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电缆—架空线混合线路故障测距方法综述刘奔龙

发表时间：2020/6/2 来源：《基层建设》2019年第35期作者：刘奔龙

[导读] 摘要：针对架空线—电缆混合线路的故障测距问题，提出了一种分布式故障测距方法，在混合线路各连接点及母线处安装三相故障电流检测装置，根据检测到的故障电流极性判断故障支路，再根据故障支路两端检测到故障电流行波的时间进行初步定位并进一步修正。该方法可在线计算出行波波速，并可分析出离故障点较近的检测点所检测到的第二个故障行波的来源。

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        摘要：针对架空线—电缆混合线路的故障测距问题，提出了一种分布式故障测距方法，在混合线路各连接点及母线处安装三相故障电流检测装置，根据检测到的故障电流极性判断故障支路，再根据故障支路两端检测到故障电流行波的时间进行初步定位并进一步修正。该方法可在线计算出行波波速，并可分析出离故障点较近的检测点所检测到的第二个故障行波的来源。ＰＳＣＡＤ仿真验证结果表明，该方法不受过渡电阻、故障类型等因素的影响，误差一般在１００ｍ以内。
        关键字：电缆；架空线；故障测距；
        引言
        随着现代城市化建设的快速发展，可用土地资源日益紧张，而纵横交错的架空线路占用了大量的可用空间，是阻碍城市化建设的主要因素之一。因而，用电缆网络供电逐步取代架空线网络供电成为现代城市化建设的必然趋势。与架空线相比，电缆线具有输电容量和可靠性高、应用成本低、节省空间以及美化市容等优点，在我国得到了广泛应用，在原有架空线网络供电的基础上逐步发展为电缆—架空线混合线路供电。然而由于电缆的运行环境恶劣、制造工艺不完善等因素，常常造成电缆绝缘水平下降，造成电缆接地故障。同样，架空线也经常由于绝缘子质量不过关、恶劣的天气以及人为外力的破坏等因素而发生故障。当输电线路发生故障时，精确定位故障点不仅能够减轻人工巡线的负担，而且又能使线路快速恢复供电，减少停电引起的经济损失。随着电缆—架空线混合输电线路的广泛应用，如何精确定位故障点意义重大。本文介绍了各种混合故障测距方法，并介绍了各种方法的优势与不足，最后对各种方法的前景做了展望。
        1 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，有些测距装置已投入现场运行。按采用的线路模型、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。
        1.1 阻抗法、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。
        1.2 行波法、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。行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。
        1.3 等效波速度和波速度归一算法
        通过上面的策略可以正确提取故障点的反射波头，但还不能完成测距，这是因为测距的另一个关键因素即波速度在这种频繁交替换接的线路中不是单一的，必须找出相应的策略才能最终完成测距。由行波在线路中的传播物理过程可得到如下结论：三相线路外加同一电压脉冲后，所加的电压脉冲以波的形式沿线路向对端传播。在到达故障点前的传播过程中，由于线路对称，所加三相电压对称，因此行波完全沿着地模回路传播，地模参数起作用，波速度为地模波速度；当行波运动到故障点后，由于三相线路不对称，产生线模行波分量，线模参数起作用，行波的传播速度为线模波速度。但为了应用测距公式，需对波速度做如下变换：
        （1）等效波速度。测距公式的本质可理解为：由于一定长度的线路对行波传播起延时作用，而故障点的不同位置决定相应的起延时作用的线路长度，具体到每一段线路，它对这段延时时间的表现为来回一个往返过程。线路中的波速度体现出一种介质波的传导和延时特性，因此可用等效波速度表征一段线路(单一电缆或架空线)往返波速的平均特性，即行波往返其中的速度平均值，从而表现出该段线路对行波延时的整体特性。由于在该测距算法中，由测量端向故障点流动的行波流动的回路为地模回路，而由故障点返回测量端的行波流动的回路
        为线模回路，假设线模波速度为 v x ，地模波速度为v d ，则等效波速度为，

        这一等效波速度可理解为一段线路的综合特性，从而解决了行波在往返过程中走不同回路的问题。
        （2）速度归一算法。同样，由于行波在电缆和架空线中传播速度差异显著，即行波波速度不单一，因此也要采用波速度归一法。只是这里的波速度是以等效波速度为参考的电缆和架空线的行波速度，而不是以某一模量的波速度进行相应的折算。通过波速度归一算法可以解决不同连接介质线路的速度参考标准问题。此方法利用线模量和地模量传播路径的不同，
        通过线模反射波的到达时间进行测距，且根据行波往返回路不同的事实(向前传播的回路为地模回路，反之为线模回路)提出等效波速度的概念，解决了计算参数选定的问题。此方法已在铁路信号的电源供电系统中得到应用，但仍存在不足，如何降低行波波头在传播过程中的衰减以及如何去除噪声的影响还有待进一步研究。
        2 结语
        本文采用的方法要求知道电缆—架空线混合线路的各项参数，以便准确地计算出假设故障发生在两段线路连接处时行波到达线路两端所用时间，再求取时间差作为判断故障发生区段的参考依据。判断出故障所在区段后，再根据单端行波故障测距原理求取故障位置。通过仿真，验证了方法的有效性。实际工程中线路参数受周围环境影响，作为参考依据的时间差与真实值存在误差，这本身就会导致测距误差的产生，而且当故障发生在两段线路连接点
        附近时有可能造成对故障发生区段的误判。所以，在实际测距时应当结合其他测距方法所测结果进行比较分析，再确定故障位置。
        参考文献
        [1]束洪春，孙涛. 电缆—架空线混合线路故障行波测距新方法[J]. 电力自动化设备，2008，28（10）：1-7.
        [2]作者单位：1.山东理工大学电气与电子工程学院;2.临沂超越电力建设有限公司）.
        [3]覃剑，陈祥训．基于小波变换技术的新型输电线路故障测距系统[J]．电网技术，2001，25(4)：31-35．
        [4]刘延鹏．电缆—架空线混合输电线路故障测距研究［Ｄ］．西安：西安科技大学，2012.