T型高压输电线路故障测距

1、(2008) 25-0105-06 中图分类号：TM 77 文献标志码：A 学科分类号：47040 文章编号：0258-8013T型高压输电线路故障测距施世鸿，何奔腾，张武军(浙江大学电气工程学院，浙江省 杭州市 310027)Fault Location for HV Three-terminal Transmission LinesSHI Shi-hong, HE Ben-teng, ZHANG Wu-jun(School of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province,

2、China)ABSTRACT: All of the fault location methods currently usedfor teed lines need to identify the fault section first, then convert the three-terminal line to a two-terminal line to locate the fault. The fact that while the fault occurs near the teed node, especially through a large resistance, th

3、e fault location methods currently used cant identify the fault section correctly, thus fail to locate the fault was pointed out. Considering the above, a new fault location method for teed lines, which makes use of the pure resistive characteristic of fault impedance is presented. This method break

4、s the mold of traditional methods that it must identify the fault section before locating the fault. The proposed method can locate the fault without identifying the fault section first. And this method doesnt have dead zone of fault location, it can accurately locate the fault occurring near the te

5、ed node. The accuracy is independent of fault resistance and fault type. Above all, this method perfectly solves the disadvantage of currently used methods that there is a dead zone of fault location near the teed node. Results of EMTP based simulation indicate that this method is correct and accura

6、te.KEY WORDS: teed line; fault location; protective relaying; transition resistance摘要：现有的T型线路故障测距算法都是先判断故障支路，然后将3端线路等效成双端线路进行测距。该文指出了在T节点附近短路，尤其是经高阻短路时，现有的T型线路故障测距方法由于无法正确判别故障支路而存在一个测距死区。考虑上述问题，该文利用过渡阻抗的纯电阻性质，提出了一种新的T型线路故障测距方法。该方法打破了传统的先判断故障支路再故障定位的模式，无需事先判别故障支路即可测距。该方法无测距死区，测距精度不受过渡电阻和故障类型影响，较好的克服了

7、传统方法在T节点附近有测距死区的不足。EMTP仿真结果表明该方法正确，测距精度高。 关键词：T型线路；故障测距；继电保护；过渡电阻点1-6。随着电力系统的发展，T型输电线路已越来越多的应用在高压电力网中，对T型线路故障测距算法7-9的研究也越来越受到关注。文献10基于集中参数模型，将分别由3端电气量计算得到的T节点电压进行比较，与另外两端不同者判定为故障支路，然后由非故障支路的电气量求出T节点的电压和注入故障支路的电流，将3端线路等效成两端线路进行测距。该文忽略了分布电容的影响，给长线的测距带来较大的误差。文献11提出了基于分布参数模型的T型线路测距算法，故障支路的判别和双端线路的等效方法同文

8、献10，等效成双端线路后，利用两端计算的故障点电压幅值相等建立测距方程。文献12-14基于时域的微分方程形式，故障支路判别方法同上，然后等效成双端线路测距。文献15-16采用负序量进行测距，故障支路判别方法同上。上述文献都是根据比较3端计算得的T节点电压来判断故障支路。当在T节点附近发生短路，尤其是经高阻短路时，从3端计算得到的T节点电压基本相同，再加上暂态过程的影响，所以该方法在T节点附近无法正确判别故障支路。文献17提出一种新的故障支路判别方法，首先假设另外一条支路不存在，把3端支路看成2端支路测距，将测得的故障距离实部与实际T节点的距离比较，若大于，则在对侧支路；若小于，则在本侧支路；若

9、相等，则在第3条支路。当故障发生在T节点附近或发生在第3条支路上时，由于暂态过程的影响，所测距离的实部在T节点距离左右摆动，因此该方法在T节点附近也无法正确判断故障支路。文献18提出了一种以1端母线为参考，分别利用另外两端电气量计算T节点电压电流，在T节点和参考端之间利用双端测距算法进行测距，根据分别求得的2个标幺值表示的故障距离与1的相互0 引言输电线路故障测距一直是电力系统研究的热106 中 国 电 机 工 程 学 报 第28卷关系，来判断故障支路。当在T节点附近故障时，该方法求得的2个故障距离的标么值在1附近摆动，因此同样无法正确判断故障支路。综上所述，现有的T型线路故障测距算法都是分为

10、2步进行：第1步先判断故障支路；第2步根据判断的结果，将3端线路等效成双端线路进行测距。因此，在T节点附近故障，尤其是经高阻短路时，由于无法正确的判断故障支路，导致测距失败，故现有的T型故障测距算法在T节点附近存在一个测距死区。本文基于分布参数模型，根据过渡阻抗的纯电阻性质，提出了一种新的T型线路故障测距算法。该方法打破了以往分2步测距的模式，无需判断故障支路即可测距，该方法无测距死区，测距精度不受过渡电阻和故障类型影响，较好的克服了传统方法在T节点附近有测距死区的不足。为减小误差，T节点电压取为󰀅+U󰀅UNTPT󰀅UT= (3)T节点注入故障支

11、路的电流为󰀅=I󰀅=I󰀅+I󰀅 (4) ITMTNTPT由式(3)、(4)求得的T节点电压和注入故障支路的电流，可以求出F点左侧的注入电流为󰀅󰀅=I󰀅cosh(lx)UTsinh(l1x) (5) ITFT1Zc󰀅为 从而可得IF󰀅=I󰀅+I󰀅 (6) IFMFTF1 测距方法1.1 基本原理󰀅、图1为T型输电线路故障示意图，图中，UM󰀅、U󰀅、I󰀅、I&#

12、983045;、I󰀅分别为M、N、P端测得UNPMNP󰀅为T节点电压；I󰀅、I󰀅、I󰀅的电压电流相量；UTMTNTPT上述推导是在单相系统下得出的，易知，对于三相系统，其正、负、零序网也存在对应于式(1)(6)的关系。可得󰀅=U󰀅cosh(x)I󰀅Zsinh(x)UFiMiiMicii󰀅sinh(x)UIMii󰀅󰀅MFi=IMicosh(ix)(7) Zci󰀅I󰀅=I󰀅co

13、sh(lx)UTisinhi(l1x)TFiTii1Zci󰀅=I󰀅+I󰀅 (8) IFiMFiTFi式中下标i=1, 2, 0表示正、负、零序。上述推导是假设故障发生在MT支路上得出的，若假设故障发生在NT或PT支路上，也可以得到与式(1)(8)类似的关系。假定故障发生在MT、NT或PT支路时，由上述推导获得的故障点的各序电压和流过故障电阻的󰀅M、I󰀅N、I󰀅P、I󰀅M；U󰀅N；U󰀅P。 各序电流分别为UFiFiFiFiFiFi分别为3条支路注入T节点

14、的电流。各电流的方向如图中箭头所示。线路MT、NT、PT的长度分别为l1、l2、l3。为不失一般性，假设短路发生在MT支󰀅为故障点电压，I󰀅为流经路，F为故障点，设U󰀅和I󰀅分别为从F点的左过渡电阻RF的电流。IMFTFFF侧和右侧注入F点的电流。设故障点到M端的距离为x。为消除分布电容的影响，提高测距精度，本文采用分布参数模型。根据均匀传输线方程，由图1󰀅和I󰀅： 所示电路关系，可得UFMF󰀅UMMl1󰀅UN󰀅=U󰀅cosh(x)I&

15、#983045;Zsinh(x) (1) UFMMc󰀅=I󰀅cosh(x)U󰀅sinh(x)/Z (2) IMFMMc式中、Zc分别为线路波传播常数和波阻抗。设3󰀅、U󰀅、U󰀅分别为利用M、N、端数据同步，UMTNTPT图1 T型线路故障示意图Fig. 1 Diagram of fault teed lineP端测量的电气量计算得的T节点电压，则有󰀅=U󰀅cosh(l)I󰀅Zsinh(l) UNTNNc󰀅=U󰀅cosh(

16、l)I󰀅Zsinh(l) UPTP3Pc3󰀅=I󰀅cosh(l)U󰀅sinh(l)/Z INTN2N2c󰀅=I󰀅cosh(l)U󰀅sinh(l)/Z IPTP3P3c1.2 单相短路以A相接地为例：󰀅k=U󰀅k+U󰀅k+U󰀅k UFAF1F2F0kkkk󰀅=I󰀅+I󰀅+I󰀅 IFAF1F2F0󰀅k、I󰀅k分别表示假设故障发生在

17、MT、NT、式中UFAFAPT支路上时求得的故障点A相电压和流经过渡电阻的电流，k=M, N, P。而实际上故障只发生在MT、第25期 施世鸿等： T型高压输电线路故障测距 107󰀅k、I󰀅k)，NT、PT支路中的某一条支路上，因此(U FAFAk=M, N, P，只有一个k对应的一组故障点电压、电流是真实的，其余两组都是虚假的。设d1为线路MT上任一点距M端的距离，则󰀅M，I󰀅M均为d的函数，定义函数 0<d1<l1，UFAFA1MM󰀅(d)argI󰀅M(d)| (9) g(d)=|a

18、rgU11FA1FA11.3 两相短路和两相短路接地由图3所示电路关系，并且根据对称分量变换，可得两相短路或两相短路接地时，均有󰀅k=U󰀅kU󰀅k=(a2a)(U󰀅kU󰀅k) (13) UFBCFBFCF1F2󰀅M(d)表示求U󰀅M(d)的相位。 式中argU11FAFA设d2为线路NT上任一点距N端的距离，则󰀅N、I󰀅N均为d的函数，定义函数 0<d<l，U22FAFA2󰀅k=I󰀅kI󰀅k=

19、(a2a)(I󰀅kI󰀅k) (14) IFBCFBFCF1F2kkkk󰀅U󰀅=(I󰀅I󰀅)R (15) UFBFCFBFCF联立式(13)(15)可得󰀅k=RI󰀅kUFBCFFBC (16)󰀅k、I󰀅k分别表示假设故障发生在MT、式中UNT、FBCFBC󰀅N(d)argI󰀅N(d)| (10) g1N(d2)=|argU22FAFAPT支路上时求得的故障点BC相间电压和流经过渡电阻的电流，k=M, N,

20、P。而实际上故障只发生在󰀅k、MT、NT、PT支路中的某一条支路上，因此U󰀅IFBCkFBC设d3为线路PT上任一点距P端的距离，则󰀅P、I󰀅P均为d的函数，定义函数 0<d<l，UFAFA󰀅P(d)argI󰀅P(d)| (11) g1P(d3)=|argU33FAFA只有一个k对应的1组故障点相间电压电流是假设真实的故障点在图1所示MT支路的F点。根据过渡阻抗的纯电阻性质，可知只有在故障支路上会出现函数值为零的点，在非故障支路上，函数值均大于零。在故障支路MT上，当且仅当在故障点d1=

21、x处，g(x)=0，在线路其他点，均有g(d1)>0。上述关系可用式(12)表示如下：M1M1真实的，其余2M0 , d1=xg(d)=11>0, d1x(12) Ng1(d2)>0, 0d2l2gP(d)>0, 0dl3313若发生金属性短路，则过渡电阻为一趋近于零的小正数，依然满足式(12)。g1M(d1)、g1N(d2)和g1P(d3)的曲线如图2所示。图2也表明，只有在故障点处函数值为零，因此可以用一维搜索算法很容易的找到函数值最接近于零的点，从而确定故障支路和故障点位置。g1(d3)(b) 两相短路接地图3 两相短路和两相短路接地示意图 Fig. 3 Diag

22、ram of phase to phase fault anddouble phase to earth fault设d1为线路MT上任一点距M端的距离，则󰀅M、I󰀅M均为d的函数，定义函数 0<d<l，U1󰀅g(d1)=|argUM21FBCFBCMFBC󰀅M(d)| (17) (d1)argI1FBC1设d2为线路NT上任一点距N端的距离，则󰀅N、I󰀅N均为d的函数，定义函数 0<d2<l2，U2FBCFBCNN󰀅(d)argI󰀅N(d)|

23、 (18) g(d)=|argU22FBC2FBC21.1设d3为线路PT上任一点距P端的距离，则󰀅P、I󰀅P均为d的函数，定义函数 0<d3<l3，U3FBCFBCPP󰀅󰀅P(d)| (19) g(d)=|argU(d)argI2FBC3FBC3Pg1(d2)0 40 80 120d3/km1.250 40 80 120d2/km10 50 100 150 200 250d1/km假设真实的故障点在图1所示MT支路的F点。根据过渡阻抗的纯电阻性质，可知只有在故障支路上会出现函数值为零的点，在非故障支路上，函数值均大于

24、零。在故障支路MT上，当且仅当在故障M(x)=0，在线路其他点，均有点d1=x处，g2Mg2(d1)>0。上述关系可用式(20)表示如下：M0, d1=x g(d)=21>0, d1x(20) Ng2(d2)>0, 0d2l2gP(d)>0, 0dl3323N图2 g1M(d1)、g1N(d2)和g1P(d3)的曲线示意图Fig. 2 Curves of g1M(d1), g1N(d2) and g1P(d3)g1(d1)M108 中 国 电 机 工 程 学 报 第28卷若金属性短路，则过渡电阻为一趋近于零的小MN(d1)、g2(d2)和正数，依然满足上述关系。g2Pg

25、2(d3)的曲线如图4所示。由图4可知，只有在故障点的函数值为零，因此可以用一维搜索算法很容易的找到函数值最接近于零的点从而确定故障支路和故障点位置。g2(d3)障点，两者的相位不同，因此本文方法在T节点附近也能正确识别故障点，且无需事先判断故障支路，不存在因无法判断故障支路而有测距死区的问题，在T节点附近足够小的范围内均能正确故障定位。2 算例为验证本文所述方法的正确性和有效性，对如下500 kV单回T型线路进行ATP-EMTP仿真。线路故障模型如图6所示。g2(d2)1.00.9 0.8 0.70 40 80 120d3/km1.3 1.10.90 40 80 120d2/km0 50 1

26、00 150 200 250d1/kmPg2(d1)MN图4 g2(d1), g2(d2)和 g2(d3)的曲线示意图Fig. 4 Curves of g2M(d1), g2N(d2) and g2P(d3)MNP图6 T型线路仿真模型示意图Fig. 6 Diagram of simulation model for teed lines1.4 三相短路三相短路示意图如图5所示。图5(b)通过-Y变换能等效成图5(a)的形式，故下面只讨论图5(a)。上述推导讨论了单相短路(AG)、两相短路(BC)、两相短路接地(BCG)、三相短路(ABC)，4种故障，易知，BG、CG故障只需在AG的基础上AB

27、C三相做相应的旋转即可，同理，AB、ABG、AC、ACG故障也只需在BC、BCG的基础上ABC三相做相应的旋转。由上述推理过程可知，当在T节点附近发生金属性或经高阻短路故障时，故障点的电压和流过故障电阻的电流同样满足相位相同的关系，而在非故ABC线路长度l1、l2、l3分别为250、180、120 km。线路的正序和零序参数为：R1=0.018 /km，L1=0.9 mH/km，C1=0.011 3 F/km； R0=0.189 6 /km，L0=3.45 mH/km，C0=0.008 3 F/km。󰀅、E󰀅、E󰀅分别为5000°、 系

28、统3端电势EMNP50030°、50060°，系统正序阻抗ZM1、ZN1、ZP1分别为28.390°、32.078.4°、43.1988.6°。零序阻抗ZM0、ZN0、ZP0分别为26.390°、28.1486.74°、ABCRFRFRFRFRFF(a) 星形联接 (b) 三角联接图5 三相短路示意图Fig. 5 Diagram of three phase fault29.0990°。两侧数据的采样率为2.4 kHz，采用故障后60 ms以内的采样数据，基波相量提取采用全波傅氏算法。表1列出了发生各种故障时本文方

29、法的测距结果，接地过渡电阻和相间过渡电阻均为50 。由于本文两相短路、两相短路接地和三相短路都是采用相间故障回路测距，即1.3节的方法，所以这3种故障的测距结果相同。由表1可以知道，本文方法在T型线路各支路全线范围内都可以测距，测距精度很高，在表1所列的各种故障条件下测距误差最大不超过0.08%。表2列出了过渡电阻对本文测距方法的影响，故障点设在MT支路上。由表2可以知道，本文方法基本上不受过渡电阻影响，在不同的过渡电阻下，均能达到很高的测距精度，最大误差不超过0.31%。表3列出了在T节点附近发生A相高阻接地故障时，本文方法与传统方法7-16(以文献11的方法第25期 施世鸿等： T型高压输

30、电线路故障测距 109为例)测距结果的比较。由表3可以看出，在高阻接地情况下，在T节点附近约5 km以内的范围内，传统方法无法正确判断故障支路，从而导致测距失败。而本文方法克服了传统方法的上述缺陷，在T节点附近0.5 km的范围内还能正确判断故障支路，确定故障点位置，无测距死区，且测距精度高，最大绝对误差不超过0.6 km。表1 T型线路发生各种故障的测距结果Tab. 1 Results of fault location under different faulttype conditions for teed line故障支路故障距 离/ km最大误差/%AG BC BCG ABC故障类型

31、过渡电阻可以分为接地过渡电阻和弧光过渡电阻2种。接地过渡电阻是线性的，且阻值较大，可以当作纯电阻来处理；而弧光过渡电阻是非线性的，较为复杂，在仿真时难以精确的反应其特性，且弧光过渡电阻和压降成正比，而压降一般为系统额定电压的5%以下，因此弧光电阻是较小的。为验证弧光电阻非线性引起的误差，表4列出了过渡阻抗幅值较小且含有较小的角度时的测距结果，故障点设在NT支路上。表4 过渡阻抗含有虚部时对测距的影响 Tab. 4 Influence of fault impedance with an imaginary part to fault location故障类型过渡阻抗/实际故障距离/km最大误差

32、/%20 70 120 1600.220.22 0.33MT5 5.00 5.00 5.00 5.00 0.00 90 90.00 90.00 90.00 90.00 0.00 160 159.88 160.00245 245.12 245.160.05 0.06NT5 5.00 5.00 5.00 5.00 0.00 70 70.00 70.00 70.00 70.00 0.00 120 120.00 120.00175 175.20 175.000.00 0.08BC15° 20.20110° 20.40115° 20.603 结论指出了传统T型线路测距方法在

33、T节点附近一定的范围内短路，尤其是经高阻短路时，不能正确判别故障支路，从而导致测距失败的缺陷。由此，本文根据过渡阻抗的纯电阻性质提出了一种新的测距方法。该方法无需事先判别故障支路即可测距，且在T节点附近足够小的范围内都能正确故障定位，克服了传统方法在T节点附近有测距死区的不足。该方法测距精度高，且不受过渡电阻和故障类型影响，具有较高的价值。PT5 5.00 5.00 5.00 5.00 0.00 50 50.00 50.00 50.00 50.00 0.00 80 80.00 80.00 80.00 80.00 0.00 115 115.00 115.00115.00 115.000.00表2

34、 过渡电阻对测距的影响Tab. 2 Influence of fault resistance to fault location故障类型过渡 电阻/实际故障距离/km最大误差/%60 120 180AG300 60.46 120.40 180.32 0.18100 60.00 120.00 179.80 0.08 10 59.96 119.80 179.44 0.22 0.1 60.00 119.84 179.28 0.29 100 60.00 120.00 180.00 0.00 10 59.60 119.28 179.22 0.31 1 59.80 119.76 179.24 0.30B

35、C参考文献1 李志民，陈学允基于单侧信息的输电线路故障测距新方法J中国电机工程学报，1997，17(6)：416-420Li Zhimin，Chen Xueyun. A novel algorithm for power transmission line fault location using the one-terminal current dataJ Proceedings of the CSEE，1997，17(6)：416-420 (in Chinese)2 康小宁，索南加乐. 基于参数识别的单端电气量频域法故障测距原理J中国电机工程学报，2005, 25(2)：22-27Kang

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38、 System Technology, 2000，24(11)：31-33 (in Chinese)表3 T节点附近故障时测距结果的比较 Tab. 3 Comparison of fault location resultswhile faults occur near the teed node过渡 电阻/ 300 300 300 200 200 300 300 300 300 300 200 250 250 250实际故障点 故障 故障距 支路 离/km MT 242 MT 243 MT MT MT MT MT NT NT PT PT PT PT PT245 247 248 249 249

39、.5 175 177 115 116 118 119 119.5本文方法故障支故障距路判断离/km MT 241.6 MT 242.6 MT MT MT MT MT NT NT PT PT PT PT PT244.6 246.6 247.8 248.8 249.4 174.4 177.6 115.2 116.2 118.2 119 119.6传统方法故障支故障距路判断离/kmMT 242.28NT 122.54NT PT NT MT PT MT MT NT MT MT MT MT110 中 国 电 机 工 程 学 报 第28卷5 束洪春，司大军，葛耀中，等利用双端不同步数据的高压输电线路故障测

40、距实用算法及其实现J电网技术, 2000，24(2)：45-49 Shu Hongchun，Si Dajun，Ge Yaozhong，et al Study on practical fault location algorithm for two-terminal HV and EHV transmission lines using asynchronous data at both endsJPower System Technology， 2000，24(2)：45-49(in Chinese)6 陈铮，董新洲，罗承沐带串联电容补偿装置的高压输电线路双端故障测距新算法J中国电机工程学报

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