利用暂态行波的架空线—海底电缆混合线路故障定位方法

许文杰，蒋道宇，王剑英，李录照

（1.中国南方电网超高压输电公司广州局，广州510663；2.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东淄博255087）

利用暂态行波的架空线—海底电缆混合线路故障定位方法

许文杰1，蒋道宇1，王剑英1，李录照2

（1.中国南方电网超高压输电公司广州局，广州510663；2.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东淄博255087）

分析架空线—海底电缆混合线路发生故障后行波的传播特点，并在此基础上提出一种利用暂态行波的架空线—海底电缆混合线路故障定位方法，以架空线与海底电缆连接点处发生故障后暂态行波传播到混合线路两端母线的时间差值为整定值序列，当架空线—海底电缆混合线路发生故障后，通过所测得的故障暂态行波传播到混合线路两端母线的时间差值与整定值序列进行比较确定故障区段，再通过相应测距公式进行测距计算。PSCAD仿真结果表明，本方法可以准确可靠地测出故障点。

架空线—海底电缆；混合线路；暂态行波；测距

0 引言

为了解决输电线路跨越大水道和海峡的特殊问题，一般在陆地上采用架空线输电，跨越海峡或大水道时采用海底电缆输电，这就出现了许多高压架空线—海底电缆—架空线混合输电线路。比如，海南联网工程采用了500 kV高压架空线—海底电缆—架空线三段混合输电线路［1］。由于这种线缆混合线路各段参数分布极不均匀，当混合输电线路发生故障后，应用何种故障测距方法定位故障点对于提高供电可靠性具有重要的意义。

行波测距法由于不受线路分布电容、故障类型、过渡电阻等因素的影响，是目前公认的输电线路使用范围最宽、最为准确的故障测距方法。行波故障测距方法利用故障时产生故障电流或电压行波在故障点和测量点往返一次的时间差或者初始故障电流或电压行波到达线路两端测量点的时间差值来进行测距计算［2-5］。目前，对于普通架空线—电缆两段混合线路（一段电缆与一段架空线交替连接的混合线路）已经提出了多种行波测距方法，并取得了较好的测距结果［6-11］。而对于架空线—海底电缆混合线路（两段架空线和一段电缆交替连接的混合线路，且电缆线路在中间）的暂态行波测距方法很少有学者研究。

文献［12］提出了一种基于时间中点法的500 kV海底电缆—架空线混合线路行波测距方法，但此方法首先需要确定时间中点以及故障搜索方法，确定故障点的时间距离后再根据时间距离计算故障点位置。在分析海底电缆—架空线混合线路传播特点的基础上提出一种利用暂态行波的架空线—海底电缆混合线路故障定位方法，无需确定时间中点和故障搜索方向，通过暂态行波第一次到达线路两侧的时间差值来区分故障发生区段，再通过测距公式给出测距结果。

1 混合线路暂态行波传播过程

由于海底电缆与架空线的波阻抗不同，因而行波在两者中的传播速度也不同，海底电缆与架空线连接点处为波阻抗不连续点，故障行波会在此处发生复杂的折、反射。如图1所示以架空线—海底电缆混合输电线路为例来分析行波在混合线路中的传播特性。

图1 混合输电线路故障后行波折、反射示意

图1中，F表示输电线路故障点，Q和P分别表示架空线路与电缆线路的连接点，L1、L2、L3分别表示架空线MQ段、电缆QP段和架空线段总长度，LMF、LNF分别表示故障点F到母线M端和N端的距离，tM1和tN1分别表示故障行波第一次传播到线路M侧和线路N侧的时间。

从图1中可以看出，当混合输电线路发生故障时，故障行波浪涌从故障点同时向母线M端和N端传播，向母线M端传播的暂态行波经过电缆与架空线的连接点Q，并在连接点Q发生一次折射和反射，折射行波继续向M端传播，故障行波首次到达母线M侧并在母线M侧发生折射和反射；向母线N端传播的行波经过电缆与架空线的连接点P，并在连接点P发生一次折射和反射，折射行波继续向N端传播，故障行波首次到达母线N侧并在母线N侧发生折射和反射。由于只用到故障行波第一次到达双端母线侧的时间差，其他折射反射过程不再赘述。

2 利用暂态行波的混合线路故障定位原理

2.1 故障区段的确定

故障行波第一次到达母线M侧和N侧的时间差值作为整定值序列

式中：ΔT1、ΔT2分别为连接点Q以及连接点P发生故障时故障初始行波到达母线两侧的时间差值；vO和vC分别为故障行波在架空线和海底电缆中的传播速度。

在混合线路两端装设行波测距系统来采集故障行波传播到线路两端的时间tM1和tN1，记Δt=tM1-tN1，若Δt＜ΔT1，则故障发生在架空线路MQ段；若Δt＝ΔT1，则架空线路与海底电缆线路的连接点Q处发生故障；若ΔT1＜Δt＜ΔT2，则故障发生在海底电缆线路QP段；若Δt＝ΔT2，则海底电缆线路与架空线路的连接点P处发生故障；若Δt＞ΔT2，则故障发生在架空线路NP段。

2.2 给定测距结果

若故障发生在架空线路与海底电缆线路的连接点Q处，则测距公式为

若故障发生在海底电缆线路与架空线路的连接点P处，则测距公式由式（6）给出

3 仿真验证

3.1 仿真模型参数

利用电磁暂态仿真软件PSCAD建立如图2所示500 kV架空线—海底电缆混合线路模型，其中，M端和N端的系统电抗均为0.031 4 Ω，L1为124.411 km，L2为31.4 km，L3为13.468 km，F1点到M端的距离40 km，F2点到M端的距离140.411 km，F3点到N端的距离5.468km，距离M端的距离163.811 km，仿真频率为1 MHz。

图2 500kV架空线—海底电缆混合输电线路

图3 架空输电线路结构

图4 电缆几何参数分布

模型中水平布置的不换位架空输电线路结构如图3所示。导线选用LGJQ－300×4，直径23.7 mm，4分裂，裂相距离45 cm，直流电阻0.108 Ω／km。地线选用2×LHGJJ－90（分段接地），直径14.84 mm，直流电阻0.374 Ω／km。根据架空线依频特性参数可求得故障行波在架空线路中的传播速度为294 km／ms。

电缆的几何参数如图4所示。根据电缆依频特性参数可求得行波在电缆线路中的传播速度为192 km／ms。

由公式（1）~（2）可得：ΔT1=213.8μs、ΔT2=540.9 μs。

3.2 故障仿真

3.2.1 F1点故障

设t＝0时，单相经60 Ω过渡电阻接地故障在混合线路F1点发生，故障初始角为90°。混合线路两端采集的故障电流与故障电压行波波形如图5所示。

通过对M端和N端接收到的故障相电流与电压暂态波形的分析，可得故障行波浪涌到达M端和N端的时刻分别为tM1=135 μs，tN1=494 μs。可计算出Δt=tM1-tN1=-359 μs，显然Δt<ΔT1，因而故障发生在架空线MQ段，代入公式（3）可得LMF=40.207 km，测距误差为207 m。

图5 F1点故障时M和N端的故障相电流与电压行波

图6 F2点故障时M和N端的故障相电流与电压行波

3.2.2 F2点故障

设t＝0时，单相经60 Ω过渡电阻接地故障在混合线路F2点发生，故障初始角为90°。混合线路两端采集的故障电流与故障电压行波波形如图6所示。

通过对M端和N端接收到的故障相电流与电压暂态波形的分析，可得故障行波浪涌到达M端和N端的时刻分别为tM1=505 μs，tN1=126 μs。可计算出Δt＝tM1-tN1=379 μs，显然ΔT1<Δt<ΔT2，因而故障发生在电缆QP段，代入公式（5）可得：LMF=140.269 km，测距误差为142 m。

3.2.3 F3点故障

设t＝0时，单相经60 Ω过渡电阻接地故障在混合线路F3点发生，故障初始角为90°。混合线路两端采集的故障电流与故障电压行波波形如图7所示。

图7 F3点故障时M和N端的故障相电流与电压行波

通过对M端和N端接收到的故障相电流与电压暂态波形的分析，可得故障行波浪涌到达M端和N端的时刻分别为tM1=615 μs，tN1=19 μs。可计算出Δt＝tM1-tN1＝596 μs，显然Δt＞ΔT2，因而故障发生在架空线NP段，代入公式（7）可得：LNF=5.368 km，LMF=163.911 km，测距误差为100 m。

架空线—海底电缆混合线路5个不同点发生单相接地故障时，双端行波测距方法所得到的测距结果与误差如表1所示。

表1 架空线—海底电缆混合线路不同位置故障时的测距结果

从表1中的测距结果中可以看出，所提出的利用暂态行波的架空线—海底电缆混合线路故障定位方法测距的误差一般在250 m以内。可见所提出的混合输电线路行波测距方法可简单方便、准确可靠地判断架空线—电缆混合线路故障点所在的具体位置。

4 结语

在分析架空线—海底电缆混合线路故障后暂态行波的折、反射现象的基础上，提出一种利用暂态行波的架空线—海底电缆混合线路故障定位方法，该方法不需要研究混合线路故障行波复杂的传播过程，只需提取初始故障行波到达双端母线侧的时间差值，大大简化了计算过程。仿真结果表明，所提出方法可以给出准确测距结果，误差在允许范围以内。

所提出的利用暂态行波的架空线—海底电缆混合线路故障定位方法，能够可靠、准确地定位故障点的位置，缩短了故障修复的时间，对于电网的稳定和经济运行十分重要的意义，具有良好的工程应用前景。

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Fault Location Method of Overhead Line-Submarine Cable Mixed Lines Used Transient Traveling Waves

XU Wenjie1，JIANG Daoyu1，WANG Jianying1，LI Luzhao2
（1.Guangzhou Bureau，EHV Transmission Company of China Southern Power Grid，Guangzhou 510663，China；2.Shandong Kehui Power Automation Co.，Ltd.，Zibo 255087，China）

Traveling wave propagation characteristics of the overhead line-submarine cable are analyzed after faults，and a fault location method based on transient travelling wave is proposed.The time difference of the transient traveling waves arrived buses of the overhead line and the submarine cable after the fault occurred at the connection point of the overhead line and the submarine cable is set to the setting value sequence.The preliminary fault location is given after comparing the time different with the setting value sequence.Then the fault location is decided using corresponding distance formula.PSCAD simulation shows the proposed method is feasible and the accuracy of fault location is improved obviously.

overhead lines-submarine cables；mixed lines；transient traveling wave；measure the distance

TM721

A

1007－9904（2016）12－0015－05

2016-06-24

许文杰（1985），男，主要从事变电检修、继电保护、变电运行管理方面的工作。