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1、电缆架空线混合线路故障测距方法综述于玉泽大唐长春第三热电厂, 摘要 : 针对电缆架空线混合线路的结构和特点，介绍了几种适用于混合线路的故障测距方法，包括基于分布参数模型的区段故障定位法、基于波速度归一算法的双端行波故障测距法、三相母线外加同一电压脉冲式单端行波故障测距法等。分析了各种方法的适用范围及其优缺点，最后对各种方法的应用前景作了初步评价。关键字 : 电缆；架空线；故障测距；行波；电力系统ABSTRACT:In view of the structure and features of hybrid transmission lines consisting of power cable
2、s and overhead lines, the authors enumerate several fault location methods suitable to hybrid transmission lines, including section fault location method based on distributed parameters model, two-terminal travelling wave based fault location method based on normalizing wave speed algorithm, one-ter
3、minal travelling wave based fault location method with the same voltage pulse imposed on three-phase buses, etc. Analyze the applicable range, merits and demerits of each method respectively. A preliminary evaluation on application prospects of these fault location methods is given.KEY WORDS:power c
4、ables ；overhead lines；fault location；travelling wave；power system1 前言随着电力系统的迅速发展，输电线路在原有电缆、架空输电线路的基础上发展了电缆 架空线混合输电线路，且应用越来越广泛。超高压电缆 架空线混合线路能跨越大水道、海峡，可直接向大城市和工业区中心供电。同时，电缆 架空线混合线路还应用于中性点不直接接地的小电流输电系统中，如铁路信号电源供电系统。但由于制造上的瑕疵或经过一段时间的使用，电缆的绝缘水平会下降，从而会引起电缆发生接地故障，同样，架空线也会发生类似故障。输电线路发生故障时，准确的故障定位一方面能减轻巡线负担，
5、另一方面又能加快线路恢复供电，减少因停电造成的经济损失。随着电缆 架空线的广泛应用，其精确故障定位具有越来越重要的意义。2 输电线路的故障测距方法输电线路的故障类型主要有：单相接地故障、相间短路故障、两相短路接地故障、三相短路故障。其中单相接地故障的几率最大(占 80% 左右 )，本文以单相接地故障为例进行说明。长期以来，输电线路故障测距技术受到了广泛关注，尤其是20 世纪 70 年代以来，随着计算机的普遍应用，基于微机和微处理器的故障测距算法成为国内外继电保护工作者的研究热点之一。国内外发表了大量输电线路(电缆、架空线)故障测距方面的文章 1-14，有些测距装置已投入现场运行。按采用的线路模
6、型、测距原理、被测量和测量设备等的不同，故障测距可以有多种分类方法，一般将其分为阻抗法和行波法2 大类。（ 1）阻抗法15是根据故障时测量到的电压、电流量计算出故障回路的阻抗。由于线路长度与阻抗成正比，因此可求出测距装置安装处与故障点的距离。阻抗法按照测量电气量位置的不同可分为利用单端电压、电流量的单端算法和利用双端电压、电流量的双端算法。单端算法由于造价低，不受通信条件限制，长期以来一直是人们关注的热点。单端阻抗法在实际中应用非常广泛，其优点是简单可靠，缺点是测距精度不高。现有的继电保护和数字故障滤波器中都包含这种单端算法的软件包。单端算法又可分为故障分量电流算法、故障电流相位修正算法、解二
7、次方程算法、解一次方程算法和解微分方程算法。这些算法的共同特点是受过渡电阻、负荷电流和对侧系统阻抗变化的影响。 通信技术和GPS 同步技术的发展使利用双端电气量的测距算法得以实现。双端算法可以克服单端算法原理上的缺陷，因此在精度上有所提高。双端算法按照数据同步的方式可分为GPS 同步算法、自同步算法和不同步算法。在调度中心安装故障信息系统可将各变电站的录波信息采集上来，利用双端测距算法可以给出故障点的准确信息，为调度决策提供有力的支持。（ 2）行波法16-17是根据行波理论实现的输电线路故障测距方法，行波算法也可分为单端算法和双端算法。输电线路发生故障时，从母线向故障点传播的行波经过一段时间后
8、又从故障点反射回来，这段时间间隔与故障距离成正比，检测这一时间是单端行波测距算法的基本思想。测距原理如图1 所示，测距公式为SS1S21()2Xv TT（ 2-1）式中： XS为故障距离；v为波速度；故障初始行波与故障点反射波到达母线的时间分别为TS1 、 TS2。M N 图 2.1 单端测距原理双端行波法是利用故障点产生的行波第1 次到达两端的时间差实现测距，测距原理如图2 所示，公式为S1S2 S()2TTvLX（ 2-2）式中： TS1、 TS2为故障行波到达两端母线的时间；L 为线路长度。M N XmXn图 2.2 双端测距原理GPS 在电力系统中的推广也为这种算法的实现提供了可能。行
9、波法测距的精度在 理论上不受线路类型、过渡电阻和两侧系统阻抗的影响，但对硬件要求较高，要求高速采样，并对大量的数据存储和分析提出了较高的要求。随着对行波理论研究的深入和小波分析工具的应用，行波测距装置得到了实际应用，我国已有多套行波测距装置研制成功。3 输电线路的故障测距方法国内外对于单独的电缆和架空线故障定位方法研究很多，已提出了多种故障定位原理和算法，但对2种线路的混合系统研究较少。电缆 架空线混合线路的模式对阻抗法来说不再是均匀传输线的模式；对行波法来说存在波阻抗差异较大而导致的波速不一致等问题。以下介绍针对混合线路特点的故障测距方法。3.1 基于分布参数模型的区段故障定位法图 3 为一
10、个简单的两端电源系统，当线路在F 点发生接地故障时，运用对称分量法和线性叠加原理将故障网络分解为故障前正常网络和故障后附加正、负、零序网络。对于三相对称故障，不存在负序和零序网；对于不对称非接地故障，不存在零序网。故障状态等效网络如图4 所示，其中：ZMS、 ZNS为母线两端的电源内阻抗；ZL为单位长度的线路阻抗；ZF为故障点阻抗18。EM ZMSM UMDZLF N IMINUNZFZNSEN (L D)ZL图 3.1 两端电源系统等效网络DYZMS M DZL F N RFZNS(L D)ZL(L D)Y图 3.2 故障状态等效网络求出末端N 侧的系统阻抗NSZ，设过渡电阻上的电流为IF，
11、分如下2 种情况讨论：（ 1）不计分布电容，由图3.2 可列出MSNS FM NS()iii ii iiZLZZIIZLD Z(3-1) MSNS FN MSiii ii iiZLZZIIZDZ(3-2) 式中： i=1,2,0 代表各序分量；Z 为线路总阻抗；D 为故障点到M 端的距离；FiI和FiI分 别为由M 端和 N 端的电气量计算得到的故障点过渡电阻上的电流。若两侧数据完全同步，则F 点存在FFiiII(3-3) 不同步时虽然系统两端采样数据存在相位差，但故障点F 的电流相量幅值相等，即FFiiII(3-4) 为避免误差，可对D 在 0L 范围内进行一维搜索，使式(9)左右两边模值相
12、差最小的点即为故障点。（ 2）计入分布电容(适用于长线路)时有NSMSFMMNS11/()()1/()()iii ii iiiiii iZLZZLD YDYIIDYU ZLD ZLD Y(3-5) NSMSFNNMS11/()()1/iii ii iiiiii iZLZZLD YDYIIDYU ZDZDY(3-6) 式中“/”表示阻抗并联关系。同理有FFiiII，找出使等式左右两边模值相差最小的点。3.2 混合线路故障区段识别A 型混合线路的模型如图5 所示，电缆与架空线的长度已知。M N J 架空线电缆线图 3.3 A 型混合线路由图 5 可知， 设在 J 处 (J 点为电缆与架空线的交点)
13、从 M 端递推得到的分布电流为tcI，从 N 端递推得到的电流为ctI，则存在如下关系：故障发生在电缆段时有tcctII，故障发生在J 点时有tcctII，故障发生在架空线段时有tcctII。当 J 点发生故障时，理论上不需再使用故障定位算法判定故障点，但由于采样数据和测量设备的误差，使得在J 点发生的故障可能被误判为电缆末端或架空线首端发生的故障。因此实际构造判据计算时容许存在较小的偏差，偏差以内的认为故障发生在J点，偏差以外的认为故障发生在电缆或架空线上。由于电缆和架空线的长度在故障前已知，故可依此作为判据断定故障发生在电缆或架空线上，然后利用式(9)判定故障点。混合线路系统中无论发生接地
14、还是不接地的不对称故障都会产生负序分量，因此可利用负序网递推计算故障点位置19-20。图 6 是更复杂的B 型高压架空线 电缆 架空线混合线路，各段长度已知。（空一行）M N 首段架空线末段架空线电缆线JtcJct图 3.4 B 型混合线路设在 Jtc处从 M 端递推得到的分布电流为tcI，从 N 端递推得到的电流为tcI；在Jct处从M 端递推得到的分布电流为ctI，从N 端递推得到的分布电流为ctI。存在如下关系：故障发生在首段架空线上时有tctcctct()()IIII(表示条件同时成立)；故障 发 生 在 连 接 点Jtc处 时 有t ct cc tc t()()IIII； 故 障 发
15、 生 在 中 间 电 缆 段 时 有tctcctct()()IIII；故障发生在连接点Jct处时有tctcctct()()IIII；故障发生 在末段架空线上时有tctcctct()()IIII。同前所述，电缆、架空线长度已知，依此作为判据断定故障发生在电缆或架空线上，然后利用式(9)判定故障点。此方法不要求双端数据同步，不受线路两端系统阻抗和过渡电阻的影响，不存在伪根判别问题，易于实现。但此方法只适用于结构相对简单的电缆 架空线混合线路输电系统，对于更为复杂的多段电缆、架空线交替出现的输电线路，在判定故障区段时判断依据较复杂，导致误差会随着连接点的增多而增大，使故障测距的精度降低。3.3 基于
16、波速度归一算法的双端行波测距法波速度归一算法行波测距算法的关键是行波波头的准确辩识和行波传播速度的确定(行波传播速度为1/vLC ， L、 C 为各段线路的分布电感与分布电容)。混合线路中的波速度明显不连续成为该方法在系统中应用的瓶颈，利用波速度归一算法能很好地解决这一问题21-22。设行波在架空线中的传播速度为v，在电缆段中传播速度为v ，以架空线的波速度v 为基准将电缆长度进行折算，对长度为l 的电缆折算后的长度为/vl v ，波速度归一化后的线路中行波传播速度为架空线的波速度v。 对波速度归一化后的线路应用式(2)可得到故障点在归一化后的线路中的位置，再折算到原来的实际线路，可消除波速不连续带来的影响。波速度归一算法中的架空线和电缆参数的选定基于某一频率，在实际计算中，选定的频率参数是基于最终测量行波所选定的频率段来设定的。基于波速度归一算法的双端行波测距由于架空线和电缆交替频繁，使得线路中行波的折反射非常复杂。理论分析和大量的仿真实验表明，对这种线路采用不加信号源的单端测距法很难鉴别出故障点
