一种高压输电线路中端故障测距方法的研究

陈聪，葛志超，相艳会，王飒

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

高压输电线路发生短路故障时，准确地确定故障点位置，并及时修复，能减少停电带来的损失和为寻找故障点而造成的耗费。目前已知的高压输电线路故障测距方法有很多，根据测距所需的电气量不同，分为两类:一类是基于线路单端的电压、电流等故障信息构成的单端测距;另一类根据线路双端故障信息构成的双端测距［1］。双端测距算法［2－4］所需的信息量比单端测距算法所需的信息量大，因此，双端测距的故障电阻和负荷的扰动对测距精度的影响较小。然而，在实际应用中，双端算法也存在由两端采样频率不同和相位移引起的测距误差［5］。

单端阻抗法故障测距只需测量一侧信息，具有对硬件要求低、易于实现和算法稳定等优点，在中低压线路中获得了广泛的应用［6－9］。由于高压输电线路分布电容的影响，单端阻抗法应用于高压输电线路故障测距时存在很大的误差，特别是发生中高阻短路故障时，其测距结果会严重偏离真实故障距离，不能满足现场的应用要求。因此，基于集中参数模型的单端阻抗法不能直接应用于高压输电线路的故障测距。在所有线路故障中，单相接地短路占80%以上，基于分布参数模型研究一种适用于高压线路单相接地故障的单端故障测距算法，具有较强的工程实际意义。文献［10］采用分布参数建模，利用线路沿线分布电压的差分在一个时间段内的能量在故障点呈现最小值这一特征进行定位。文献［11］采用分布参数建模，利用单端电压电流计算沿线电压对距离导数的范数在线路上的分布进行故障点的定位。

作为故障测距装置的首要任务是提高测距精度及加快测距速度，在测量装置、高压输电线路情况相同的条件下，本文考虑测量装置安装的位置对测距结果的影响，将测量装置安装在输电线路中间，尝试中端测距的方法对输电线路进行故障测距，这里称为中端故障测距法。该方法原理与单端测距一样，但是由于测量点在输电线路的中点，与单端测距相比量程缩短了一半，结果更加精确。

2 中端故障测距的基本原理

以图1所示的双电源输电线路为例来介绍中端测距方法的基本原理，中端测距的方法与单端电气量法一样，只需中端h点的电压、电流量。假设短路点发生在hN段，则h点左侧电源和线路可等效成等效电源，如图2所示。

图1 双电源输电线路

图2 等效双电源输电线路

以等效双电源单回线单相接地故障为例来介绍中端故障测距的基本原理，如图3所示。

图3 故障测距的基本原理

其中电压方程如下:

CH为h端的电流分布系数。

对上式两端取虚部，经整理即可求出

为了简化测距方法，考虑实际系统的条件，在近似计算中，可取CH为实数，于是得到测距算法如下:

3 中端故障测距双端电源及参数

双端电源电网如图4所示。

图4 双端电源电网

3.1 双端电源已知参数

本文参考文献［12］中两端电源模型的参数进行中端故障测距的建模及仿真计算，其电源、线路参数如下:

电源:

ZMS1=ZMS2=0.2534+j20.046Ω，

ZMS0=0.1121+j6.723Ω

ZNS1=ZNS2=0.5068+j40.092Ω，

ZNS0=0.2242+j13.446Ω

线路:DL=300km

R1=0.027Ω/km，X1=0.2783Ω/km，

C1=0.0127μF/km

R1=0.027Ω/km，X1=0.2783Ω/km，

C1=0.0127μF/km

3.3 故障测距要求

本文应用PSCAD软件仿真输电线路模型，由于发生中高阻短路故障时，测距结果会严重偏离真实故障距离，这不是本文要重点讨论的。因此本文只研究了中点h点右侧发生A相单相金属性接地或小电阻接地短路故障时的测距，目的只在于将中端故障测距结果与相同条件下的单端测距结果进行比较。而中点h点左侧发生短路故障时情况及其它短路故障类型大致相同，本文不做讨论。用故障分析法计算线路hN上在距中点 h端分别为 30km、50km、80km、110km、140km处A相单相接地短路时(RF分别为0.1Ω、1Ω、10Ω)故障点到M端的距离，并分析误差。将测距结果与相同条件下的单端测距结果进行对比。

4 中端测距模型及仿真步骤

4.1 仿真步骤

(1)根据选定的故障条件:A相接地短路，利用PSCAD仿真得到故障后线路h点的三相电压电流瞬时值;仿真图形如图5所示:

图5 仿真图形

(2)该仿真持续时间为0.4s，0～0.2s为正常运行时间，0.2～0.4s为故障时间，本文以每周波20个点的采样率对数据进行抽样，利用故障后第二个周期的数据进行中端故障测距计算;

(3)在相同条件下，做单端(M端)故障测距的仿真计算;

(4)将中端故障测距的结果与单端故障测距的结果进行比较，结果如表1所示。

4.2 仿真结果

表1 故障测距结果

5 结语

本文提出的中端故障测距方法基于集中参数模型，其原理与单端电气量方法一样。与双端测距方法相比，该方法只需线路中间点的电压电流量就可以定位故障点，简单方便，无需复杂的硬件设备，装置成本低。与单端测距方法相比，该方法将测量装置安装在输电线路中间，将量程缩短了一半，很好地解决了单端测距时故障点靠近线路末端而使测距结果不精确的问题。

仿真结果表明:在本文所给的相同条件下，单端测距结果的最大误差为3.8805%，而中端测距结果的最大误差为0.7401%。在相同测距条件下，中端测距只有两次测距误差大于单端测距的误差，总体上其测距精度优于单端测距。

当然中端测距方法也有很多缺陷，首先基于集中参数模型的测距方法无法忽略分布电容的影响，又由于测量装置安装在输电线路的中间(不一定是中点)，给装置的检查维修带来了很多不便。因此将测距装置安装在线路中间的中端测距方法值得进一步研究探讨。

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