2. 临沂供电公司, 山东 临沂 276003;
3. 临沂正信工程勘察设计有限公司, 山东 临沂 276005
2. Linyi Power Supply Company, Linyi 276003, Shandong, China;
3. Linyi Zhengxin Engineering Survey and Design Co., Ltd, Linyi 276005, Shandong, China
随着我国电力建设的快速发展及用电量的不断增加, 对电网建设提出更高的要求, 与传统输电线路相比, 带T型支路输电线路因投资较低、负荷大, 具有较高的输送功率, 在输电线路中的应用范围越来越广[1]。当T型输电线路发生故障时, 对T型输电线路进行精确测距成为新的研究方向。
目前, 国内外学者已提出多种T型线路故障测距方法[2-3], 主要包括线路参数法和行波法测距。文献[4-5]通过搭建线路R-L模型, 利用线路各端点故障点电压模值相等原理进行故障测距, 其中文献[4]通过解二次方程计算故障距离, 文献[5]通过在全线范围内使用折半查找法进行故障测距。但在远距离输电线路中, 受电容补偿装置的影响, 测距误差可能较大。文献[6]以未发生故障的两条支路电气量计算T节点的电压、电流, 然后通过线路各端点故障点电压模值相等原理计算故障距离, 但此方法需通过迭代原理在整段线路内查找故障点, 因此, 计算量较大。
行波法受故障类型、过渡电阻等因素影响较小, 因此广泛应用于输电线路故障测距。文献[7]提出一种消除波速的单端行波测距方法, 但辨别第二次检测到的行波到达时刻是故障点反射波还是线路连接点处反射波, 是单端测距的难点。文献[8]提出一种与波速无关的双端行波测距方法, 但双端法严格要求线路两端时钟精确同步, 因此当线路两端时钟受实际通讯条件影响存在同步误差时, 测距误差较大。文献[9]将T型线路分为两条支路, 利用双端原理进行两次故障测距, 以其中较大值作为故障距离, 但该方法未考虑混合输电线路情况, 仍属于双端测距方法范畴。
为解决T型混合输电线路测距问题, 本研究提出一种组合型波测距方法, 首先通过检测装置记录故障行波到达线路端点时刻, 利用双端原理判别故障所在区间, 然后利用单端测距原理计算故障距离。PSCAD仿真表明:与传统T型线路测距方法相比, 本研究所提方法能够解决带有T型支路的单一架空线路及T型混合线路故障测距问题, 并有效提升T型输电线路故障测距的精确性和可靠性。
1 T型输电线路故障行波传播特性当输电线路发生故障时, 故障行波由接地点向线路两侧同时传播, 并在线路端点、连接点及故障点处产生折、反射现象[10], 经过折射和反射, 故障行波继续在线路上传播, 并被安装在线路端点处的检测装置记录各次行波到达时间[11-13]。故障行波传播特性如图 1所示。
图 1中, M、R、S分别为T型线路三端端点, N为线路连接点, L1、L2、L3分别为线路MN段、NR段和NS段的长度, t1、t2和t3分别表示行波在MN段、NR段和NS段的传播时间, v1、v2和v3分别表示行波在线路MN段、NR段和NS段的传播速度。
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图 1 T型输电线路故障行波传播特性图 Figure 1 Diagram of fault traveling wave propagation for transmission line with T |
本研究以混合T型线路为例, 进行测距计算。以图 1为例, 当MN段产生接地情况时, 行波经接地点F向M端、R端和S端同时传播, 并在故障点、线路连接点和线路各端点处发生反射和折射, 各端点检测装置分别检测各次故障行波抵达时刻。记行波第一次到达各端点的时刻分别为tM1、tR1和tS1, 当架空线MN段接地时, 关系式tM1-tR1 < t1-t2、tM1-tS1 < t1-t3和tR1-tS1=t2-t3同时成立, 可判断故障在线路MN段。然后由tS1-t2或tR1-t3得到tN1, 若tM1-tN1 < 0, 则故障点在架空线MN前半段; 若tM1-tN1>0, 则故障点位于线路MN后半段, 最后由单端原理得出测距结果。
2.2 求取整定值为方便故障区间判断, 本研究通过求线路端点及连接点的整定值辅助计算[15-17]。其中, 线路MN段、NS段为架空线段, 线路NR段为电缆段, 记故障行波在架空线中的传播速度为vO, 在电缆中传播速度为vC, 故障行波第一次到达T型线路M端、R端、S端的时刻求取行波传播时间差值:
ΔtMR=tM1-tR1,
ΔtMS=tM1-tS1,
ΔtRS=tR1-tS1。
当在线路端点及连接点发生接地情况时, 以t1、t2和t3求取整定值:
| $ \begin{array}{*{20}{l}} {\Delta {t_1} = - \left( {\frac{{{L_1}}}{{{v_{\rm{O}}}}} + \frac{{{L_2}}}{{{v_{\rm{C}}}}}} \right) = - ({t_1} + {t_2}),}\\ {\;\;\;\;\;\Delta {t_2} = \frac{{{L_1}}}{{{v_{\rm{O}}}}} - \frac{{{L_2}}}{{{v_{\rm{C}}}}} = {t_1} - {t_2},}\\ {\Delta {t_3} = - \left( {\frac{{{L_1}}}{{{v_{\rm{O}}}}} + \frac{{{L_3}}}{{{v_{\rm{O}}}}}} \right) = - ({t_1} + {t_3}),}\\ {\;\;\;\;\;\Delta {t_4} = \frac{{{L_1}}}{{{v_{\rm{O}}}}} - \frac{{{L_3}}}{{{v_{\rm{O}}}}} = {t_1} - {t_3},}\\ {\;\;\;\;\;\Delta {t_5} = \frac{{{L_2}}}{{{v_{\rm{C}}}}} - \frac{{{L_3}}}{{{v_{\rm{O}}}}} = {t_2} - {t_3},}\\ {\;\;\;\;\;\Delta {t_6} = \frac{{{L_1}}}{{{v_{\rm{O}}}}} - \frac{{{L_2}}}{{{v_{\rm{C}}}}} = {t_1} + {t_2},}\\ {\Delta {t_7} = - \left( {\frac{{{L_2}}}{{{v_{\rm{C}}}}} + \frac{{{L_3}}}{{{v_{\rm{O}}}}}} \right) = - ({t_2} + {t_3}),}\\ {\;\;\;\;\;\Delta {t_8} = \frac{{{L_1}}}{{{v_{\rm{O}}}}} - \frac{{{L_3}}}{{{v_{\rm{O}}}}} = {t_1} + {t_3},}\\ {\;\;\;\;\;\Delta {t_9} = \frac{{{L_2}}}{{{v_{\rm{C}}}}} - \frac{{{L_3}}}{{{v_{\rm{O}}}}} = {t_2} + {t_3}。} \end{array} $ |
由时间差值与整定值之间的关系, 通过双端测距原理可判断故障区间。即:
当Δt1≤ΔtMR < Δt2、Δt3≤ΔtMS < Δt4、ΔtRS=Δt5同时成立时, 判断故障点F在线路MN段。
当Δt2≤ΔtMR≤Δt6、ΔtMS=Δt4、Δt7≤ΔtRS≤Δt5同时成立时, 判断故障点F在线路NR段。
当ΔtMR=Δt2、Δt4 < ΔtMS≤Δt8、Δt5≤ΔtRS < Δt9同时成立时, 判断故障点F在线路NS内。
受线路实际长度等因素的影响[18-20], 对于上述的各等式, 会存在误差, 以行波在线路上传输500 m的时间作为时间误差允许范围[21-22], 可认为在时间误差允许范围内, 上述各等式成立。
2.4 求取测距结果(1) 当故障发生在MN段, 由tN1=tR1-t2或tN1=tS1-t3得故障行波第一次到达线路连接点N处的时间tN1, 求取时间差值ΔT=tM1-tN1。
若ΔT≤0, 可判断tM2为故障点反射波到达M端的时刻, 则故障点F到M端的距离
| $ {L_{MF}} = \frac{{{t_{M2}} - {t_{M1}}}}{2}{v_{\rm{O}}}, $ | (1) |
若ΔT>0, 可判断tM2为线路连接N点反射波到达M端的时刻, 则故障点F到M端的距离
| $ {L_{MF}} = {L_1} - \frac{{{t_{M2}} - {t_{M1}}}}{2}{v_{\rm{O}}}。$ | (2) |
(2) 当故障发生在NR段, 由tN1=tM1-t1或tN1=tS1-t3得故障行波第一次到达线路连接点N处的时间tN1, 求取时间差值ΔT=tR1-tN1。
若ΔT≤0, 可判断tR2为故障点反射波抵达R端的时间, 则故障点F到R端的距离
| $ {L_{RF}} = \frac{{{t_{R2}} - {t_{R1}}}}{2}{v_{\rm{C}}}, $ | (3) |
若ΔT>0, 可判断tR2为线路连接N点反射波抵达R端的时间, 则故障点F到R端的距离
| $ {L_{RF}} = {L_2} - \frac{{{t_{R2}} - {t_{R1}}}}{2}{v_{\rm{C}}}。$ | (4) |
(3) 当故障发生在NS段, 由tN1=tM1-t1或tN1=tR1-t2得故障行波第一次到达线路连接点N处的时间tN1, 求取时间差值ΔT=tS1-tN1。
若ΔT≤0, 可判断tS2为故障点反射波抵达S端的时间, 则故障点F到S端的距离
| $ {L_{SF}} = \frac{{{t_{S2}} - {t_{S1}}}}{2}{v_{\rm{O}}}, $ | (5) |
若ΔT>0, 可判断tS2为线路连接N点反射波抵达S端的时间, 则故障点F到S端的距离
| $ {L_{SF}} = {L_3} - \frac{{{t_{S2}} - {t_{S1}}}}{2}{v_{\rm{O}}}。$ | (6) |
建立220 kV的T型混合输电线路仿真模型如图 2所示, 其中, M端、R端和S端的系统电抗均为0.031 4 Ω, 线路L1、L2、L3的长度分别为30、15、20 km, 故障点F1到M端长度为12 km, 故障点F2到R端的长度为6 km, 故障点F3到S端长度为14 km, 仿真频率为10 MHz。
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图 2 220 kV T型混合输电线路仿真图 Figure 2 Simulation diagram of 220 kV T hybrid transmission lines |
架空线导线选用钢芯铝绞线LGJ-300/40 mm2搭建线路模型, 杆塔高度为24 m, 架空线三相之间三角形排列, C相距A相和B相的垂直距离为5.5 m, 水平距离为5 m, 导线直径为23.94 mm, 直流电阻率为0.096 14 Ω/km。
电缆导线选用交联聚乙烯绝缘电力电缆YJLW03 127/220 kV 1*400 mm2搭建线路模型, 电缆敷设深度为0.5 m, 电缆三相之间水平排列, 水平距离为0.2 m, 电缆接地方式为一端直接接地, 另一端经保护接地, 导线直径为23.8 mm, 直流电阻率为0.047 Ω/km。
由线路参数求得行波在架空线中传播速度为295 km/ms, 在电缆中传播速度为192 km/ms。由架空线长度及行波传播速度可得:L1/vO=101.6 μs, L2/vC=78.1 μs, L3/vO=67.8 μs, 行波在线路上传输500 m时, 在电缆上传播的时间2.6 μs大于在架空线上的传输时间1.7 μs, 选择较大的时间2.6 μs作为时间允许误差范围。
3.1 故障初始相角影响因素分析在架空线MN段设置故障点F, 故障点F距M端的距离为6 km, 分别设置故障初始相角为30°、60°、90°, 故障点接地电阻[23]为20 Ω, 对A相进行单相接地故障仿真, M、R和S端电压行波仿真结果如图 3所示。
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图 3 各端点故障电压行波波形 Figure 3 Fault voltage traveling wave of each endpoint |
当故障初始相角不同时, 分别设各故障发生初始时刻t=0, 对各故障状态下, 故障行波到各端点时刻进行提取, 提取结果如表 1所示。
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表 1 线路故障测距仿真结果 Table 1 Results of fault simulation for line |
由表 1可知, 故障初始相角不同时, 各故障状态下故障电压行波具有相同的变化特性, 但相角变化导致电压行波幅值发生变化时, 对故障电压行波到达线路端点时刻及测距结果影响较小, 因此测距精度不受故障初始相角影响[24]。
3.2 故障仿真 3.2.1 F1点故障设t=0时, 故障点F1发生A相接地故障, 故障初始相角为30°, 过渡电阻为20 Ω。线路各端测得故障电流与故障电压波形如图 4所示。
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图 4 各端点故障电流行波与故障电压行波波形 Figure 4 Fault current traveling wave and fault voltage traveling wave of each endpoint |
通过波形可得, 故障行波第一次到达线路各端点的时刻分别为tM1=40 μs, tR1=139.2 μs, tS1=126.6 μs, tM2=120 μs, 且Δt1 < ΔtMR < Δt2、Δt3 < ΔtMS < Δt4、ΔtRS=Δt5同时成立, 判定故障点F在线路MN段。进而由tM1-tN1 < 0, 得tM2为故障点反射波, 代入式(1)可得:LMF=11.8 km, 误差为200 m。
3.2.2 F2点故障设t=0时, 故障点F2发生A相接地故障, 故障初始相角为30°, 接地电阻为20 Ω。线路各端测得故障电流与故障电压波形如图 5所示。
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图 5 各端点故障电流行波与故障电压行波波形 Figure 5 Fault current traveling wave and fault voltage traveling wave of each endpoint |
通过波形可得, 故障行波第一次到达线路各端点的时刻分别为tM1=147.51 μs, tR1=31.7 μs, tS1=114.1 μs, tR2=94.9 μs, 且Δt2 < ΔtMR < Δt6、ΔtMS=Δt4、Δt7 < ΔtRS < Δt5同时成立, 判定故障点F在线路NR段。进而由tR1-tN1 < 0, 得tR2为故障点反射波, 代入式(3)可得:LRF=6.067 km, 误差为67 m。
3.2.3 F3点故障设t=0时, 故障点F3发生A相接地故障, 故障初始相角为30°, 接地电阻为20 Ω。线路各端测得故障相电流与故障相电压波形如图 6所示。
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图 6 各端点故障电流行波与故障电压行波波形 Figure 6 Fault current traveling wave and fault voltage traveling wave of each endpoint |
通过波形可得:故障行波第一次到达线路各端点的时刻分别为tM1=119.9 μs, tR1=99.2 μs, tS1=46.6 μs, tS2=86.6 μs, 且ΔtMR=Δt2、Δt4 < ΔtMS < Δt8、Δt5 < ΔtRS < Δt9同时成立, 判定故障点F在线路NS内。进而由tS1-tN1>0得tS2为连接点N处反射波, 代入式(6)可得:LSF=14.1 km, 误差为100 m。
在线路MN段、NR段和NS段及靠近线路端点和连接点处分别设置9个故障点, 仿真结果如表 2~4所示。
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表 2 线路MN段故障时仿真结果 Table 2 T-type transmission lines ranging results when MN segment fault happens |
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表 3 线路NR段故障时仿真结果 Table 3 T-type transmission lines ranging results when NR segment fault happens |
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表 4 线路NS段故障时仿真结果 Table 4 T-type transmission lines ranging results when NS segment fault happens |
由仿真测试结果可知, 测试故障点最大误差为287 m, 测距误差在300 m以内, 当故障点靠近端点和线路连接点时, 本研究所提方法均可有效测距, 具有较高的测距精度。
4 结论本研究结合故障行波在混合输电线路上的传播特性, 结合双端测距原理, 提出一种适用于T型支路的混合线路故障测距新算法, 通过仿真计算得到以下结论:
(1) 通过本研究所提方法, 仅需利用前两次故障行波到达线路端点时刻、混合线路中各段线路长度及行波波速, 即可实现故障定位, 原理简单有效, 可解决单、双端测距方法在带T型支路混合线路中的应用问题。
(2) 仿真结果表明, 本研究所提方法不受故障初始相角影响, 对于不同线路连接类型的T型输电线路, 均可有效测距。
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