建立了电场和磁 场，当线路上有一个行波例如前行波，行波电流的大小只与加入电压u 和波阻抗z ， 有关。当线路上有一个电压行波u 。时，单位长度导线获得的电场能量和磁场能量分 别为圭气；和圭，o 弓。由于= 鲁故i 1 甜；= j l f 0 写，即单位长度导线获得的电场 能与磁场能相等。单位长度导线获得的总能量为i 1 铴2 + i | z 。k - 2 = c o “；= f o ，因为波 的传播速度为v ，故单位时间内导线获得的能量为y c 。“；= v f o 毒= “；z = f ；z 。 从以上分析我们可以知道，从功率的观点来看，波阻抗z 。与一数值相等的集中 华北电力大学硕士学位论文 参数电阻相当，但在物理含义上是不同的，电阻要消耗能量，而波阻抗并不消耗能 量，当行波幅值一定时，波阻抗决定了单位时间内导线获得的电磁能量的大小。 2 3 行波的折射与反射过程 线路上任何扰动，例如短路，其电气量均以行波的形式向系统的其它部分传播， 经过多次的反射、折射和衰减，进入新的稳态。两个稳定状态之间是信号的暂态过 程，这个过程是行波运动过程1 1 2 1 。 2 3 1 行波在波阻抗不连续结点上的折射与反射过程 通常线路都是一段一段连接而成的，有时相邻两段导线的波阻抗会不相同，行 波在线路上传播过程中在波阻抗不连续处会产生全部或部分反射1 3 ，图2 3 是行波 在两个波阻抗不相同的导线连接处产生的折射和反射。 图2 3 行波在波阻抗不连续结点的折返射过程 在图2 3 中，a 为两段波阻抗不同导线的连接点，左侧导线波阻抗为毛，右侧 导线波阻抗为z ，u ，。为入射波，u ，为反射波，甜：。为越过波阻抗不连续点的透射波。 现将波阻抗为z 、的线路合闸于直流电源u ，合闸后沿线路互有与电源电压相同的 前行电压波砘。自电源向结点a 传播，到达结点a 遇到波阻抗为z ，的线路，在结点 a 前后都必须遵守单位长度导线的电场能量与磁场能量相等的规律，但线路毛与z ， 的单位长度电感与对地电容都不相同，因此u ，。到达a 点处要发生行波的折射与反 射，反射电压屿，自结点a 沿线路z ，返回传播，折射电压波则自结点a 沿线路z ：继 续向前传播。此时折射电压波也就是线路z ，上的前行电压波，以“：。表示。通过下面 分析，可以求得反射电压波“，和折射电压波u ，。 我们假设折射电压波u ：。尚未到达线路乙的末端，即线路z ：上尚未出现反行电压 波。于是对于线路互有： 2 “】口+ u l f f t2 i k + i 。l l = z l k u l f2 - z 1 l l f 8 ( 2 - 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 对于线路z 2 ，因z ：上的反行电压波 2 ，= 0 ，故 r甜2 = “2 q 之z 2 = z 2 口 l “2 9 = z 2 2 q 在结点处只能有一个电压和电流值，故 j “l = 甜2 l l = 2 于是有： r ，“崎+ i f 2 u 2 9 i z l q + z i f2 f 2 q 堕一堑：堕 l 毛2 1 z ： b 旷= 争 。2 相加得：2 u = ( 1 + 争) “：。，故： ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) r “2 92 = 。：。专“1 9 5 = 6 ”甜l 目 h = 等= 去= 袅_ 。训岫 p m 将“：。代入可得： p 一：- “旷一焘“旷磊2 蚋， h 一等一者南3 蔫铲雕a 式中a 。表示线路z 2 上的折射电压波“2 。与入射电压波的比值，称为电压折射 系数，口，称为电流折射系数。p 。表示线路气上的反射电压波“。，与“，。的比值，称为 电压反射系数，称为电流反射系数。 折射系数的值永远都是正的，这说明折射电压波总是和入射电压波是同极性 的，当2 2 = 0 时，口。= 0 ：当z 2 寸o o 时，口。呻2 ，因此0 口。2 。反射系数可正可 负，当z 2 = 0 时，卢。= - 1 ，当= 2 斗o o 时，。寸1 因此一1 卢。l 。同理可知，0 口，2 ： 一1 ，1 。折射系数1 2 与反射系数满足下列关系口= l + 卢。 当线路出现断线，或行波运动到线路的开路终端时，阻抗不连续处的等效电阻 为：一o o 。由于z c 远小于z ：，可以忽略z 。的作用，这时，电压反射系数。= 1 ，表 明开路发生了全反射，电压反射波与入射波同极性。实际的开路点电压是入射电压 与反射电压之和，出现了电压加倍的现象。开路点的电流反射系数为1 ，反射电流 与入射电流大小相等，方向相反，实际的开路点电流是二者之和，因此为零。开路 9 华北电力大学硕士学位论文 点的电流为零，电压加倍，说明行波到达开路点后，由电流携带的磁场能量全部转 化成了由线路电压代表的电场能量。 当线路中出现短路时，z ：= 0 ，这时的电压反射系数。= 一1 。短路点反射电压与 入射电压大小相等，方向相反，合成电压为0 。短路点的电流反射系数为+ l ，反射 电流与入射电流相等，出现了电流加倍的现象。短路点电压为零，电流加倍，说明 行波到达短路点后，电场能量全都转化成了磁场能量。 2 3 2 经阻抗接地时的反射与透射 j 笃 乡 三。气可匕zzz a 毛 图2 4 经阻抗接地时的反射与折射 图2 4 中线路波阻抗为五，在a 点发生接地故障，接地电阻为r ，此时一部分 行波会向a 点的另一侧和故障点透射，一部分行波能量消耗在电阻中，还有一部分 行波自a 点沿着线路返回。此时故障点的波阻抗可以看作是电阻是r 和波阻抗五并 联等值阻抗，其值为尝堕。 戌十z - 所以电压反射系数“2 i j 轰，电压折射系数吒。i 竿蠹，令量= r z 1 ，则 一， ，p 一12 世 。2 再瑟吒2 i 干磊。 电压行波在金属性接地点发生负的全反射，反射脉冲与发射脉冲的极性相反。 电压脉冲在断线点产生正的全反射，反射脉冲与发射脉冲的极性相同。当故障点经 电阻接地时，电压脉冲发生的是部分反射，电压反射系数跟接地电阻关系曲线如图 2 5 所示。 图2 5电压反射系数与接地电阻关系圈 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 4 现有的行波定位方法 利用行波进行故障定位有速度快，精度高的优点。具体可分为a 、b 、c 、d 四 种定位方法。利用故障产生的行波进行单端故障定位的方法称为a 型行波定位方法； 利用故障产生的行波进行双端故障定位的方法称为b 型行波定位方法；人工注入脉 冲信号的方法称为c 型行波定位方法；利用线路故障切除后开关重合闸时，向线路 注入了一个合闸电流脉冲称为d 型行波定位。 2 4 1 a 型行波定位 a 型行波定位方法是利用故障产生的行波进行单端定位的方法。在线路发生故 障时，故障点产生的电流( 电压) 行波在故障点与母线之间来回反射，根据行波在 测量点与故障点之间往返一次的时间和行波的波速来确定故障点的距离。下面以金 属性接地为例，说明a 型行波定位的原理。 m n 图2 6 a 型行波测距示意图 图2 6 中，设在t = 0 时刻线路上f 点发生金属性接地故障，故障点的电压行波“， 以波速v 向两侧传播，行波在 时刻到达检测端母线m ，即在检测端m 观测到的电 压“，延迟了t ，由于检测端母线为波阻抗变化点，因此在母线处出现了反射波，设 该点反射系数为足。则反射波k u ，由母线向故障点方向传播。当反射波到达故障 点时，由于该点为金属性短路，发生全反射，这时反射系数为1 ，入射波全部被反 射，并改变了极性，返回检测端m ，在t ，时刻到达m 点。设故障点到信号检测点m 的距离为，则故障点的计算公式为： 噩= 坚( 掣( 2 - 1 2 ) 如果不是金属性接地故障，接地点有过渡电阻，则在接地点还有一部分波透射 到接地点的另一侧，但仍有反射波回到检测点，由于能量的分散，使这时的反射波幅 值比金属性接地时要小。 2 4 2b 型定位定位 b 型定位原理利用故障点产生的行波到达线路两端的时间差来实现定位。设发 华北电力大学硕士学位论文 生故障后，电压行波到达线路两侧母线m 和n 的时间分别为t 。和r ：，波速为v ，则 故障点到母线m 的距离z ，由下式求出。 五= 掣 ( 2 1 3 ) 其中l 为母线m 、n 之间的线路长度。双端定位只利用行波第一波头到达线路 两端时刻进行定位计算，因而只需捕捉行波第一个波头，不用考虑行波的反射与折 射，而且行波幅值大，易于辨识，使得计算处理简单。但要求线路两端测量系统有 精确到微秒的同步时钟实现两端的时间同步。九十年代初，美国的全球卫星定位系 统( g p s ) 技术对全球商业化应用开放。g p s 是一种理想的时间同步技术，利用g p s 的同步时钟输出，能够实现两端定位装置精确到一微秒的时间同步。随着g p s 时钟 同步技术和数字光纤通信技术的发展在电力系统中的广泛应用，线路两端的数据交 换已成为可能。因此，目前国内外输电线路很多都采用基于g p s 系统的双端故障定 位方法【1 引。 2 4 3c 型行波定位 c 行波原理与a 行波原理一样，如图2 7 所示。 m n 图2 7 c 型行波定位示意图 与a 型行波不同的是它不利用故障时故障点产生的行波信号，而是在故障后， 人工向故障线路发射脉冲信号，然后检测发射脉冲信号的时刻 和来自故障点的反 射波到达检测点的时刻t ：。定位公式同2 - 1 2 。 2 4 4d 型行波定位 在线路电压过零点发生接地故障时，产生的行波信号很微弱难以识别，d 型行 波法可以弥补这种缺陷。d 型行波定位是利用线路故障切除后开关重合闸时，向线 路注入了一个合闸电流脉冲，如果线路发生的是永久性短路故障，则合闸脉冲会在 故障点被反射回来，利用检测合闸脉冲与反射脉冲的时间差可以测量故障距离，定 位公式同2 - 1 2 。如果线路是瞬时故障，则不会发生反射，线路恢复供电。 华北电力大学硕士学位论文 2 4 5 各种行波定位方法的特点 a 、b 、d 型行波定位都是在线定位，a 型行波定位装置简单，但行波在不断折 反射中衰减很大，有时不易区分反射波是来自故障点还是其它节点。b 型行波定位 只利用第一个波头，信号幅度大，容易识别，计算处理简单。但线路两端都需要检 测装置，且两端需要通讯联系和g p s 系统来实现时间同步，投资比较大。 由于故障发生时刻是随机的，它与故障原因，线路状况等因素有关，在电压接 近峰值时发生故障，能产生最强的暂态行波电压。但是如果在电压过零附近发生接 地故障，故障点产生的电压行波、电流行波突变量小，变化平缓，因此很难检测到 行波波头，此时a 、b 型行波定位都会失效。而d 型行波定位是对a 、b 行波定位 的一种补充。 c 型行波是离线定位，该方法不受信号故障时刻行波信号强弱的影响，在进行 故障定位时可以重复的判断。对于某些因素( 如其它大的干扰) 某一次接收到的信 号不能清楚分析出故障点位置，可以重新发一个行波信号再进行一次定位。此外它 不需要在各条线路装设高频采集装置，节约了装置投资。但该方法在高阻抗接地和 闪络性故障时，接地点反射信号很弱甚至不产生反射信号。此时需要高压脉冲发生 器产生高压脉冲信号击穿故障点绝缘，这对信号发生装置提出了更高的要求。 2 5 分支较多的配电线路提出了采用c 型行波方法 高压输电线路线路结构比较简单，且没有分支线路，利用行波方法进行故障定 位时，只要找到来自故障点的反射波，就能够确定故障位景。对于中压配电系统中 带分支的线路，由于故障点的反射波混杂在由线路的分支节点和许多端点造成的众 多反射信号中，很难识别出来自故障点的反射信号，所以，有必要对带分支线路的 具体结构进行分析，根据线路的结构特点来找到故障点。 配电系统的特点在于发生瞬时接地时能够自动熄弧，不需要进行故障定位，发 生永久性接地故障后先将线路断开，然后寻找故障点，因此我们提出采用c 型行波 故障定位的方法。它是在故障后，人工向故障线路注入脉冲信号，信号的种类和强 度根据需要来确定，从而解决了在线定位中行波信号弱的难题。 利用c 型行波定位时，行波在线路分支点和经电阻接地点波阻抗都减小，发生 的是部分负反射，因而很难区分是故障点还是分支点反射的波形。为区分故障点和 分支点，通常采用将故障行波与正常行波比较的方法。先从正常相线路始端注入一 个脉冲信号，并以线路始端作为测量点检测线路波阻抗不连续节点的反射行波。在 三相线路对称的前提下，该反射行波就是故障相线路正常情况下的反射行波。再从 故障相始端注入同样的电压脉冲，在始端检测反射行波。行波在故障点之前的节点 1 3 华北电力大学硕士学位论文 处发生的反射过程与正常情况下一致，而在故障点处将发生异于正常情况的反射。 因此比较正常情况和故障情况的反射波，第一个波形畸变点必然是故障点的反射波 形成的”】。找出故障点的距离后再根据线路的结构进一步确定故障分支线路。 2 6 小结 本章首先介绍了行波在传输线路上的传播和折反射机理。线路故障时，故障点 的电压、电流均以行波的形式向系统的其它部分传播，如果遇到阻抗不连续点，行 波就会发生反射和折射。线路上的故障点、线路与母线连接点、线路分支点等处都 是阻抗不连续点。 其次比较了a 、b 、c 、d 四种行波定位的方法以及各自的特点。并针对配电线 路分支线路多的特点，提出了采用c 型行波故障定位的方法。为更清楚地区分故障 点和分支点的反射波形，采用将故障行波与正常行波比较的方法来进行故障定位。 华北电力大学硕士学位论文 第三章仿真分析 为了验证行c 型波定位法的可行性，本章通过a t p 仿真软件对各种单相接地故 障都建立了仿真模型，得到仿真数据和图形，并分析了仿真结果。提出了用线路隔 离信号源来检测故障反射波。对于带分支线路不易直接得出结论的情况，利用 m a t l a b 对仿真中得到的仿真数据进行分析计算。对于有白噪声干扰情况，提出用 “序贯法”来消除噪声。测试了配电变压器的分布电容值，在此基础上建立了仿真 模型，通过仿真弄清了配变的反射波会对定位造成干扰，但对定位影响不大。从仿 真中验证了c 型行波定位理论的可行性。 3 1 a t p 仿真软件介绍 a t p ( t h ea l t e r n a t i v et r a n s i e n t sp r o g r a m ) 是e m t p 的免费独立版本，是目前 世界上电磁暂态分析程序最广泛使用的一个版本【1 6 】，它可以模拟复杂网络和任意结 构的控制系统，数学模型广泛，除用于暂态计算，还有许多其它重要的特性。目前， a t p e m t p 的数学模型包括如下几种： 集总参数电阻r 、电感l 和电容c ； 多相p i 等值电路； 多相分布参数输电线路； 非线性电阻，这里v i 特性曲线是单值的； 非线性电感器，既可模拟常规的单值特性曲线，也可包括剩磁和磁滞； 时变电阻； 开关，用来模拟断路器、火花间隙及其它网络联接的改变，二极管和晶闸 管也包括在内； 电压和电流源，除了标准的数学函数波形外，用户还可用f o r t r a n 或t a c s 来定义波形： 动态旋转电机，除了模拟最常用的三相同步电机外，还可模拟单相、二相和 三相感应电机和直流电机。它与t a c s 控制系统模型相联接，从而可模拟电压调节 器和调速器等的动态特性。 控制系统可以用t a c s ( t r a a s i e n t a n a l y s i so f c o n t r o ls y s t e m s ) 来实现，允许不 同种类的非线性和逻辑运算。控制系统的输入和输出可以和e m t p 的电网络相接口。 3 2c 型行波障定位方法数字仿真 利用a t p 仿真软件的分布参数输电线路模块和电源模块，对各种单相接地故障 都建立了仿真模型。建立模型的原则是既能真实地反映行波运动的实际过程，又能 华北电力大学硕士学位论文 通过合理地设置测点来检测行波的运动特征。各种仿真模型都是以简单的单相线路 为例。 3 2 1 仿真信号的检测 本文提出的c 行波定位主要是针对1 0 k v 的配电系统，所以仿真中在线路始端 注入脉冲信号源的峰值取1 0 k v ，脉冲宽度是3 1 0 6 秒。信号源波形如图3 1 ( 左) 所示 图3 1注入信号源波形 通常注入信号和检测信号都在线路的始端，按照这个原则建立的仿真模型如图 3 2 所示。 薏筘毡巴岖四吨四m 蛐 图3 2 仿真模型 图3 2 中设置线路的总长度为2 0 k m ，检测装置右边线路每段长度为4 k i n 。c 型 行波定位是离线注入信号，仿真模型中电源是一个脉冲信号源，其发出的信号是一 高压脉冲信号。由于线路较短，仿真时间设置为0 5 m s ，仿真步长设置为1 1 0 s ， 波阻抗设置为5 0 0 欧。运行后在始端检测到的波形如图3 3 所示。 圈3 3直接测量时无反射波 由图3 3 可以看出，如果将电压检测装置直接与电源相连，电压检测装置测量 到的信号只是电源电压，不能反映电压行波反射后的信号叠加过程。为了能看出行 波的叠加过程，我们在电源端与检测装置之间加一长度为3 0 0 米的线路，用来隔离 电源电压与反射电压。模型如图3 4 所示。 6 华北电力大学硕士学位论文 图3 4 有隔离线路时c 型行波仿真模型 3 2 2 线路末端开路与金属性接地仿真 利用c 型行波定位时，为得到故障点反射的特征波，我们提出将故障状态下的 反射波形与线路正常情况下的反射波形进行比较。 仿真时先在线路没有设置接地故障情况下，在始端注入一个高压脉冲信号，并 以线路始端作为测量点检测线路波阻抗不连续节点的反射行波，得到一组数据和波 形。然后在故障点设置接地故障，再从始端注入同样的电压脉冲，在始端检测反射 行波。行波在故障点之前的节点处发生的反射过程与正常情况下一致，而在故障点 处将发生异于正常情况的反射。因此比较正常情况和故障情况的反射波，第一个波 形畸变点必然是故障点的反射波形成的。所以仿真中都是将正常波形与故障波形进 行比较来分析故障点距离的。 u 3 0 0 米翮 - l 眨 吧妇迎哑h 里卜哩 堙9 母 图3 5 线路末端开路、直接接地仿真模型 图3 6 所示波形是线路末端开路和金属性接地情况下，始端检测到的电压波形。 一，末端开路厦射波 ，束由e 地后射城 o o0 10 2o , 3 0 a 【m 】0 5 0 00 10 2口3 0 4 【m s l o 5 垅路末端开路垅路束确垒纛接地 图3 6线路末端开路与金属性接地波形 图3 6 ( 左) 是线路末端开路时反射波形，在0 秒时刻信号源发出1 0 k v 的脉冲 电压，该电压行波沿着线路向末端传播，在0 6 7 m s 时刻到达线路末端。由于末端开 路，电压行波发生正的全反射并向始端传播，1 3 4 m s 时刻到达线路始端，当电压行 波穿过3 0 0 米的隔离线路后在电压信号源处发生负的全反射( 根据电路叠加原理， 电压源相当于短路，电流源相当于开路。当反射波返回时，电压信号源相当于直接 与地相连) ，所以在1 3 4 m s 后的很短时间内，电压行波由正极性过渡到负极性。该 负极性电压信号到达线路末端再次发生全反射后仍旧是负极性，以后不断重复上述 过程。 当线路末端接地时，行波在首次到达接地点前都是相同的。当电压行波到达接 地点时，此时发生的负的全反射，变成负极性电压信号向始端传播，到达电压源处 华北电力大学硕士学位论文 再次发生负反射，反射后得到正极性电压行波信号。图3 6 ( 右) 中反映是由负极性过 渡到正极性，而在末端开路情况下，则是由正变为负。这也是两个波形的差别所在。 3 2 3 线路中间金属性接地仿真 通常接地故障都不是在线路末端，当在线路中间发生金属性接地故障时，其仿 真模型如图3 7 所示。 u m 啊 - - 卜也，凿。也小也卦咂墨正日吨廿 图3 7 线路中间金属性接地仿真模型 配电线路长度都在十几公里到几十公里之间，故仿真中线路长度设置为2 0 k i n ， 故障点在1 2 k m 处。为了便于比较，把线路末端开路的情况下当作是线路正常运行 情况。仿真后得到波形如图3 8 所示。 陬v l 6 2 2 4 - 4 _ 52 - o n 啦障点反射i 图3 8 线路中间金属性接地的电压波形 图3 8 ( 左) 是末端开路时的电压波形，在此可以将其看作是线路正常运行状 况下的波形，图3 8 ( 右) 是在1 2 k m 处设置接地故障的电压波形，此时的反射波形 与线路末端接地时的反射波形非常相似，只是每次反射的时间缩短了。行波的传播 和反射过程完全一样，只是故障点和电源间的距离缩短了。右图与左图相比较，可 以看出故障点的反射波在0 0 8 1 m s 时到达检测点。根据c 型行波定位公式有： 。：! 韭2 二盟；! ! ! ! ：! 盟：! ! ! 二1 2 11 1 ：1 2 1 5i ( 1 t l 22 该结果与仿真设置的故障距离1 2 公里非常接近，误差为1 5 0 米，产生误差的 原因是由于电源和测量装置之间的一段隔离线路以及取数时做近似处理引起的。 3 2 4 电阻接地仿真 故障点经电阻接地时，接地电阻对行波的反射和折射影响很大，且随着电阻阻 值的不同，影响程度也有很大差异。其仿真模型如图3 9 所示。 图3 9 经电阻接地仿真模型 为了体现由于接地电阻阻值不同而带来的差异，仿真中分别设置了接地电阻为 1 8 华北电力大学硕士学位论文 1 0 0 0 欧和2 0 0 欧的情况，仿真后得到正常状态电压行波与故障状态电压行波如图