王國(guó)義，袁濤

高壓輸電線路行波故障選相及測(cè)距研究

王國(guó)義，袁濤

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 互 聯(lián)網(wǎng)與通信學(xué)院，安徽 蕪湖 241002）

針對(duì)電力系統(tǒng)高壓輸電線路上故障相別和故障點(diǎn)測(cè)距問題，提出一種行波故障選相及單端測(cè)距分析法。通過提取輸電線路在發(fā)生故障時(shí)暫態(tài)過程包含的大量故障特征信息，利用凱倫貝爾變換方法將三相電壓、電流進(jìn)行相模轉(zhuǎn)換。根據(jù)不同短路故障下,, 0模分量之間的關(guān)系進(jìn)行故障選相和輸電線路故障點(diǎn)的定位。最后通過建立的雙源電力系統(tǒng)短路故障仿真模型數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。

短路故障；相模變換；故障選相；故障定位

由于輸電線路距離遠(yuǎn)，輸電線路裸露在復(fù)雜環(huán)境中等原因，增加了輸電線路發(fā)生短路故障的概率[1-2]。一旦發(fā)生短路故障會(huì)造成電力網(wǎng)絡(luò)的大面積停電，將嚴(yán)重危害經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)以及人民生活安全。

在電力系統(tǒng)中，可能發(fā)生的短路類型有以下四種：?jiǎn)蜗嘟拥囟搪?，兩相接地短路，兩相相間短路和三相短路。產(chǎn)生短路的原因通常包括輸電線路絕緣材料老化、設(shè)計(jì)缺陷、大風(fēng)/冰凍等自然災(zāi)害、人員違規(guī)操作、鳥獸/樹枝/塑料膜等物體跨接線路等[3]。因此，在故障發(fā)生時(shí)實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的故障類型判斷和故障定位，對(duì)于降低經(jīng)濟(jì)損失至關(guān)重要。

1 行波

1.1 行波基本概念

電力系統(tǒng)輸電線路在電能傳輸過程中，電壓加載在輸電線路上，電流通過導(dǎo)線，輸電線路導(dǎo)體周圍空間同時(shí)存在磁場(chǎng)和電場(chǎng)。當(dāng)輸電線路電壓隨著時(shí)間變化時(shí)，其周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)也隨著發(fā)生相應(yīng)變化，類同電磁波傳播一樣，輸電線路上的電流、電壓同樣以電磁波的形式在線路上傳播。

電力系統(tǒng)輸電線路正常工作時(shí)，線路上的電流和電壓都呈現(xiàn)為正弦波形或余弦波形，但輸電線路發(fā)生短路時(shí)，線路上的電流以及電壓波形將發(fā)生變化[4-5]。由于輸電線路中存在分布電容以及分布電感的關(guān)系，所以短路故障產(chǎn)生的電壓和電流會(huì)以電磁場(chǎng)波形向線路兩端傳播形成電壓/電流行波。這些故障行波中包含著一些故障分析所需要的信息如：故障距離、故障時(shí)間、故障類別、故障相路等。如果能夠準(zhǔn)確地提取線路故障狀況下的電壓、電流行波數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，就可以準(zhǔn)確快速地獲得故障信息從而切除故障，維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定[6]。

1.2 行波基本信息

如果將單根無損的分布參數(shù)線路上的電壓和電流用線路上的位置和時(shí)間為變數(shù)的偏微分方程來表示，則可得出下列方程式：

式中，，為線路單位長(zhǎng)度的電感和對(duì)地電容。

將其分別對(duì)和進(jìn)行微分，經(jīng)過變換得到波動(dòng)方程：

對(duì)式(3)和(4)求解達(dá)朗貝爾（D’Alembert）解為

1.3 相模轉(zhuǎn)換

在三相輸電線路中，由于線路之間會(huì)發(fā)生互感以及相間分布電容和對(duì)地分布電容的關(guān)系，所以輸電線路各個(gè)相路之間存在復(fù)雜的耦合現(xiàn)象，導(dǎo)致電力系統(tǒng)中各個(gè)相路的行波分量不能單獨(dú)考慮，所以解除各相之間的電磁耦合關(guān)系十分必要。通過相模轉(zhuǎn)換將相線上的三個(gè)互不獨(dú)立的電壓、電流相分量轉(zhuǎn)換成獨(dú)立的電壓、電流模分量。通過Clarke變換或Karenbauer變換可以實(shí)現(xiàn)相模轉(zhuǎn)換[7]。

若利用Clarke變換，則有：

若利用Karenbauer變換，則有：

2 電力系統(tǒng)短路故障仿真與分析

2.1 雙源電力系統(tǒng)短路故障仿真模型

為了驗(yàn)證行波短路故障分析方法的有效性，建立如圖1所示電力系統(tǒng)模型獲得行波仿真數(shù)據(jù)。圖中電源EM1、EM2選用三相電源模塊，基準(zhǔn)線電壓設(shè)置為110kV，采用Yg型連接，頻率設(shè)置為50Hz。輸電線路L1, L2, L3, L4選用分布參數(shù)輸電線路，其單位長(zhǎng)度電阻設(shè)置為[0.02083 0.11480]，單位長(zhǎng)度電感設(shè)置為[0.008984 0.022886]，N設(shè)置為3，L1和L2長(zhǎng)度分別設(shè)置為100和200km，L3和L4長(zhǎng)度設(shè)置為20km。變壓器選用Three-Phase Transformer（Two Windings）模塊，其變壓比設(shè)置為110kV/11kV。負(fù)載load1，load2選用串聯(lián)RLC負(fù)荷模塊，其線電壓設(shè)置為11kV，有功功率設(shè)為1MW。故障發(fā)生模塊選用三相故障發(fā)生模塊。求解算法選用ode23tb算法。To File模塊和To File1模塊用來測(cè)量A, B端的行波電流、電壓數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

圖1 雙源電力系統(tǒng)短路故障模型

2.2 雙源電力系統(tǒng)短路故障仿真分析

在雙源電力系統(tǒng)模型中設(shè)置四類模擬短路故障：三相短路、兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路。故障仿真時(shí)間設(shè)置為[0.035 0.050]，選擇故障點(diǎn)處的三相電壓和電流波形為采樣數(shù)據(jù)，觀測(cè)到不同短路狀態(tài)下電壓、電流波形的變化如圖2所示，圖中三相電流和電壓波形分別用A相、B相和C相表示。

圖2 不同類型短路故障短路電壓、電流波形圖

從仿真結(jié)果可以看出，在0.035s以前，所有圖形中電壓波形均呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。在0.035s輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)，各種故障類型下短路電壓波形發(fā)生不同變化，圖2(a)中A, B, C三相的電壓立刻降為0；圖2(b)中A, B兩相的電壓幅值驟降為零，C相電壓幅值增大呈正弦波形；圖2(c)中A, B兩相的電壓立刻降低為零，C相電壓波形幾乎沒有變化；圖2(d)中A相的電壓幅值驟降為零，B, C兩相電壓幅值基本不變。

在0.035s以前，短路故障未發(fā)生，所有仿真圖形中三相電流的值均為0。在0.035s輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)，各種故障類型下短路電流波形發(fā)生不同變化，圖2(a)中A, B, C三相電流幅值迅速升高，并呈現(xiàn)近乎正弦波的波形傳播；圖2(b)和(c)中故障點(diǎn)A, B兩相電流幅值迅速升高并呈現(xiàn)近乎正弦波的波形傳播；圖2(d)中故障點(diǎn)A相線路電流發(fā)生變化，電流幅值迅速升高并呈現(xiàn)近乎正弦波的波形傳播。

通過故障類型的模擬以及示波器波形的顯示，可以看出短路時(shí)的暫態(tài)電流變得十分大，在實(shí)際線路中短路時(shí)短路電流由于熱效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生巨大熱量，這就要求線路中導(dǎo)體具有強(qiáng)大的耐熱性。下文將以此采樣數(shù)據(jù)為依據(jù)，進(jìn)行短路故障選項(xiàng)和測(cè)距分析。

3 行波故障選相

3.1 選取行波的輸入信號(hào)

電流，，線模和0模分量關(guān)系如下所示

3.2 故障選相的判別條件

表1 電力系統(tǒng)短路故障選相判別條件

4 結(jié)束語

本文通過MATLAB軟件建立了一個(gè)雙源電力系統(tǒng)仿真模型，模擬電力系統(tǒng)故障并對(duì)輸電線路上的行波信號(hào)進(jìn)行分析。通過提取輸電線路上的電流故障行波，根據(jù)凱倫貝爾變換公式進(jìn)行相模轉(zhuǎn)換得到三相電流的,,和0模分量，以此作為故障選相的判別條件。同時(shí)編寫實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行故障選相，并根據(jù)單端行波測(cè)距法進(jìn)行故障定位。仿真結(jié)果驗(yàn)證了行波分析法對(duì)電力系統(tǒng)短路故障選相以及故障測(cè)距具有較高的準(zhǔn)確性。

表2 行波測(cè)距仿真結(jié)果

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Study on fault phase selection and fault location of traveling wave in transmission line

WANG Guo-yi，YUAN Tao

(School of Internet and Communication, Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering, Anhui Wuhu 241002, China)

In connection with the problem of fault phasing and fault location on high voltage transmission lines in power system, this paper proposes a traveling wave fault phase selection and single-ended location analysis method. By extracting a large amount of fault feature information contained in the transient process of the transmission line when a fault occurs, the three-phase voltage and current are converted into phase-mode using the Karen Bell transform method.According to the relationship between,and 0 mode components under different short-circuit faults, the fault phase selection and the location of the fault point of the transmission line are carried out. Finally, the effectiveness of the proposed method is verified by the data analysis results of the established dual-source power system short-circuit fault simulation model.

short circuit fault；phase mode transformation；fault selection；fault location

2022-02-17

安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2020A1113）；安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2021kjtd09）

王國(guó)義（1985-），男，安徽阜陽人，講師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與嵌入式應(yīng)用研究，ahjdwgy@126.com。

TM75

A

1007-984X(2022)04-0020-05