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輸電線路單相接地故障測距算法研究(論文)(編輯修改稿)

2025-01-11 01:45 本頁面
 

【文章內容簡介】 獲得故障點行波到達兩端的時間差與波速之積來確定故障點位置;由于這種測距裝備利用的是故障點產生的行波第一次到達兩端的信息,因此不受故障點投射波的影響,實現(xiàn)起來困 難較小。但是 B 型測距對通信通道有較高要求,使得設備成本投資巨大,目前難以在國內廣泛采用。 華北電力大學本科畢業(yè)設計(論文) 7 C 型故障測距裝置是在故障發(fā)生時于線路的一端施加高頻或直流脈沖,根據(jù)其從發(fā)射裝置到故障點之間的往返時間來實現(xiàn)故障測距。這個裝置的工作原理與雷達相同,對于瞬時性故障, C 型故障測距裝置僅靠人為施加雷達信號是測不到故障的。由于通信通道技術條件的限制,高壓脈沖信號強度不會太高,故障點反射脈沖往往很難與干擾信號區(qū)別開來,種種因素都限制了 C 型測距的發(fā)展。 在這 3 種方法中, A 型和 C 型為單端測距; B 型是雙端測距,需要兩端通信。 A 型和B 型 對于線路的瞬時性 (暫時性 )和永久性 (持續(xù)性 )故障均有較好的適用性, C 型則只適用于永久性故障。 縱觀現(xiàn)有的行波測距方法,雖然在理論上行波法是不受線路結構、過渡電阻、線路長度、系統(tǒng)阻抗和系統(tǒng)運行方式等因素的影響。但是在實際應用中, 現(xiàn) 有的行波法定位方法,特別是新型測距方法,尚有幾個問題有待解決: 1)線路兩端非線性元件的動態(tài)時延 因為電流互感器是提取電流行波信號的耦合元件,其二次側的時間常數(shù)常按試驗數(shù)據(jù)估計約為百 s? ,但受鐵芯飽和及剩磁的影響,這將使得電流互感器的動態(tài)時延 具有較大分散性;而行波啟動元件 (無論有無觸點 )也有一定分散時延性。而在 B 型測距算法中, 1 s?的時間誤差所對應的最大測距誤差約為 300m,而這種由耦合和啟動等非線性元件引起的分散性動態(tài)時延對行渡法測距精度的影響,在現(xiàn)有的文獻中還幾乎沒有定量考慮。 2)參數(shù)的頻變和波速的影響因素 在分析參數(shù)的頻變特性時,大地作為非均勻不良導體,它的電阻率采用復數(shù)透入深度,一般相模變換陣、特性阻抗、衰減常數(shù)以及波速等參數(shù)均為頻率的非線性函數(shù)。在行波測距中波速是是影響測距的主要因素,但它 的計算取決于大地電阻率的分布和架空線的配置(如架空高度等)。高壓輸電線路沿線的地質條件相當?shù)膹碗s,所以不同地質段的土壤電阻率 ? 會有不同的取值,且與氣候密切相關。而在輸電線路發(fā)生的故障中,單相接地故障占總量的 70%- 90%,在該類故障中地模分量起決定性作用,波速受頻變的影響很大。因此參數(shù)的頻變效應和波速的不確定性應成為限制該算法精度的主要因素。 3)采用某些硬件措施(如 GPS 系統(tǒng) )的成本較高 A 型和 C 型方法需采用高速采樣,采樣率至少應達到 1MHz。 B 型方法需采用 GPS 同步的高速采樣,采樣率也至少應達到 1MHz。且為防止 GPS 失效時的非同步采樣,應加裝誤差小于 10 s? 的高精度時鐘。這些硬件的成本都較高 [10]。 故障分析法 故障分析法是利用故障時記錄下來的工頻電壓量和電流量,通過計算分析,求出故障點的距離。當輸電線路發(fā)生故障時,在系統(tǒng)運行方式確定和線路參數(shù)已知的條件下,測量點的電壓量和電流量就是故障點距離的函數(shù),因此完全可以用故障時記錄下來的測量點電壓量和電流量來進行分析計算,得出故障點的位置。 華北電力大學本科畢業(yè)設計(論文) 8 故障分析法簡單易行,可以借 助于現(xiàn)有的故障錄波器達到測距目的。它在沒有專用的故障測距條件下,曾被廣泛采用。這種方法的優(yōu)點是簡單經濟,缺點是早期的故障分析法不僅需要人工分析計算,而且還要求具有一定的專業(yè)知識,測距結果很難做到十分準確。近年來,隨著電力系統(tǒng)調度自動化的迅速發(fā)展和微機式故障錄波器的開發(fā)應用,故障分析法測距的全部過程可以自動的完成,而輸電線路兩端電氣量的應用又將使故障測距的精度大為提高。因此,這種方法有著光明的發(fā)展前景。 這類方法的研究早在三十年代初就已經開始了,目前有很大的發(fā)展,已經提出了許多不同的測距原理和方法。按所采用的 電路模型來看可分為集中參數(shù)法和分布參數(shù)法;按所使用物理量的特征分,可分為工頻相量方法和瞬時值方法(大部分采用工頻量);按所需要的測量信息來分類,可分為單端電氣量法和雙端電氣量法。論文按單、雙端測距算法分類并對主要的故障分析算法進行介紹和評價。 利用單端電氣量法測距 單端電氣量法 [11~ 13]就是根據(jù)單端的電壓和電流以及必要的系統(tǒng)參數(shù),計算出故障距離。 單端電氣量法的測距原理如下: 由圖 21 可以寫出: fMMM RIxZIU ??? ?? ( 21) MZ NZM NlMI? NI?fI?x 圖 21 輸電線路發(fā)生 單相接地 故障原理圖 根據(jù)疊加原理,圖 21 所示的故障線路可視為正常負荷狀態(tài)和故障附加狀態(tài)的疊加。同理 M 端的電流也可以分解為正常負荷狀態(tài)電流和故障附加電流的疊加,如式( 22)所示: ffMM RIxZIU ??? ???? (22) 其中 MlI? 和 MfI? 分別為 M 端的正常負荷狀態(tài)電流和故障附加電流。 fiMMMf IKIII ???? ??? 1 ( 23) 其中 iK 為 M 端的電流分布系數(shù): 華北電力大學本科畢業(yè)設計(論文) 9 ZlZZ xlZZK NMNi ?? ??? )( ( 24) MZ 、 NZ 分別為輸電線兩電源端的阻抗。 將式 (23)帶入式 (21),可得到: iMffMM KIRxZIU??? ???? ( 25) 將式( 25)兩端分別乘以 MfI? 的共軛復數(shù) MfI?? ,可得到: 2MfifMfMMfM IKRxZIIIU ????? ????? ( 26) 對上式兩端取虛部,經整理可求出: ?????? ??????? ??????MfMiMfMiIIZKIUKxImIm ( 27) 由式( 27)可見 ,測距結果 x 不受過渡電阻的影響。電流分布系數(shù) iK 一般為復數(shù)。為了簡化算法,可取 iK 為實數(shù),于是可以得到測距結果為: ?????? ??????? ??????MfMMfMIIZIUxImIm ( 28) 可以看出,由于電流分布系數(shù) Ki 并非實數(shù),故式( 28)的結果將帶來新的誤差。 由于單端電氣量法只使用線路一端的信息,且測量設備與保護裝備及故障錄波裝置共用同一套 PT 、 CT 等設備,硬件投資小,現(xiàn)場實現(xiàn)簡單方便,也不受系統(tǒng)通信條件的限制,因此 60 多年來一直受到人們的重視。目前大多數(shù)故障測距參考文獻都是研究單端故障測距的特別是隨著微電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展,各種微機保護和故障錄波裝置廣泛應用于電力系統(tǒng)。利用微機裝置所提供的條件,現(xiàn)有的絕大部分單端測距算法完全可以用軟件來實現(xiàn),幾乎不需要再增加任何硬件投資這一突出優(yōu)點使單端測距算法的研究成為目前熱門的研究 課題之一。 近年來,工頻單端電氣量法在理論和實踐兩方面都取得了豐碩的成果?;诘ā⒔舛畏匠谭ê徒馕⒎址匠谭ǖ乳_發(fā)的微機保護和測距裝置,已在電力系統(tǒng)廣泛應用。目前,各種錄波裝置上的故障測距功能大多數(shù)都是單端電氣量法,而且這些算法又是建立在對稱分量法的基礎上的。單端電氣量法已經從最初的簡單估算發(fā)展到能較準確的進行測距;從采用較粗糙的集中參數(shù)電路模型發(fā)展到采用準確的分布參數(shù)電路模型。鑒于故障測距對計算時間的要求比保護寬松的多,因而可以采用分布參數(shù)電路以獲得更高的測距精華北電力大學本科畢業(yè)設計(論文) 10 度。這種以時間換精度的方法是行之有效的。 采用精確分布參數(shù)模型的單端電氣量法值得進一步深入研究。 根據(jù)長期實際運行結果表明,單端電氣量法具有一定的準確度,基本上能滿足用戶的要求。但是可以看到,在有些情況下,測距結果就會出現(xiàn)很大的誤差。究其原因主要是單端電氣量法在原理上難以消除對端系統(tǒng)阻抗等因素的影響。歸納起來,對于現(xiàn)有的單端電氣量法還有以下三個主要問題需要解決: 1)故障過渡電阻或對端系統(tǒng)阻抗變化對測距精度的影響; 2)輸電線路以及雙端系統(tǒng)阻抗的不對稱性對測距的影響; 3)測距方程的偽根問題。 造成測距誤差的根本原因是存在故障過渡電阻。要消除其影響 就要引入對端系統(tǒng)的阻抗,那就必然要受到對端系統(tǒng)阻抗變化的影響,這是單端電氣量法長期以來一直沒有解決的一個難題。 隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高和通訊技術的發(fā)展,人們相繼提出了雙端和多端故障測距方法。 利用雙端電氣量法測距 雙端電氣量 [14~ 16]法需要線路兩端的電壓、電流量,根據(jù)線路兩端的電壓和電流以及必要的系統(tǒng)參數(shù),經過化簡得到測距方程,解出故障距離。 根據(jù)所需對端電氣量的不同,雙端電氣量法可以分為以下兩大類,即兩端電流、一端電壓法和兩端電壓、電流法。 1)兩端電流,一端電壓法 由圖 21 可以寫出 下列電壓方程: ffMM RIxZIU ??? ???? ( 29) 由于對端電流量 NI? 已知,因此可以得到故障點電流 fI? : NMf III ??? ?? ( 210) 將式( 210)改寫為: ffMfM RIxZIIU ???????? ( 211) 對上式兩側取虛部可得: 華北電力大學本科畢業(yè)設計(論文) 11 ???????? ??????????????fMfMIIZIUxImIm ( 212) 式( 212)表明測距結果 x 不受過渡電阻的影響。為了得到準確的 fI? ,兩端電流量 MI?和 NI? 必須時間同步。 2)兩端電壓電流法 用這種方法時需要知道線路兩端的電壓和電流。因此要求由線路一端向另一端或線路兩端向調度中心傳送故障后的電壓和電流數(shù)據(jù),以便進行故障測距計算。由圖 21 可以寫出下列兩個電壓方程: ffMM RIxZIU ??? ???? ( 213) ffNN RIxlZIU ??? ????? )( ( 214) 聯(lián)立解式( 213)和( 214),消去 fR ,可以求出由 M 端到故障點的距離: ZIIlZIUUxNMNNM????????????)( ( 215) 式( 215)表明 ,故障點距測距點距離 x 與過渡電阻無關 , 兩端電壓、電流 MU? 、 NU? 、MI? 、 NI? 均需要同步。 雙端電氣量法就是根據(jù)線路兩端的電壓和電流以及必要的系統(tǒng)參數(shù),經過化簡得到測距方程,解出故障距離。利用雙端數(shù)據(jù)的測距算法,方程數(shù)等于未知量數(shù),原理上可以完全消除故障過渡電阻的影響,實現(xiàn)準確測距;但它必須使用通道來傳遞兩端的信息,還要解決兩端數(shù)據(jù)的同 步和測距方程的偽根問題。 從現(xiàn)有參考文獻看,長期以來,人們已經對雙端電氣量法進行了許多卓有成效的研究,并已經從采用較簡單的集中參數(shù)線路模型,深入到了采用準確的分布參數(shù)線路模型算法。許多算法還考慮了線路參數(shù)不對稱對測距精度的影響。雙端電氣量法不存在原理誤差,測距算法在實現(xiàn)時間方面的要求又比保護寬松的多,因此,采用精確的分布參數(shù)模型不僅為準確測距奠定了基礎,而且對高阻故障測距也是必需的。近年來,隨著通訊技術和電網自動化水平的提高,雙端電氣量法由于其高精度的優(yōu)良性能,已經逐步在電力系統(tǒng)
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