梁鳳強(qiáng), 陳平, 徐林, 韓銘雪

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博　255049)

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架空線-海底電纜混合線路組合行波測距方法

梁鳳強(qiáng), 陳平, 徐林, 韓銘雪

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博255049)

分析了架空線-海底電纜混合輸電線路在發(fā)生故障后行波的折、反射過程,并在此基礎(chǔ)上提出一種架空線-海底電纜混合輸電線路組合行波測距方法，首先通過故障初始行波浪涌到達(dá)線路兩側(cè)測量裝置的時(shí)間差來判定故障區(qū)段，再由單端原理給出準(zhǔn)確的測距結(jié)果，本方法消除了雙端測距方法測距精度受給定線路長度誤差以及雙端時(shí)間不精確同步問題的影響。PSCAD仿真表明，所提方法可以準(zhǔn)確的給出測距結(jié)果，具有良好的現(xiàn)場應(yīng)用價(jià)值。

架空線；海底電纜；混合輸電線路；組合行波；測距方法

0　引　言

與架空線相比，電纜線具有輸電可靠性高、節(jié)省可用空間以及美化城市等優(yōu)點(diǎn)，從而在我國城市輸電網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛的應(yīng)用，在原有的架空線輸電網(wǎng)絡(luò)中逐步發(fā)展為電纜—架空線兩段混合輸電線路輸電網(wǎng)絡(luò))[1-3]。而且為了解決供電線路跨越海峽和大水道的特殊問題，出現(xiàn)了許多高壓架空線-電纜-架空線三段混合輸電線路。例如，海南聯(lián)網(wǎng)工程就采用了500 kV架空線-海底電纜-架空線三段混合輸電線路。由于存在兩種不同波阻抗的輸電線路，從而使得故障行波在輸電線路中的傳播過程更加復(fù)雜。當(dāng)混合輸電線路發(fā)生故障后，測距方法的測距精度越高，更有利于提高供電可靠性和減少經(jīng)濟(jì)損失。

目前,許多學(xué)者針對(duì)于普通架空線-電纜混合輸電線路已經(jīng)提出了多種測距方法，大致可以分為阻抗法以及行波法。阻抗法受故障初始角、線路故障類型以及過渡電阻等因素的影響較大，測距精度相對(duì)較低[4-7]。而行波測距方法則是利用混合輸電線路發(fā)生故障后故障行波波頭到達(dá)輸電線路兩側(cè)的時(shí)間通過測距算法來給出測距結(jié)果，行波法的優(yōu)勢在于不受故障初始角、過渡電阻、故障類型以及線路參數(shù)沿走廊分布不均勻等因素的影響[8-13]。對(duì)于架空線-海底電纜-架空線三段混合的輸電線路故障定位的方法，目前很少有學(xué)者研究。

文獻(xiàn)[14]針對(duì)海南聯(lián)網(wǎng)500 kV混合輸電線路提出了一種基于時(shí)間中點(diǎn)的雙端行波故障測距算法,但此方法需要確定時(shí)間中點(diǎn)以及搜索方向，而且確定的是故障的空間距離，受雙端時(shí)間同步誤差的影響。文獻(xiàn)[15]提出了利用分段補(bǔ)償原理來進(jìn)行混合輸電線路故障測距的方法，但此方法測距誤差受雙端線路給定長度誤差以及雙端時(shí)間同步誤差的影響。

提出一種適用于架空線-海底電纜混合輸電線路的組合行波測距方法，首先通過故障初始行波到達(dá)線路兩側(cè)的時(shí)間差來判定故障區(qū)段，再由單端原理給出準(zhǔn)確的測距結(jié)果。

1　混合輸電線路故障行波傳播特性

圖1　混合輸電線路故障行波傳播示意圖

圖1中，F(xiàn)表示輸電線路故障點(diǎn)，Q和P分別表示架空線路與電纜線路的連接點(diǎn)。LO1、LC、LO2分別表示架空線MQ段、電纜QP段和架空線NP段總長度，LMF表示故障點(diǎn)到母線M端的距離。tM和tN表示故障行波到達(dá)混合線路母線M端和N端的絕對(duì)時(shí)刻,tMi和tNi(i=1,2,3)為線路M與N端測量裝置接收到第i個(gè)波形的時(shí)刻。

2　架空線-海底電纜混合輸電線路組合行波測距方法

2.1故障區(qū)段的確定

分別計(jì)算當(dāng)架空線MQ段中點(diǎn)A處、海底電纜與架空線的連接點(diǎn)Q處、海底電纜QP段中點(diǎn)B處、海底電纜與架空線的連接點(diǎn)P處以及架空線NP段中點(diǎn)C處發(fā)生故障時(shí)故障初始行波到達(dá)母線兩側(cè)的時(shí)間差來作為整定值序列，即：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5、分別表示架空線MQ段中點(diǎn)A、電纜與架空線的連接點(diǎn)Q處、電纜QP段中點(diǎn)B、電纜與架空線的連接點(diǎn)P處以及架空線NP段中點(diǎn)C處發(fā)生故障時(shí)故障初始行波到達(dá)母線兩側(cè)的時(shí)間差值,故障行波在海底電纜以及架空線中的傳播速度分別用vC和vO來表示。

當(dāng)混合輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障行波第一次、第二次以及第三次到達(dá)母線M端和N端的時(shí)間分別記為tM1和tN1、tM2和tN2。令Δt=tM1-tN1，若Δt<ΔT1時(shí)，判定故障點(diǎn)位于架空線MA段且線路M端第二次接收到的波形為故障點(diǎn)的反射波；若Δt=ΔT1時(shí)，判定故障點(diǎn)位于架空線MQ段的中點(diǎn)A處；若ΔT1<Δt<ΔT2時(shí)，判定故障點(diǎn)位于架空線AQ段且M端第二次接收到的波形為架空線與海纜的連接點(diǎn)Q的反射波；若Δt=ΔT2時(shí)，判定故障點(diǎn)位于海纜與架空線的連接點(diǎn)Q處；若ΔT2<Δt<ΔT3，判定故障點(diǎn)位于海底電纜QB段且M端第二次接收到的波形為故障點(diǎn)反射波；若Δt=ΔT3時(shí)，判定故障點(diǎn)位于海底電纜QP段的中點(diǎn)B處；若ΔT3<Δt<ΔT4，判定故障點(diǎn)位于海底電纜BP段且M端第二次接收到的波形為故障點(diǎn)反射波；若Δt=ΔT4時(shí)，判定故障點(diǎn)位于海底電纜與架空線的連接點(diǎn)P處；若ΔT4<Δt<ΔT5時(shí)，判定故障點(diǎn)位于架空線PC段且M端第二次接收到的波形為故障點(diǎn)反射波；若Δt=ΔT4時(shí)，判定故障點(diǎn)位于架空線NP段的中點(diǎn)C處；若Δt>ΔT5時(shí)，判定故障點(diǎn)位于架空線NC段且M端第二次接收到的波形為N端母線的反射波。

2.2故障測距結(jié)果的給定

若故障點(diǎn)位于架空線MA段，故障點(diǎn)F到母線M側(cè)的距離由單端原理給出：

(6)

若故障點(diǎn)位于架空線AQ，故障點(diǎn)F到母線M側(cè)的距離由單端原理給出：

(7)

若故障點(diǎn)位于電纜QB段，故障點(diǎn)F到母線M側(cè)的距離由單端原理給出：

(8)

若故障點(diǎn)位于電纜BP段，故障點(diǎn)F到母線M側(cè)的距離由單端原理給出：

(9)

若故障點(diǎn)位于架空線PC段，故障點(diǎn)F到母線M側(cè)的距離由單端原理給出：

(10)

若故障點(diǎn)位于架空線NC段，故障點(diǎn)F到母線M側(cè)的距離由單端原理給出：

(11)

3　仿真驗(yàn)證

3.1仿真模型參數(shù)

利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD建立如圖2所示500 kV架空線-海底電纜混合線路模型，其中，M端和N端的系統(tǒng)電抗均為0.031 4 Ω，電源初始角為30°，L1為124.411 km，L2為31.4 km，L3為13.468 km，F(xiàn)1點(diǎn)距離M端的距離30 km,F2點(diǎn)距離M端的距離139.411 km，F(xiàn)3點(diǎn)距離M端的距離161.811 km，仿真頻率為1 MHz，仿真模型如圖2所示。

圖2　500 kV架空線-海底電纜混合輸電線路電路圖

圖3　500 kV架空輸電線路結(jié)構(gòu)圖

模型中架空線的參數(shù)為：水平布置的不換位架空輸電線路結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中，C1、C2分別表示架空地線，C3、C4、C5分別表示架空輸電線路A、B、C三相導(dǎo)線，導(dǎo)線選用LGJQ-300×4，直徑23.7 mm，4分裂，裂相距離45 cm，直流電阻0.108 Ω/km。地線選用2×LHGJJ-90(分段接地)，直徑14.84 mm，直流電阻0.374 Ω/km。

根據(jù)架空線依頻特性參數(shù)可求得故障行波在架空線路中的傳播速度為294 km/ms。

電纜的依頻特性參數(shù)如圖4所示。

圖4　500 kV電纜依頻特性參數(shù)分布圖

圖中，Conductor表示導(dǎo)體層，Insulator1表示絕緣層，Sheath表示金屬屏蔽層，Insulator2表示絕緣屏蔽層，Armour表示鎧裝層，Insulator3表示外護(hù)層，根據(jù)電纜依頻特性參數(shù)可求得行波在電纜線路中的傳播速度為192 km/ms。

將所給參數(shù)代入公式(1)-(5)可求得：ΔT1=-209.4 μs，ΔT2=213.8 μs，ΔT3=377.4 μs，ΔT4=540.9 μs，ΔT5=586.7 μs。

3.2F點(diǎn)故障

設(shè)t=0時(shí)，在F1點(diǎn)發(fā)生A相接地短路故障，過渡電阻為80 Ω，故障初始角為90度?；旌暇€路兩端采集的故障電流與故障電壓行波波形如圖5所示。

圖5　F1點(diǎn)故障時(shí)M和N端的故障相電流與電壓行波波形

通過對(duì)M端和N端接收到的故障相電流與電壓暫態(tài)波形的分析，可得故障行波浪涌到達(dá)M端和N端的時(shí)刻分別為tM1=102 μs，tM2=306 μs，tN1=530 μs?？捎?jì)算出Δt=tM1-tN1=-428 μs，顯然Δt<ΔT1，故判定故障點(diǎn)位于架空線MA段，由式(6)可計(jì)算出故障點(diǎn)F到母線M端的距離：LMF=29.988 km，測距誤差為12 m。

表1給出了500 kV架空線-海底電纜混合線路6個(gè)不同點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，雙端行波測距方法所得到的測距結(jié)果與誤差。

表1　 500 kV架空線-海底電纜混合線路故障仿真的測距結(jié)果

從表1中的測距結(jié)果中可以看出，在500 kV架空線-海底電纜混合線路中用雙端行波測距方法測距的誤差一般在150 m以內(nèi)?？梢姳疚乃岢龅募芸站€-海底電纜混合輸電線路組合行波測距方法可準(zhǔn)確可靠地判斷架空線—電纜混合線路故障點(diǎn)所在的具體位置。

4　結(jié)束語

分析了架空線-海底電纜混合線路故障后暫態(tài)行波的折、反射現(xiàn)象，提出一種適用于合輸電線路的組合行波測距方法，該方法消除了雙端測距方法測距精度受給定線路長度誤差以及雙端時(shí)間不精確同步問題的影響，PSCAD仿真表明，測距精度明顯提高，具有良好的現(xiàn)場應(yīng)用價(jià)值。

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A Locating Method through the Combined Traveling Wave of the Overhead line-submarine Cable Hybrid Line

LIANG Feng-qiang, CHEN Ping, XU Lin, HAN Ming-xue

(College of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255049, China)

After analyzing refraction and reflection processes of the traveling wave on the overhead line - submarine cable hybrid transmission line after fault occurrence, this paper presents a locating method through combined traveling wave. First, the difference between arrival times of the initial fault traveling wave surge at the measuring devices arranged at the two sides of the line is used to judge the fault section. Then, an accurate locating result is given in the single-end principle. This approach eliminates the influence of locating accuracy by the length error of the given line and by inaccurate time synchronization between the two ends in the case of double-end locating. PSCAD simulation results show that the proposed approach can give an accurate locating result and has a good value of application in the field.

overhead line; submarine cable; hybrid transmission line; combined traveling wave;locating method

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.024

TM721

A

1000-3886(2016)02-0076-04

梁鳳強(qiáng)(1990-)，男，山東臨沂人，碩士生，研究方向：電網(wǎng)故障檢測與定位。

陳平(1969-)，男，重慶豐都人，教授；主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。

定稿日期: 2015-09-06