特殊工况下基于三角形计算的高精度输电线路单端测距方法

2017-04-14冯畅，李峰，宋爽，陆帅，王可

电力工程技术 2017年2期

关键词：单端测距短路

冯畅，李峰，宋爽，陆帅，王可

（1.南京磐能电力科技股份有限公司，江苏南京210031；2.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103）

特殊工况下基于三角形计算的高精度输电线路单端测距方法

冯畅1，李峰1，宋爽2，陆帅1，王可1

（1.南京磐能电力科技股份有限公司，江苏南京210031；2.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103）

准确的故障测距是输电线路故障后快速恢复供电的重要前提。一般来说，线路上发生单相接地故障时，因过渡电阻的影响，导致计算阻抗无法正确反映保护安装处至故障点的线路阻抗值，必须借助双端测距才可获得精确测距值。文中在分析附加阻抗来源的基础上，提出在特殊的工况下，双端测距失效，基于三角形计算的单端测距可精确测距，并且此方法可以推广至架空线、地缆混合参数的输电线路故障。经过仿真数据以及现场数据验证，该方法具有较高的精度。

单端测距；双端测距；阻抗计算；混合参数输电线路；T接线

0 引言

输电线路的故障测距是一个横亘在继电保护工程师面前的经典问题［1，2］，精确的故障测距对于缩减巡线时间，快速恢复供电具有极其重要的意义［3－5］。国内110 kV及其以上的输电线路多安装有含距离保护功能的保护装置，依托于距离保护阻抗计算功能的单端故障测距功能可以在保护动作后迅速地给出测距结果，给现场工作人员以较直观的故障位置提示，因此广受现场的欢迎。但是这种基于单端阻抗计算的测距方法也具有较强的局限性，对于线路上发生的多相故障，因相间阻抗一般是弧光电阻，其值较小［6，7］，一般来说精度还算理想；但是对于线路上发生单相经过渡电阻接地的故障，因过渡电阻阻值不确定［8］，并且对于双端供电线路，由于对侧电源的助增作用，往往导致计算阻抗无法正确反映保护安装处至故障点的线路阻抗值［9］，从而无法给出有参考价值的测距结果。

文章在分析基于单端阻抗法测距的原理基础上，提出在某些特殊的工况下，单端阻抗法也可以精确地给出测距值。进而将这种方法推广至架空线、地缆混合参数的输电线路故障。经过仿真数据以及现场数据验证，该方法具有较高的精度。

1 测距方法

1.1阻抗测距原理

保护装置一般来说采集其固定安装处的电流、电压信息，输电线路上的故障位置随机不可预见，但保护安装处电流、电压值与线路故障发生处电流、电压值满足一定的约束条件。由序分量法可知，在输电线路上发生不对称故障时，电力系统可以分解为正序、负序、零序3个序网络，因各序网络的拓扑结构、元件参数各有不同，所以3个序网络必须独立分析，如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 System topology

（1）适用于所有类型的不对称故障。对于两相短路（以BC两相短路为例（接地、不接地）），其过渡电阻多为弧光电阻，数值较小，因此有，由式（1）得：

对于单相短路，以A相短路为例，由式（1）得：

1.2单相接地时附加阻抗ΔZ·分析

接地短路时，过渡电阻为纯阻性［12］，记为Rg，流入故障点故障电流为根据单相短路时的序网图可知如图2所示。

图2 单相短路的综合序网图Fig.2 Synthetical sequence network for single phase fault

M侧保护感受到的故障分量正负零序电流是通过并联电路分流后的电流。同理Δ考虑正序负阻抗相等有。如图3所示。

图3 正序故障电流分流图Fig.3 Positive sequence fault current distribution diagram

根据线性电路的迭加原理，故障后M侧保护感受到的电流为故障前负荷电流与故障电流的迭加，设负荷电流为因此：及CM1，CM0，K对于有影响。因故障点电流不可测，致

由式（4）可知未知；因故障点位置未知，致CM1，CM0数值未知。综上述是一个幅值、相角皆未知的复数。其中对于的影响在送电端、受电端表现地不同。从定性的角度看，在受电端表现为抗性，在送电端表现为容性。如图4所示。

图4 单相接地短路的电气相量图Fig.4 Electrical vector diagram of single phase fault

假设故障发生于MN的中点处，M侧测量到的负荷电流超前于故障点流过的故障电流，ΔZ·表现出容性；相反，在N侧表现出抗性。若故障前线路一端开关分开，因值已知，Rg未知，则表现为一个幅值未知、相角已知的复数。

1.3特殊工况下的精确单端测距

由上可知一般情况下单相经过渡电阻短路时，因过渡电阻的存在，导致附加计算阻抗ΔZ·为幅值、相角未知的复数，所以计算阻抗无法准确表示从保护安装处至故障点的线路阻抗。但在下述几种情况下，ΔZ·近似表现为相角已知幅值未知的复数。

（1）线路一端送电，手合于故障；

（2）开关三跳后，先发重合令一端重合于故障；

（3）线路一端开关处于合位，另一端处于分位，故障发生。

考虑ΔZ·为相角已知、幅值未知的复数，则阻抗相量图如图5所示。

图5 单相接地短路的阻抗相量图Fig.5 Impedance vector diagram of single phase fault

随着架空线、电缆混合参数线路在电网中的大量使用，对于混合参数线路测距的研究具有十分重要的现实意义［13］。上述方法亦可推广使用于架空线、电缆混合铺设的输电线路的单端测距。如图6所示。

图6 混合线路参数系统结构图Fig.6 System topology of a hybrid parameter transmission line

图6 中，MN之间的输电线路由不同参数的

首先假设故障发生于MK段，使用式（11）、式（12）进行测距计算，如测距结果0≤ρ≤1.0，则表明测距成功，故障发生于MK段；否则计算K端电压，再次调用式（11）、式（12）进行测距计算。需要说明的是，电缆线路因其对地导纳值不可忽略，因此此时非故障相电流亦非0，测距使用的是流经线路的电流，所以需要扣除对地电容电流的影响。以M侧为例，使用公式，计算三序网络中流经电容的电流合成为相电流侧保护安装处电流互感器感受到的三相电流分别减去即得到流经线路MK的三相电流同理可以获得流经线路KN的电流。如图7所示。

图7 考虑电缆对地电容后的混合线路参数系统结构图Fig.7 System topology of a hybrid parameter transmissionline with capacitor of cable line considered

2 算例

2.1普通线路算例

2015－03－04 T 14：10，220 kV甲乙线在甲站送电时发生B相接地短路故障，开关三相跳开后不重合，对侧乙变断路器在断开位置。故障波形如图8所示。

图8 甲乙线甲侧送电合于BG短路Fig.8 Waveform of current and voltage for the fault of AB line delivering power only from station A with a BG fault on the line

线路一次参数：R1＝0.013 Ω，X1＝0.158 Ω；R0＝0.051 Ω，X0＝0.42 Ω，线路全长L＝1.5 km；TV变比为220 kV／100 V，TA变比为2500 A／5 A。取故障后20～40 ms的数据进行全波傅里叶变换，获取的相量数据为：

将获取的相量数据代入式（11）、式（12）计算得ρ＝0.592，折算至有名值为0.898 km。巡线得知实际故障点距离甲站0.85 km。

2.2混合参数线路算例

使用PSCAD建立如图7所示的500 kV电力系统模型，其中MK为电缆线路，其一次参数R1＝0.45 Ω，X1＝5.969 Ω，XC1＝33 500 Ω；R0＝3.9 Ω，X0＝18.35 Ω，XC0＝502 500 Ω；线路长L＝50 km。KN为架空线路，其一次参数R1＝1.170 5 Ω，X1＝13.345 Ω，XC1＝4 025 600 Ω；R0＝9.055 Ω，X0＝34.19 Ω，XC0＝7 095 600 Ω，线路长L＝50 km。KN线路上距K点25 km处发生经50 Ω的AG短路。故障波形如图9所示。

取故障后20～40 ms的数据进行全波傅里叶变换，获取的相量数据为：假设故障在MK段，计算得ρ＝2.02，假设故障在KN段，计算得ρ＝0.488。

图9 混合参数线路M侧送电合于AG短路Fig.9 Waveform of current and voltage for the fault of a hybrid parameter transmission line delivering power only from station M with a AG fault on the line

3 分析与讨论

（1）在本文描述的工况下，线路开关开断侧因未感受到故障电流、电压，所以此时双端测距方法失效。

（2）对于故障前重载负荷并且经较大过渡电阻接地的单相短路，因负荷电流相比于故障电流不可忽略，因此转换成电阻电抗型或者电阻电容型，且的幅值、相角皆未知，无法准确测距。如故障前线路空载或轻载，负荷电流相比于故障电流可以忽略不计，若线路的正序阻抗角与零序阻抗角相差

不大，可假设CM1，CM0，K皆为实数，为实数，即相角为0。启用本文述方法，或有一定误差，但可提供一个有一定参考价值的单端测距结果。

（3）精确使用本文所提方法的前提条件是，单相短路且线路一端开关处于分位。交互线路两端的开关位置状态信息是必要条件，光纤纵差保护可以交互线路两端的模拟量、开关量［15］，为使用本方法提供了物质保证。对于普通距离保护，如手合于故障，可断定对侧开关处于分位，可精确使用本方法。

（4）对于故障前有载并经较大过渡电阻接地的单相短路，虽然线路保护第一次跳闸时本文所示方法不适用，但若保护装置投有三相重合闸方式，并且合于永久故障，那么先合闸那侧的保护装置依然可使用本方法测距，并且得出较为精确的测距结果。

（5）单相经高阻接地短路时，距离保护有可能无法动作，由零序保护动作［16］。但从上文的分析可知，不影响本文所述方法的使用。

（7）对于T接线路的故障测距，需计算获得故障支路和故障点位置2个信息［17］。T接点至电源之间的输电线路的参数可不同，仿前文混合参数线路故障测距方法，特殊工况下利用单端数据可计算T接线路的故障测距信息。如图10所示，若计算的故障支路为MT，则其为惟一测距结果；否则故障支路可能为NT或ST，本方法可给出2个可能的测距结果。虽不惟一，但亦可给巡线工作带来一定参考意义。

图10 特殊工况下T接线路故障的系统接线Fig.10 Diagrammatic sketch of fault on a TEED line under special working conditions

4 结语

输电线路上发生经过渡电阻的单相接地短路时，过渡电阻Rg转换为未知相量ΔZ·，从而导致传统基于计算阻抗的单端测距方法有较大误差。本文论述了在特殊工况下，在由母线至故障点阻抗、计算阻抗过渡电阻附加阻抗3个相量构成的三角形中，三角形的3个角已知，一边长度已知因此可利用三角形正弦定理求得进而获取故障测距值。

基于三角形计算的单端测距方法物理概念明确，计算简单，易于实现，具有较强的精度与实用性，并且已被仿真数据以及现场数据所验证。

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High Precision Single⁃ended Fault Location Method for Transmission Lines Based on Triangle Calculation in Special Wording Conditions

FENG Chang1，LI Feng1，SONG Shuang2，LU Shuai1，WANG Ke1
（1.Nanjing PANENG Technology Development Co.Ltd.，Nanjing 210031，China；（2.State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute，Nanjing 211103，China）

Precise fault location is an important precondition of quick power supply restoration after transmission line fault occurs.In generally，concerning one⁃phase to ground fault，it is the transient resistance that causes that the impedance from where the relay is installed to where the fault occurs is caculated incorrectly.On such scenario，a double⁃ended fault location algorithm is preferred in order to acquire rather precise fault location result.Based on analyzing the source of additive impedance，this essay presents that under some special working conditions whereas double⁃ended fault location becomes invalid，single⁃ended fault calculation based on solving triangle calculation gives precise results.And this method can also be applied to hybrid parameter transmission lines which have both overhead lines and cables.The simulation and field data verified that the method has high precision.

single⁃ended fault location；double⁃ended fault location；impedance calculation；hybrid parameter transmission line；T type connection

TM772

：A

：2096－3203（2017）02－0110－06