侯 偉 ，李寧

(1.國網北京市電力公司城區(qū)供電公司,北京 100010；2.國網北京市電力公司電纜分公司,北京 100020)

隨著國民生活的不斷提高,城市建設的步伐加快,用電負荷也越來越大,傳統(tǒng)的架空線路不能滿足城市的發(fā)展,也不符合城市現(xiàn)代化發(fā)展,因此采用了高壓電纜線路,隨之架空線路-高壓電纜線路的混合輸電線路越來越普及[1-2]。然而其故障也隨之增多,也較為復雜[3-4],因此對混合輸電線路的故障定位的研究具有重要意義。

目前,針對架空線路的故障定位方法主要有兩種分別為阻抗法以及行波法[5-7]。阻抗法具有應用方便,且經濟性高等特點,然而會受到系統(tǒng)阻抗或者過渡電阻等條件的影響,進而造成計算精度下降[8]。行波法能夠有效降低輸電線路運行方式、線路分布不均以及過渡電阻等條件的影響,然而針對混合輸電線路仍受到不同線路參數(shù)的影響,進而造成精度降低[9-10]。

為了提高精度,一種基于雙端行波原理的混合輸電線路故障電位方法,通過對兩側行波進行檢測能大致判斷故障位置,但由于受到行波兩端不同步造成的誤差,將會影響其判斷精度[11-12]。一種基于波速度歸一法的混合輸電線路故障判斷方法被提出,該法通過將架空線路以及電纜線路的行波傳播速度進行折算進而實現(xiàn)故障判斷[13-14]。然而該方法實現(xiàn)困難且也會受到行波兩端不同步的影響。此外,一些學者還提出了一種基于時間中點的雙端行波故障測距算法以及一種基于分段補償原理的混合線路雙端行波故障定位方法等方法[15-17],然而上述方法測量精度均受到雙端線路長度與時間不同步的影響,因此仍無法滿足現(xiàn)階段混合輸電線路故障判斷和定位的需求。

本文為了提高混合輸電線路的故障測距效率,針對基于混合輸電線路下故障測距策略進行了深入研究。首先深入研究了架空線路-電纜線路-架空線路結構的故障行波傳播原理,針對故障點所在線路上以及對接處等情況提出了混合輸電線路故障測距模型,通過搭建仿真模型,進而獲得混合輸電線路不同位置出現(xiàn)故障時的行波狀態(tài),并對所提故障測距策略的有效性進行驗證,其結果具有一定的工程實際意義。

1 混合輸電線路行波傳播原理研究

1.1 故障行波傳播原理

在由架空線路-電纜線路-架空線路的結構交替連接組成的混合輸電線路出現(xiàn)故障后,其故障行波的傳播路徑示意如圖1 所示。由于混合輸電線路的變化行波阻抗不一樣,所以其傳輸?shù)乃俾室膊槐M相同,在電纜和架空線對接處的行波阻抗即為行波傳遞的轉折點,因此在傳播過程中遇到故障或者對接處均會產生行波折射以及反射[18]。

圖1 中,Lo1和Lo2分別表示兩段架空線路的長度,Lc則表示電纜線路的長度,K 和P 點分別表示了架空線路和電纜線路對接點,而F 點則表示故障點的位置,LMF則表示混合線路一段M 點和故障點F的距離。此外,參數(shù)tM和tN分別表示了故障點行波到達混合輸電線路的兩側的時間,且i表示線路兩端所收到的第i個波形,并令行波在電纜中傳播速度為vc,在架空線路中傳播速度為vo。

圖1 混合輸電線路故障行波的傳播路徑圖

從圖1 中能夠得到,當線路出現(xiàn)故障后,其行波傳播路徑較為復雜。以圖中故障點F 向混合輸電線路的M 端進行行波傳播過程為例進行分析。當故障出現(xiàn)時,其初始行波將會向M 端和N 端同時進行傳播,其中向M 端傳播過程中遇到對接點K 后,行波產生折射并繼續(xù)向M 端傳播,接著在M 端處出現(xiàn)折射以及反射,同時,另一側故障行波向N 端傳播過程中遇到對接點P 后,行波產生折射和反射,其中折射波繼續(xù)向N 端傳遞,反射波則向故障點F 進行傳播,并同樣產生折射以及反射,其中該折射波將會繼續(xù)向M端傳播,并且在M 端同樣發(fā)生折射與反射,反射波又會傳播至故障點F 處,如此不斷循環(huán)傳遞。

1.2 行波折射和反射特性

在架空線路-電纜線路-架空線路的混合線路結構中,行波的傳播路徑示意圖如圖2 所示。

圖2 行波的傳播路徑示意圖

圖中,參數(shù)Zc和Zo分別表示了電纜線路以及架空線路的阻抗,參數(shù)U表示行波的電壓,而參數(shù)aK以及aP分別表示了行波在兩個對接點的折射系數(shù),而在兩個對接點的反射系數(shù)分別為bK以及bP,根據反射和折射特點,其各系數(shù)分別被定義為:

若令兩端的架空線路長度足夠長,即其遠處端的反射波還沒傳播至電纜和架空線路的對接處K和P,此時幅值U的電壓行波從架空線路1 端向右傳播,當其行波傳播至對接點K 處時,行波出現(xiàn)折射波以及反射波,其中折射波會繼續(xù)向右側傳播,在電纜線路上傳播時間為Lc/vc,行波到達第二個對接點P 處,此時行波同樣會產生反射波和折射波,其折射波繼續(xù)沿架空線路2 傳播,反射行波則是沿電纜向K 處傳播,如此不斷循環(huán)反復。令電壓行波第一次到達K 處時作為初始時間,入射波方向設定為正方向,因此在P 處正方向上電壓行波U(t)被定義為:

式中:參數(shù)n表示第n次反射。該式的第一項表示行波第一次從架空線路傳播至電纜線路的電壓行波分量,而第二項則表示在經過多次反射后再從P 處折射向架空線路2 端傳播。同理能夠得到其P 處正方向上電流行波I(t)被定義為:

此外,由于架空線路的波阻抗比電纜的大,所以行波在電纜中傳播后,其幅值也會出現(xiàn)減弱。

2 混合輸電線路故障測距方法

2.1 確定故障區(qū)間

針對故障出現(xiàn)在架空線路-電纜線路-架空線路的混合輸電線路的不同位置,建立故障區(qū)間定位策略。在圖1 的示意圖上,假定三段線路MK(架空線路)、KP(電纜線路)、KP(架空線路)的中點A、B、C 三處以及在兩個對接點K 和P 處出現(xiàn)故障時,故障行波傳播至架空線路兩端的時間差值進行序列整定,其公式定義為:

式中:參數(shù)ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4以及ΔT5分別表示了故障點在A、K、B、P 以及C 點出現(xiàn)故障時,其故障行波向兩端傳播時間的偏差。

令故障點傳播至兩端的時間為Δt,其值等于tM1和tN1的差值,當線路在不同地方出現(xiàn)故障時,其區(qū)間判定結果如表1 所示。

表1 混合輸電線路故障區(qū)間判斷

2.2 故障距離判斷

針對故障出現(xiàn)在架空線路-電纜線路-架空線路的混合輸電線路的不同位置時,即根據表1 對其故障與線路最左側M 端的距離進行判斷。

當故障出現(xiàn)在架空線路MA 區(qū)間內,在線路的M 端第二次接收行波是故障點的反射波,因此其故障點F 與線路最左側M 端的距離被定義為:

當故障點出現(xiàn)在第一段架空線路的中點A 點時,其在線路的M 端第二次接收行波是對接K 點與故障點反射波的累積波,且其F 與M 端的距離即為:

當故障出現(xiàn)在架空線路AK 區(qū)間內,在線路的M 端第二次接收行波是對接處K 點的反射波,因此其故障點F 與線路最左側M 端的距離被定義為:

當故障點出現(xiàn)在第一段架空線路和電纜線路的對接處K 點時,其F 與M 端的距離即為:

當故障出現(xiàn)在電纜線路KB 區(qū)間內,在線路的M 端第二次接收行波是故障點的反射波,因此其故障點F 與線路最左側M 端的距離被定義為:

當故障點出現(xiàn)在電纜線路的中點B 點時,其在線路的M 端第二次接收行波是對接P 點與故障點反射波的累積波,且其F 與M 端的距離被定義為:

當故障出現(xiàn)在電纜線路BP 區(qū)間內,在線路的M 端第二次接收行波是對接P 點的反射波,因此其故障點F 與線路最左側M 端的距離被定義為:

當故障點出現(xiàn)在電纜線路和第二段架空線路對接處P 點時,其F 與M 端的距離即為:

當故障出現(xiàn)在第二段架空線路PC 區(qū)間內,在線路的M 端第二次接收行波是故障點的反射波,因此其故障點F 與線路最左側M 端的距離被定義為:

當故障點出現(xiàn)在第二段架空線路的中點C 點時,其在線路的M 端第二次接收行波是N 端與故障點反射波的累積波,且其F 與M 端的距離即為:

當故障出現(xiàn)在第二段架空線路CN 區(qū)間內,在線路的M 端第二次接收行波是N 端的反射波,因此其故障點F 與線路最左側M 端的距離被定義為:

以江西工業(yè)貿易職業(yè)技術學院（以下簡稱江西工貿職院）為基地，與江西省糧油質量監(jiān)督檢驗中心共同成立食品安全檢測應用技術協(xié)同創(chuàng)新中心。雙方共建實訓場所，將創(chuàng)新中心打造成優(yōu)良實驗室規(guī)范（GLP），由江西工貿職院與企業(yè)實施訂單培養(yǎng)，江西工貿職院與江西省糧油質量監(jiān)督檢驗中心為江西省內糧食食品企業(yè)檢驗人員提供培訓，并為糧油食品企業(yè)提供第三方檢測服務。

3 混合輸電線路故障仿真模型建立

架空線路-電纜線路-架空線路結構的混合輸電線路電路圖如圖3 所示,其中在各段線路上共設計了4 個故障點。

圖3 混合輸電線路故障電路示意圖

通過PSCAD 軟件構建其仿真模型,如圖4 所示。主要參數(shù)設置為:架空線路的兩側M 與N 端的電壓源均設定為500 kV,型號為LGJQ,4 分裂形式,半徑為11.8 mm,裂相長度為450 mm,直流電阻大小為每公里0.108 Ω,電抗值大小為0.031 4 Ω；電纜結構則由6 層材料構成,從內向外分別是導體層、絕緣層1、保護層、絕緣層2、鎧裝層以及絕緣層3,厚度分別設定為18 mm、35 mm、36 mm、36.8 mm、38.2 mm 以及41.2 mm；系統(tǒng)頻率設定為10 MHz。線路各段距離分別設定為:架空線路MK 距離和PN 距離分別為125 km 和10 km,而電纜段KP 距離則為30 km；并在各段內設定一個故障點,第一個故障點F1 在MK 區(qū)間,距離電纜M 端50 km；第二個故障點F2 在KP 區(qū)間,距離對接點K 為13 km；第三個故障點F3 對接點K 處；第四個故障點F4 在架空線PN 區(qū)間,距離對接點P 為5 km。

圖4 混合輸電線路故障仿真模型

4 仿真結果及其分析

4.1 金屬直接接地故障仿真結果

(1)故障出現(xiàn)在F1 點

當架空線路-電纜線路-架空線路結構的混合輸電線路各故障點在初始時刻(t＝0)出現(xiàn)金屬性接地故障,且無過渡電阻,對線路M 端和N 端兩端的故障相電流行波波形以及相電壓行波波形進行采集。在故障點F1 點出現(xiàn)金屬性接地故障時仿真結果如圖5 所示。

圖5 故障點F1 的仿真結果

從圖中能夠得到,第一次到達線路M 端的時間tM1為168 μs,第二次到達線路M 端的時間tM2為502 μs,第一次到達線路N 端的時間tN1為457 μs。因此其Δt為-289 μs,此外根據式(4)可得參數(shù)ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4以及ΔT5的值分別為:

由于Δt小于ΔT1的值,因此判斷其故障發(fā)生在MA 區(qū)間內,通過式(5)進一步得到其距離M 端的長度LFM為49.995 km,其計算結果與設定值的誤差為0.005 km,表明該情況下此法能夠較為準確判斷故障位置。

(2)故障出現(xiàn)在F2 點

在故障點F2 點出現(xiàn)金屬性接地故障時仿真結果如圖6 所示。

圖6 故障點F2 的仿真結果

(3)故障出現(xiàn)在F4 點

在故障點F4 點出現(xiàn)金屬性接地故障時仿真結果如圖7 所示。

圖7 故障點F4 的仿真結果

從圖中能夠得到,第一次到達線路M 端的時間tM1為599 μs,第二次到達線路M 端的時間tM2為632 μs,第一次到達線路N 端的時間tN1為29 μs。因此其Δt為570 μs,在ΔT4和ΔT5的區(qū)間范圍內,即判斷故障發(fā)生在電纜線路的PC 段區(qū)間,通過式(13)進一步得到其距離M 端的長度LFM為160.12 km,其計算結果與設定值的誤差為0.12 km,表明該情況下此法能夠較為準確判斷故障位置。

(4)故障出現(xiàn)在F3 點

在故障點F3 點出現(xiàn)金屬性接地故障時仿真結果如圖8 所示。

圖8 故障點F3 的仿真結果

從圖中能夠得到,第一次到達線路M 端的時間tM1為582 μs,第二次到達線路M 端的時間tM2為672 μs,第一次到達線路N 端的時間tN1為46 μs。因此其Δt為536 μs。又由于存在的一定測量誤差造成其Δt值和ΔT4的值雖然十分接近,但不完全一致。針對在對接處故障增加了一個判定條件,即若Δt的值遠大于Δt和ΔT4的差值且其該差值小于1 μs,則可利用在對接處故障進行距離計算。通過式(12) 進一步得到其距離M 端的長度LFM為155 km,其計算結果與設定值一致,表明該情況下此法能夠較為準確判斷故障位置。

綜合分析,當架空線路-電纜線路-架空線路結構的混合輸電線路不同地方出現(xiàn)金屬直接接地故障時,通過所提方法能夠較為準確定位到故障位置。

4.2 經過渡電阻接地故障仿真結果

模擬混合輸電線路各故障點在初始時刻(t＝0)出現(xiàn)經過60 Ω 的過渡電阻單相接地故障,并對線路M 端和N 端兩端的故障相電流行波波形以及相電壓行波波形進行采集。

(1)故障出現(xiàn)在F1 點

在故障點F1 點出現(xiàn)金屬性接地故障時仿真結果如圖9 所示。

圖9 故障點F1 的仿真結果

從圖中能夠得到,第一次到達線路M 端的時間tM1為168 μs,第二次到達線路M 端的時間tM2為502 μs,第一次到達線路N 端的時間tN1為457 μs。因此其Δt為-289 μs,由于Δt小于ΔT1的值,因此判斷其故障發(fā)生在MA 區(qū)間內,通過式(5)進一步得到其距離M 端的長度LFM為49.995 km,其計算結果與設定值的誤差為0.005 km,表明該情況下此法能夠較為準確判斷故障位置。

(2)故障出現(xiàn)在F2 點

在故障點F2 點出現(xiàn)金屬性接地故障時仿真結果如圖10 所示。

圖10 故障點F2 的仿真結果

從圖中能夠得到,第一次到達線路M 端的時間tM1為485 μs,第二次到達線路M 端的時間tM2為622 μs,第一次到達線路N 端的時間tN1為143 μs。因此其Δt為342 μs,在ΔT2和ΔT3的區(qū)間范圍內,即判斷故障發(fā)生在電纜線路的KB 段區(qū)間,通過式(9)進一步得到其距離M 端的長度LFM為138.01 km,其計算結果與設定值的誤差為0.01 km,表明該情況下此法能夠較為準確判斷故障位置。

(3)故障出現(xiàn)在F3 點

在故障點F3 點出現(xiàn)金屬性接地故障時仿真結果如圖11 所示。

圖11 故障點F3 的仿真結果

從圖中能夠得到,第一次到達線路M 端的時間tM1為582 μs,第二次到達線路M 端的時間tM2為672 μs,第一次到達線路N 端的時間tN1為46 μs。因此其Δt為536 μs。由于Δt和ΔT4的差值僅為0.4 μs,小于1 μs,則可利用在對接處故障進行距離計算。通過式(12)進一步得到其距離M 端的長度LFM為155 km,其計算結果與設定值一致。

(4)故障出現(xiàn)在F4 點

在故障點F4 點出現(xiàn)金屬性接地故障時仿真結果如圖12 所示。

圖12 故障點F4 的仿真結果

從圖中能夠得到,第一次到達線路M 端的時間tM1為599 μs,第二次到達線路M 端的時間tM2為632 μs,第一次到達線路N 端的時間tN1為29 μs。因此其Δt為570 μs,在ΔT4和ΔT5的區(qū)間范圍內,即判斷故障發(fā)生在電纜線路的PC 段區(qū)間,通過式(13)進一步得到其距離M 端的長度LFM為160.12 km,其計算結果與設定值的誤差為0.12 km,表明該情況下此法能夠較為準確判斷故障位置。

通過將經過渡電阻接地故障仿真結果和直接金屬性接地故障仿真結果對比能夠得到其經過過渡電阻后對線路故障行波的幅值有影響,對故障行波傳播時間并無影響,因此通過所提方法仍能夠較為準確定位到故障位置。

5 結論

本文研究了基于混合輸電線路下故障測距方法。深入探究了架空線路-電纜線路-架空線路結構的混合輸電線路故障行波傳播原理,并基于行波原理提出故障位置區(qū)間定位以及距離計算方法。通過建立仿真模型模擬在混合輸電線路不同位置出現(xiàn)金屬性直接接地故障和經過渡電阻接地故障時,對線路兩端的故障行波進行采集和分析。其實驗結果表明:所提的基于混合輸電線路下復合故障行波測距方法,能夠較為準確地判斷和定位到混合輸電線路上出現(xiàn)兩種故障時,其所在區(qū)間和距離。通過雙端故障策略和在對接點故障策略相結合,有效彌補雙端策略因長度與時間所引起的誤差。此外,經過過渡電阻時,其故障波形只有幅值受到影響,對故障行波傳播時間并無影響。該結果對混合輸電線路故障更好的定位和測距有重要意義。