（电力系统及其自动化专业论文）客运专线电力电缆贯通线路故障定位研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第工i 页 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h eh i g h s p e e dr a i l w a yi nc h i n a ，t h es a f e t ya n d r e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l yf o rr a i l w a yb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i nt h i s p a p e r ，t h ef a u l tl o c a t i o nm e t h o d sa r es t u d i e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e r c a b l eo fp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n ec o n t i n u o u sl i n e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i e n tt r a v e l l i n gw a v ea r ea n a l y z e d ，b a s e do nt h e f e a t u r e so fz e r om o d ea n da e r i a lm o d ec o m p o n e n t s ，a n dt h ea e r i a lm o d e c o m p o n e n ti sc h o s e nt ol o c a t ef a u l t t h ee x i s t i n gp r o b l e m so fs i n g l e - t e r m i n a l l o c a t i o na n dt w o t e r m i n a lf a u l tl o c a t i o nw e r ea n a l y z e d a n d a c c o r d i n g t o c o m p a r i s o n o ft h e s et w om e t h o d s ，t h et w o t e r m i n a lf a u l tl o c a t i o nm e t h o di s c h o s e nf o rf a u l tl o c a t i o n b a s e do nt h et h e o r yo ft r a v e l l i n gw a v e sr e f r a c t i o na n d r e f l e c t i o n ，t h ec u r r e n tt r a v e l l i n gw a v ec a n tb ed e t e c t e d ，a n dt h ev o l t a g e t r a v e l l i n gw a v ec a nb ed e t e c t e dt w i c e ，s ot h ev o l t a g et r a v e l i n gi ss u i t a b l ef o rf a u l t l o c a t i o n t h ed e t e c t i o no ft r a v e l l i n gw a v e ss i n g u l a rp o i n t si ss o l v e db yu s i n gt h e t h e o r yo fw a v e l e tt r a n s f o r mm o d u l u sm a x i m a ，a n dt h e nt h et i m ed e m a r c a t i n go f t r a v e l l i n gw a v eo nm e a s u r i n gp o i n ti ss o l v e d a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so f p o w e rc a b l eu s e di np a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ( d p l ) a n dt h ef r e q u e n c yd i s p e r s i o n o ft r a v e l i n gw a v e ，a n db a s e do nt h ef r e q u e n c yc o r r e l a t i o no ft h el i n e s ，t h ef o r m u l a o ft r a v e l i n gw a v es p e e dc a nb ed e r i v e d w i t ht h i sm e t h o d ，t h ee r r o ro fw a v es p e e d i sd e c r e a s e db a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fc e n t e rf r e q u e n c ya n dw a v ev e l o c i t y a c c o r d i n g t ot h e d e s i g np a r a m e t e r s o fw u h a n g u a n g z h o u p a s s e n g e r d e d i c a t e dl i n e ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo fi t sp o w e rc a b l ei sb u i l tb ym a t l a b t h e g r o u n d i n gf a u l ta n ds h o r t c i r c u i t f a u l ta r es i m u l a t e d ，t h e nt h e f e a s i b i l i t ya n d a c c u r a c yo ft w o t e r m i n a lf a u l tl o c a t i o nme t h o da r ep r o v e d ，a n dt h i sme t h o dh a s h i g h e rp r e c i s i o n ，i ti sa p p r o p r i a t ef o rf a u l tl o c a t i o no fp o w e rc a b l eu s e di n p a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e a tl a s t ，al o c a t i o no fw a v ev e l o c i t yi n s e n s i t i v ei sd i s c u s s e d w i t ht h i s m e t h o d ，t h ei n f l u e n c eo fw a v ev e l o c i t yi se l i m i n a t e da n dt h el o c a t i o np r e c i s i o ni s i m p r o v e dw h e nf a u l th a p p e n sa tt h ef a r e n do fp o w e rc a b l el i n e s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 k e y w o r d s ：p a s s e n g e r d e d i c a t e dl i n e ；p o w e rc a b l ec o n t i n u o u sl i n e s ； t r a v e l l i n gw a v e ；f a u l tl o c a t i o n ：w a v e l e tt r a n s f o r m 西南交通大学四南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密影使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名留钠昂 指导老师签名：磕专刍 吼外科墙日 溉砂了韶 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 分析了客运专线电力电缆贯通线路故障暂态行波特性，确立了基于电压行波线模 分量的双端行波测距法作为电力电缆贯通线路的故障测距方法，探讨了波速无关的行 波故障测距方法。运用m a t l a b 仿真工具对武广客运专线新乌龙泉至新咸宁段电力贯 通线路建模与故障仿真，验证了双端行波测距法和波速无关的行波测距法的可行性和 准确性。解决了双端行波测距法的故障初始行波到达时刻标定和行波波速确定等关键 技术问题，波速无关的测距方法对于非近端线路故障的测距具有较高精度。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者虢布捌孑 日期：矽7 。r 形 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 电力电缆贯通线路是客运专线电力系统的重要组成部分，肩负着为铁路信 号设备、无线通信基站、信号中继站、彳丁所和沿线生活工作供电的艰巨任务。 当电力贯通线路发生故障时，应及时排除故障，否则将严重威胁铁路的安全运 行。因此，研究线路故障点的快速定位方法，对缩短故障修复时间，尽快恢复 供电，保证铁路系统安全运行具有非常重要的意义。 客运专线的电力电缆贯通线路直接埋于地下或沿着电缆沟敷设，运行环境 差，沿线供电负荷点众多，每隔一两公里就有箱变等电气设备接入。因此，整 个电力电缆线路被分为若干段，导致电缆分支接头使用频繁，这也正是电力贯 通线路的薄弱环节。此外，随着电力电缆运行时间和负荷的不断增长【l 】等原因， 电力电缆的故障也越来越频繁。由于电缆线路埋于地下，因此当线路故障时无 法通过直观法直接发现故障点，若未能及时确定故障点并恢复系统供电，将带 来额外的停电损失。 寻找高效可行的故障定位方法是铁路电力配电系统运行中的一个重要课 题，长期以来，常规铁路的自闭、贯通线路没有精确的故障测距方法和成熟的 测距系统，线路故障后通过配电自动化开关，只能确定故障发生的区段，在该 区段内全线查找故障点，效率太低，无法给出准确的故障距离。铁路客运专线 的发展，使得铁路行车网络更加密集，对整个系统的运行管理水平提出了更高 的要求，传统的测距方法已不能满足要求。因此，对于客运专线电力电缆贯通 线路，寻找准确快速而经济的故障定位方法是一个迫切需要解决的问题。 1 2 国内外研究现状 现有的电力电缆线路故障定位方法根据其原理可分为阻抗法 2 - 4 】和行波法 【5 以i 】两大类，根据是否在线又可分为离线、在线定位。现有故障定位方法多为 离线测距，在线测距也已出现也必将成为将来的主要测距方法，阻抗法存在测 距精度受过渡电阻和故障类型影响较大等问题已较少采用，行波法很好地克服 了阻抗法的缺点，因而得到广泛的应用，但行波法也存在些问题未得到很好 的解决【l2 。1 5 】。以下主要针对国内外基于暂态行波的电力电缆故障定位方法研究 进行分析。 文献【16 提出了一种基于低压脉冲反射法的电力电缆故障自动定位方法， 该方法将故障反射波整形为矩形脉冲，通过设置门槛电压来克服电缆阻抗不匹 配点的反射影响，利用相关函数，对信号进行相关处理，消除干扰信号的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 该方法能自动计算电缆故障距离，自动判断电缆的低阻短路故障和开路故障。 文献 17 手旨出了传统的脉冲电流测试法用于电缆故障测距存在误差的原 因，提出了电感式脉冲电流测试法。采用基于m a l l a t 小波离散正交小波重构算 法还原信号基本消除了干扰的影响，保留了反射脉冲与放电脉冲的数值特征。 对重构信号的小波多尺度分解，应用小波边缘检测理论，可以准确检测放电脉 冲与反射脉冲，实现电缆故障的准确定位。该方法消除了传统的脉冲电流测试 法反射脉冲带来的误差。但以上方法都只能适用于离线测距。 文献 1 8 针对以往应用冲闪法的电力电缆故障测距技术普遍存在故障时刻 检测不准确的问题，提出将小波分解与信号相关技术相结合，先对采集到的信 号进行多层小波分解，去掉低频信号中的高频分量，应用信号相关技术计算出 粗略的奇异点，然后运用搜索模极大值线的方法找到高频分量中的奇异点，从 而得到精确的脉冲到达时刻，得到了较好的效果。但在原始信号的选取中，所 选信号的质量及所选信号的起始点对于信号的处理和计算结果有很大影响。文 献 19 在分析了行波法故障测距存在误差的原因基础上，引入小波变换和自相 关分析。运用小波变换进行信号滤波和奇异性检测，运用自相关分析为前者提 供约束条件，从而实现故障的自动测距，其原理与文献 18 类似。但是，以上 文献在波速的选取问题的上均采用的是经验值，必然会造成误差，进而影响测 距精度，采用更加精确的波速则可提高测距精度。 以上文献在实现自动测距，消除干扰信号影响和检测信号奇异点等方面都 取得了一定的成果，但在行波波速的确定问题上，都采用一个设定的经验值作 为实际故障行波的波速。然而，行波在电缆中的传播速度范围是1 2 5 宰1 0 8 m s 至2 0 0 10 8 m s 2 0 】，因线路参数不同是一个不确定的量 2 1 1 ，以经验值进行故障 定位，必然会产生较大误差。 文献 2 2 提出在脉冲电源作用下把故障相与健全相的电流差作为测量信 号，利用小波变换对其作多尺度分解，然后对信号在高频下进行单支重构。其 波速的确定是针对重构高频信号而言，文章认为频率相近的信号在同一电缆中 的传播速度和衰减总是相近的，确定重构高频信号的波速及其到达时间即可实 现测距。这与仅用一个波速来表示含有丰富频率成份的行波信号的波速的传统 方法相比，波速对定位精度的影响无疑将会减小。但在测距中需要脉冲电源， 该方法仅局限于已知至少一相电缆完好的情况，且只能实现电缆的离线测距。 文献 2 3 给出了一种基于注入法的自闭贯通线单相接地故障定位系统方 案，将相间短路故障定位嵌入式设计组成了更完善的自闭贯通线故障定位系 统，介绍了其组成及工作原理，理论和仿真相结合，研究与解决了系统中的相 间短路故障识别、节点供电方式及系统通信网络等几个关键技术问题，为后续 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 系统装置的研制提供了理论依据，但该方法同样只能实现离线测距。 文献 2 4 】以小波分析理论为基础，定义了层次时间、层次波速和中心距离 三个新概念，提出并证明了中心距离定理。建立了行波时间与行波速度之间的 对应关系，排除了其他频率成分对电缆故障行波定位的干扰。研究结果表明基 于中心定理的脉冲电流差、零序分量羞的电缆行波故障定位误差小于常用的经 验波速的行波故障定位方法的误差，中心距离定理能有效解决行波故障定位中 波速不确定因素的影响，但该方法原理十分复杂。 以上文献在解决影响故障定位的关键问题上取得了一定的成果，但或者原 理复杂，或者只能实现离线测距，尚无法满足客运专线电力电缆贯通线故障定 位的要求。 行波测距法相比传统阻抗测距法的优点在于不受故障类型和过渡电阻影 响1 2 5 - 2 6 ，但应用于电力电缆线路故障定位还需解决诸多难题，对于客运专线电 力贯通线，同样需要解决好这些问题。 ( 1 ) 测量端反射波的识别。行波在故障线路的传播过程中，在除故障点之外 的其他阻抗不匹配点，也存在多次反射和透射现象。因此，如果采用单端行波 法测距，则需要确定测量端所获取的行波信号是故障点的反射波，还是线路对 端母线反射波即经故障点透射至测量端的行波。 ( 2 ) 行波到达时刻的标定。基于行波的测距方法的实现必须确定行波达到测 量端的准确时间。时间测量的精度将直接影响故障测距的精度。 ( 3 ) 近端故障测距盲区。测量端的近端线路发生故障时，入射波与反射波之 间的重叠使得第一个反射波难以识别，造成单端行波测距方法的实现困难，这 也正是单端行波测距法在原理上的缺陷。 ( 4 ) 行波波速的确定。现有行波测距法的研究与应用多采用经验波速作为行 波的波速，而实际上行波在电缆线路传输的过程中将发生衰减，并包含丰富的 频率成分，不同频率的行波其衰减程度和速度也不同 2 7 - 2 9 】，频率越高衰减越快， 传播速度也越快。因此，以一个经验值代替实际的行波波速进行故障测距，必 然会造成较大的误差。 1 3 本论文的主要工作 综合以上分析，对于客运专线电力电缆线路的故障定位方法，行波测距法 是最好的选择。结合客运专线电力贯通线路的特点和故障行波在实际线路中折 反射复杂等因素，本文主要研究双端行波测距法对于客运专线电力电缆贯通线 故障定位的可行性，着重解决行波到达时刻标定和行波波速确定两个关键技术 问题。此外，在单端行波测距法的基础上探寻消除行波波速影响因素的测距方 法。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 论文的研究工作主要分为4 部分：电力电缆贯通线路故障暂态行波特性 的分析。双端行波故障测距法的基本理论及关键技术问题分析。客运专线 电力贯通线路故障仿真与双端行波故障测距法的实现。不受波速影响的行波 故障测距方法的推导与验证。 全文的主要章节安排如下： 第1 章：研究国内外文献，总结现有电力电缆故障定位方法存在的问题， 提出采用双端行波测距法对客运专线电力电缆贯通线进行故障定位的构想。 第2 章：详细介绍了行波的基本理论及电力电缆贯通线路的行波模量分析 理论，为后面行波测距方法所涉及的行波模量的选取提供理论依据。 第3 章：在分析客运专线电力电缆贯通线路特点的基础上，确立双端行波 测距法作为电力贯通线路的故障测距方法。详细分析了双端行波故障测距的原 理，重点论述了小波模极大值理论在暂态信号检测中的运用、故障初始行波到 达测量端的时刻标定和行波波速的确定等关键技术问题。 第4 章：根据武广客运专线新乌龙泉至新成宁段的实际设计参数，运用 m a t l a b 仿真工具建立电力电缆贯通线路模型。针对不同故障类型，不同故障 距离等情况进行仿真分析，并验证双端行波故障测距法的可行性和准确性。 第5 章：在单端行波测距原理的基础上，增加可用条件推导出不受波速影 响的故障测距方法，并通过仿真实验验证该方法对于线路测量端的非近端线路 故障的情况可行。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 第2 章电力电缆贯通线路故障行波暂态特性 我国3 - 6 6 k v 配电网一般采用中性点非有效接地的运行方式，在这种系统 中，发生单相接地故障时，接地短路电流很小，故称为小电流接地系统 3 0 - 3 1 】。 客运专线1 0 k v 电力配电系统一般采用中性点不接地的运行方式，但由于电力 贯通线路采用全线电力电缆，因此线路电容电流较大【3 2 “】，一般装设补偿电抗 器补偿电容电流【35 1 。在小电流接地运行方式下，由于单相接地故障电流微弱 3 6 - 3 9 ，系统可在故障发生后继续运行1 2 小时，因此可显著提高供电可靠性， 但如果长时间带故障运行，过电压容易使电力设备出现新的接地点，导致故障 扩大。 由上述分析可知，客运专线电力贯通线路故障时，由于小电流接地系统的 特殊性，其故障定位问题必须深入研究。客运专线电力贯通线路的结构单一， 但沿线带有负荷变压器，供电点多，因此电缆的分支接头众多。在利用行波测 距原理实现故障定位时，需要对电力贯通线路故障行波的暂态特征进行详细的 分析，把握行波的特征和规律，才能确定正确的电力贯通线路行波故障测距实 现方法。 2 1 行波基本理论 本节通过电力电缆线路的分布参数等效电路研究其故障暂态行波的传播 过程，为后续故障测距方法的研究提供理论基础。 2 。1 1 行波的基本概念 电力线路发生故障时，由于故障点电压的突变，将产生向线路两端传播的 暂态行波，故障暂态行波过程可以利用叠加原理来分析。根据叠加原理，在故 障瞬间相当于在故障点突然附加一个与故障前电压大小相等、方向相反的虚拟 电源，如图2 1 所示。故障暂态行波过程的波源就是此突然并于故障点的附加 电源。 m 图2 1 故障初始行波传播示意图 n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 在故障点的附加电源产生的初始行波浪涌将以接近光速的速度向线路两 个相反的方向传播。行波在故障点、母线以及其他波阻抗不连续点之间来回反 射和折射，直到进入稳定状态，行波传播的具体速度取决于线路的分布参数。 研究电力电缆线路的行波过程时，需将线路当作分布参数来处理。电力电 缆线路除了具有沿长度均匀分布的电阻和电感外，导线和大地之间还存在分布 的电导和电容。长距离的电力电缆线路可看成由许多的电阻j r 、电导g 、电感 三与电容c 元件相连接组成，这些元件即为电力电缆线路的分布参数。一小段 电力电缆线路的等效电路如图2 2 所示。 rl月 图2 2 一小段电力电缆线路的等效电路 电力电缆线路的行波现象可以用基于分布参数线路模型的电报方程 4 03 来 描述。以单相线路为例，通过求解电报方程，可得到沿线各点的电压和电流均 包含正向和反向两部分行波分量，其频域表达式为： j u ( x ，) = u + ( x ，国) + u 一( x ，国( 2 - 1 ) il ( x ，) = + ( x ，) + j 一( x ，国) 其中，【，+ 和，+ 分别表示沿线路x 正方向传播的电压和电流行波：u 一和厂分别 表示沿线路工反方向传播的电压和电流行波。 可以看出，在频域上三相线路上某一点的电压和电流均为经过该点的正向 和反向行波分量相互叠加的结果。电压和电流行波分量之间存在着以下约束关 系： 其中，z c ( ) 为波阻抗。 由式( 2 1 ) 与式( 2 2 ) 可以求出线路上任一点在频域的正向和反向电压行波 分量，其表达式为： 一一荆一删 一 卜 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 由式( 2 2 ) 与式( 2 3 ) 可以看出，线路上某一点在频域的正向和反向行波分量 可以用该点的电压、电流和波阻抗来表示，且任一方向的电压、电流行波分量 与波阻抗三者之间存在欧姆定律的关系。分析线路的行波现象时，一般规定行 波传播的正方向与线路电流的正方向( 通常为母线到线路的方向) 相同。因此， 从线路任一端来看，来自正方向的行波( 如故障点反射波) 即为反向行波，通过 母线反射到线路正方向传播的行波即为正向行波。 在式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 中，令x = 0 ，即可得到测量端的行波分量： 在实际中，测量点通常设在线路母线端，因而测量端所获取的电压和电流 行波为线路正反方向行波分量的叠加。 为了利用测量点在时域的电压和电流行波来构造行波测距算法，需将式 ( 2 4 ) 变换到时域，可得到下式： 其中，乙( f ) 为波阻抗z ，( ) 的傅里叶反变换，“圆”表示卷积。 式( 2 5 ) 所描述的正向和方向行波分量，实质上是具有不同时延且同一方向 传播的所有行波浪涌相互叠加的结果，并且可以分解为稳态和暂态行波两种行 波分量。稳态行波分量是指线路对系统电源或各种扰动稳态响应中的行波分 量，它是单一频率的正弦波；而暂态行波分量则是指线路对系统电源或各种扰 动暂态响应中的行波分量，它般含有从直流到高频的各种频率分量，且在系 统达到稳态时衰减为零。电力电缆线路故障产生的行波为暂态行波分量，此暂 态行波分量正是行波故障测距所需要的测距信号。故障产生的暂态行波分量实 际上就是包含在暂态故障分量中的正向和反向行波分量，它反映了线路故障的 暂态行为特性，这些特性是实现行波故障测距的基础。 暂态行波分量含有丰富的频率分量，不同频率的行波分量具有不同的衰减 3 _ 2 ，l 1 j 1 j 缈 x x 国 乙 乙 + 一 国 缈 x 工 u u 2，2 i j | | 、j、-， 缈 x x ii、， + 一 u u 4 - ，、| ，l 1j，j 、j、， 缈 缈 ，l，l ，工r上 、，、， 缈 乃 乃 + 一 、，、， 缈 功 u u 一2，一2 = = 、j、， 缈 + 一 u u c j - 2 ，l 1 j 1 j 、，、， f f ，l，i、 、l，、j o 乙 乙 + + 、，、， f f 、，i “ 掰 r_l r。_l 一2一2 = = 、-，、l， f f ，l + 一 “ “ 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 时间常数，因而暂态行波在线路上传播时必然会发生波形的畸变即幅值畸变。 同时，不同频率的行波分量还具有不同的传播速度，行波波速的不同导致暂态 行波波形的畸变即相位畸变。行波的这种随频率变化的传播特性称为频散现 象，因此行波波速的确定问题是行波故障测距方法实现的一个关键问题。 2 1 2 行波的折射与反射 电力电缆线路发生故障时，行波沿着线路传播，如果线路的参数或波阻抗 在某一点突然改变，称这一点为阻抗不连续点或阻抗不匹配点( 例如母线、故 障点等处) 。行波运动到阻抗不连续点将发生折射和反射，也即行波的入射波 传播至阻抗不匹配点导致反射波与折射波的出现。行波的折射反射情况如图 2 3 所示。 入射波折射波 1 z 1 。0 _ - 。- 。_ 。- 。_ _ 。- 。_ 。_ 。_ - 。一 ， - z ， 图2 - 3 行波的折射与反射 在上图中，线路1 的波阻抗为z ，线路2 的波阻抗为z ，0 点为线路连接 点即波阻抗不连续点。当线路1 中入射波到达d 点式，将会在此不连续点发生 折射和反射。假设入射行波方向为正，则称其为正向行波，而对应的反射波为 反向行波，对应的折射波为正向行波。 对于电压行波，其折射系数”，和反射系数p ，分别为： 其中，、q 和址分别为反射波电压、入射波电压和折射波电压。 对于电流行波，其折射系数和反射系数分别为： 其中，、i 和丘分别为反射波电流、入射波电流和折射波电流。 由式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 可知，肛= 一成即阻抗不匹配点的电流反射系数大d 、相 生心h 一心里鹕弛一鹕 以一u哆一u 九 以 弛一鹕弛一m t一0一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 n z 2 一o 。，则成= 1 、p i = - 1 即电压加倍而电流为零。类似地，当线路短路时， 2 2 电力电缆贯通线路故障行波模量分析 昏嵫) 8 ， 圜x b ( h 删目 9 ， 【f ) - j 【11 2 忆j 式中，五，x 2 为电压或者电流行波的线模分量，为零模分量。通过式( 2 8 ) 2 2 2 单相接地故障行波模量分析 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 a = = = 二j = = = = = = = = = 、 a i o b c - = 二- - 一j = = ：= = 、a = = = = i = = = = = ， 1 1 1 2 b一- ，jb 1 1 cc 7 7 7 7 7 7 7 7 7 丁7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 - 以) 6 )c ) 图2 4 行波模分量分布 口) 模0 分量；6 ) 模1 分量；c ) 模2 分量 对于客运专线的电力配电系统即小电流接地系统，发生单相接地故障( 设么 相发生金属性接地故障) 时，设线路的线模和零模波阻抗分别为互、z 2 和乙， 则线路中的电压行波和电流行波各模分量表示为： i “o = z o o = z l ( 2 1o ) 【u ：= z 2 之 在故障附加网络中，故障点出的相量边界条件为： iu r a ( t ) = 一l l a ( f ) i 。f b ( f ) = 0( 2 - 1 1 ) 【1 f c ( f ) = 0 其中，“。( f ) 为故障前彳相电压。 根据式( 2 8 ) 和( 2 ，1 1 ) 可得： 乇= f 】= f 2 = ；讹)( 2 - 1 2 ) l “o + “l - t - u 2 = 一“彳( f ) 其中，f l 、f 2 和“。、“：为线模分量，o 和为零模分量；f a ( f ) 为流过故障点的电 流，( f ) 为故障前4 相电压。 由式( 2 1 o ) 和( 2 12 ) 可以得出各模量的故障初始电压行波为： 一焘 ) 嵋一焘协) ( 2 - 1 3 ) 心一焘) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 以上各式是在金属性单相接地故障的情况下推导的，然而现实中电力线路 发生故障时一般都存在着过渡电阻。过渡电阻的存在将减小故障初始行波的幅 值。相间故障时故障电阻由电弧组成，阻值很小，一般忽略其影响。对于单相 接地故障，由于过渡电阻可达几十甚至几百欧姆，因此必须充分考虑其对故障 测距的影响。 设线路彳相接地，故障点过渡电阻为r ，在故障附件网络中，故障点处的 相量边界条件为： l “尉o ) + i f a ( f ) 尺f = 一t l , 4 ( f ) i r b ( t ) = 0( 2 1 4 ) 【 i 。f c ( f ) = 0 其中，“剐( f ) ，i f a ( f ) ，( f ) 和f f c ( f ) 分别为故障电压( 虚拟电源) 和故障电流；( f ) 为故障前彳相电压。 由式( 2 8 ) 和( 2 1 4 ) 可得： r1 ji o = 2 之2 喜讯)( 2 - 1 5 ) l u o + “l + “2 + ( r ) r r = u f a ( t ) 根据式( 2 15 ) 可作出单相接地故障时初始行波模量网络及其传输示意图，如图 2 5 所示。 、 一厂模1 一 一厂模狎一 厂 弋 一广模o 一 口)6 ) 图2 - 5 单相接地故障初始行波模量 a ) 模量网络；b ) 初始行波传输示意图 由上图可得故障点初始电压行波的线模和零模分量分别为： 3 r f u f 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 2 一百i 丽- - 0 ( f ) “，2 一百i 丽l 1 ()(2-16 ) “：。一i 酉巧z , 2 面( f ) 由式( 2 16 ) 可以看出，故障点过渡电阻的存在直接影响故障初始行波的幅 值，过渡电阻耳越大则幅值越小。当砰增大到一定程度时，将很难获取故障 行波信号，因此单相接地故障时，过渡电阻的影响是一个不可忽视的问题。 综上分析可知，小电流接地系统发生单相接地故障时，三相线路行波包含 线模和零模两个分量，模分量与波阻抗有关而与线路长度无关，过渡电阻的存 在影响着故障初始行波幅值的大小。 2 2 3 短路故障行波模量分析 当线路发生两相( 设为b c 相) 短路故障时，故障分量的边界条件为： i 咋( f ) = u b ( f ) 一u c ( f ) ( f ) = 0( 2 1 7 ) 【i t ( t ) = i s ( t ) = 一i c ( t ) 由式( 2 8 ) 和( 2 1 7 ) 可得： 旷铲竽 i o = 0( 2 18 ) ：一f 2 ：一j 1i 口( f ) ：一 1i ，o ) jj 当考虑过渡电阻的影响时，相间短路故障初始行波的线模、零模分量分配 如图2 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 r f u f 3 a )b ) 图2 - 6 相间短路故障初始行波模量 a ) 模量网络；b ) 初始行波 根据上图可得故障点初始电压行波的线模分量分别为： u 12 - - u 2 2 一z z l + z 2 + 2 辟 3 3 ( 2 1 9 ) 由上式可以看出，短路故障的行波只有线模分量，且模1 和模2 电压行波 分量极性相反，而不存在零模分量。 类似地，可以分析三相短路以及两相或三相短路并接地故障所产生的初始 电压行波特征。通过分析可知：接地故障的行波包含线模分量和零模分量，而 短路故障只有线模分量，没有零模分量。 在实际中，电力配电线路的故障以单相接地故障最为常见，由于三相线路 严格意义上同时短路的概率很小，一般均为两相短路后再与第三条线路短路。 对于故障行波而言，其故障初始行波过程由第一次短路故障产生，特征完全等 同于两相短路故障。同理，对于两相或三相接地并短路故障，其故障初始行波 特征也等同于单相接地故障或两相短路故障。 综上所述，线模分量存在于各种故障类型，而零模分量只存在于接地故障 类型。 2 3 本章小结 本章分析了电力电缆线路发生故障时，故障行波的产生机理及行波在线路 阻抗不匹配点的折射、反射规律。针对三相输电线路存在电磁耦合给波过程的 求解带来困难，通过凯伦鲍尔变换实现了三相行波相域系统向无耦合的模域系 统的变换，利用行波模量的分析。通过对单相接地和相间短路两种故障情况的 故障行波模量分析，得出接地短路故障既存在线模分量也存在零模分量，短路 故障只存在线模分量而没有零模分量的重要结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 单相接地故障初始行波的幅值受过渡电阻的影响，过渡电阻增大则各模分 量故障初始行波的幅值将减小。根据行波的传播特性，电力电缆线路故障时， 其故障初始行波会发生复杂的折射反射现象，在线路一侧测量端所获取的故障 信号波形十分复杂，对故障点反射波与线路对端反射波的识别变得困难。 以上结论均为后续针对采用小电流接地系统运行方式的客运专线电力电 缆贯通线路故障时，选择何种模量进行测距、确立采用何种故障测距方法提供 了理论依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 第3 章电力电缆贯通线路双端行波故障测距 电力电缆贯通线路故障时行波的暂态特性及其传播规律表明，中性点非有 效接地系统发生单相接地故障时存在行波线模分量和零模分量，发生相间故障 时只出现线模分量。即说明，无论线路发生接地故障还是短路故障，中性点非 有效接地系统均能产生可利用的暂态行波，这对于客运专线电力电缆贯通线路 的故障测距具有重要意义。 本章在分析客运专线电力贯通线路特点的基础上，结合第2 章得出的重要 结论，通过对行波测距方法比选，确立双端行波测距法作为客运专线电力贯通 线路的故障测距方法，并分析该方法的原理及其关键技术问题。 3 1 客运专线电力电缆贯通线路特点 客运专线的电力供电线路均称为贯通线路，只是根据所接入负荷的不同分 为一级负荷贯通线路和综合负荷贯通线路。客运专线电力贯通线路与普速铁路 的自闭贯通线路有所区别。图3 1 为客运专线电力供电系统的结构示意图。 信号等低压 负荷 综合负荷贯通线 图3 1 客运专线电力供电系统结构示意图 其中，一级负荷贯通线主要担负着铁路沿线信号、通信负荷和其它一级负 荷如行车控制系统的供电任务。综合负荷贯通线主要担负铁路沿线各红外探测 站、彳丁所、各车站工作生活用电以及桥梁和隧道的照明等供电任务，并作为 沿线一级负荷的备用电源。 客运专线电力供电模式与普速铁路自闭贯通配电网存在一些差别，主要表 现在： ( 1 ) 客运专线电力供电系统主要包括外部电源、( 变) 配电所、一级负荷贯通 线、综合负荷贯通线、沿线各车站、信号中继站、桥梁和隧道供电等。供电系 统结构相比普速铁路电力供电更加合理。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 ( 2 ) 客运专线供电可靠性要求更高，系统采用两条贯通馈线给沿线信号和负 荷供电。贯通馈线采用全线电力电缆供电，一级负荷贯通线路采用单芯电缆， 综合负荷贯通线路采用三芯电缆，在不具备电缆敷设条件的地方也有采有一条 架空线路和一条电缆线路供电的模式，且采用环网开环运行供电模式。而普速 铁路电力供电多采用自闭和贯通两条馈线给沿线信号和负荷供电，多以架空线 路为主，故障几率高。 ( 3 ) 普速铁路配电网信号电源通过7 接形式连接到高压自闭贯通线路，而 客运专线则采用沿线箱式变压器或变电站作为信号等负荷的供电电源，用高压 环网柜作为1o k v 综合负荷贯通线和级负荷贯通线的分段开关装置。所以， 贯通馈线可以在负荷供电点等接入点处以环网结构形式对长馈线分段，使得段 间距离短，故障定位更加精确。 ( 4 ) 由于贯通线路长，且客运专线多采用电缆供电，故其对地电容电流较大。 因此客运专线贯通馈线每隔一段距离加装并联电抗器，通过线路并联电抗器补 偿线路的容性充电电流，限制系统电压升高和操作过电压的产生，保证线路的 可靠运行。同时，当发生单相接地短路时，能够防止对地电容电流可能达到致 使接地电弧不能自熄的程度，而导致更大范围的故障，甚至永久性故障的情况 发生，保证贯通馈线的可靠运行。 3 2 行波故障测距方法比选 现代行波在线测距方法主要有单端行波测距法和双端行波测距法两种，以 下将通过分析两种测距方法的原理及优劣，最终确立适合客运专线电力电缆贯 通线路的故障测距方法。 3 2 1 行波故障测距方法原理 ( 1 ) 单端行波测距方法 线路发生故障时，故障产生的电压或电流行波会向线路两端传播，并在故 障点、母线与电缆分支接头等阻抗不匹配点之间来回反射、折射。单端行波故 障测距原理是利用线路故障时在测量端感受到的第一个正向行波浪涌即故障 初始行波与其在故障点的反射波之间的时延计算测量点到故障点之间的距离。 一般规定由母线指向被测线路的方向为正，运动方向与规定方向一致的行波称 为正向行波，反之则为反向行波。单端行波测距方法的原理如图3 2 所示，其 中，m 端为测量端：电缆线路全长为l ：故障点距离测量端m 的距离为厶；行 波的波速为1 ，。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 故障初始行波 故障点反射波 i 一一- - 一 - 一_ - l 一o - 一j n 图3 - 2 单端行波测距原理示意图 设故障初始行波、故障点反射行波到达测量端m 的时间分别为厶、乙；则， 通过简单的数学推导可以列出如下时间距离方程： 巾囊( 3 - 1 ) 【v t 2 = 3 厶 联立可得出故障距离厶为： 厶：业掣( 3 - 2 ) 以上分析表明，单端行波故障测距方法有赖于有效识别故障点反射波，然 而在实际中，行波在线路对端也会发生反射，该反射波经故障点折射后也会 到达测量端，如图3 3 所示。因此，到达测量端m 的第二个行波为故障点反射 波还是线路对端反射波的识别问题对单端行波测距方法的实现非常重要。 线路对端 ( 即故障点透射波)r 一j 。| 一- - 一j n 图3 - 3 线路对端反射行波 当故障点位于线路的前半程时，根据行波的传播原理，故障点反射波比线 路对端反射波先抵达测量端m ，因此测量端m 所检测到的第二个行波即为故 障点反射波。当故障点位于线路后半程时，则线路对端反射波先于故障点反射 波到达测量端m ，因此测量端m 所检测到的第二个行波为线路对端反射波。 根据前一章的分析，线路对端反射波极性与故障初始行波相同，而故障点反射 波与故障初始行波极性相反，据此可有效识别测量端m 所获取的第二个行波 来自故障点反射波还是线路对端反射波。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 ( 2 ) 双端行波测距方法 双端行波故障测距原理是利用线路故障时产生的初始行波浪涌到达线路 两端测量点的绝对时间之差值计算故障点到两端测量点之间的距离。图3 4 为 故障初始行波向线路两端的传输情况。 t ，故障初始行波i 故障初始行波t o 坦一一一- 一一一- - 上n n 图3 - 4 双端行波测距示意图 设线路全长为，故障点f 到线路两端的距离分别为厶和厶；故障初始行波浪 涌以相同的传播速度1 ，到达m 端和端母线的时间分别为和瓦。根据图3 4 可列出下列时间距离方程： 争争= 一瓦( 3 3 ) 气v v j jj 【厶+ 厶= l 求解上述方程可得故障点到m 端和端母线的距离为： 双端行波故障测距方法在实际运用中，必须准确标定故障初始行波浪涌到 达两端母线的时刻，因此线路两端须配备高精度和高稳定的实时时钟 4 3 - 4 4 】，且 两端时钟必须保持精确同步。 3 2 2 客运专线电力贯通线路故障测距模式 ( 1 ) 采用双端行波测距法 上一节的分析表明，单端行波故障测距是利用故障初始行波和故障点反射 波之间的时间差确定故障距离，在线路测量端能否准确识别不同方向的行波浪 涌，是实现单端行波故障测距的基础。单端行波测距只需要在线路一侧安装一 套测距装置，不需要两端数据通信，也不需要时间同步，因此设备成本低。 考虑客运专线电力贯通线路的实际情况可知，电力电缆贯通线供电点多， 沿线挂有负荷设备和变压器且电缆分支接头众多，行波在各个设备、各个电缆 羞2 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 分支接头均会发生反射。这些干扰信号与故障点的折射、反射行波叠加在一起， 均到达测量点处，因此在测量端对故障点反射波的识别变得困难，进而要运用 行波单端测距方法实现故障测距也变得困难。 双端行波测距克服了单端行波测距原理的不足以及使用局限，它只需检测 故障初始行波浪涌到达线路两端的准确时间，利用两端时间差实现测距，而不 需要考虑后续的反射和折射行波，不存在故障点反射波的识别问题。双端行波 测距方法原理简单，准确可靠，可单独使用，可作为一种主要的测距方法。 以上分析表明，客运专线电力电缆贯通线路发生故障时宜采用双端行波测 距方法进行故障测距。 ( 2 ) 采用电压行波信号作为测距信号 客运专线电力贯通线路的供电模式