【正文】 常所說(shuō)的單相短路接地故障、兩相短路接地故障、兩相相間短路故障及三相短路故障。除了這些故障類型外，還有轉(zhuǎn)換性故障等復(fù)雜 類型。兩相相間短路故障幾率很小，約占 2％－ 3％，其原因多半是由于兩相導(dǎo)線受風(fēng)吹擺動(dòng)造成的。絕大多數(shù)三相故障都是由單相和兩相故障發(fā)展來(lái)的 [2]。絕緣子表面的閃污、閃濕，絕緣內(nèi)部擊穿，雷電閃絡(luò)，風(fēng)刮導(dǎo)致的線間閃絡(luò)，線路通過(guò)鳥獸或華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 樹木放電等都是造成輸電線路短路故障的原因。過(guò)渡電阻一般包括電弧電阻和桿塔接地電阻。一是大電流電弧故障，閃絡(luò)通過(guò)對(duì)地絕緣子或相間發(fā)生，電弧通道較短。研究表明，對(duì)大電流電弧故障，電弧電阻一般為 2－ 20? 。短路過(guò)渡電阻的存在是影響故障定位精確度的一個(gè)重要因素 [ 4]。 a)可靠性 可靠性包含不拒動(dòng)和不誤動(dòng)兩方面的內(nèi)容，不拒動(dòng)指裝置在故障發(fā)生后能可靠的測(cè)定故障點(diǎn)的位置，不應(yīng)由于測(cè)距原理、方法或制作工藝等任何問(wèn)題使裝置拒絕動(dòng)作；不誤動(dòng)指裝置在測(cè)距以外的任何條件下不應(yīng)錯(cuò)誤的發(fā)出測(cè)距的指示或信號(hào)。 b)準(zhǔn)確性 準(zhǔn)確性是對(duì)故障測(cè)距裝置的最重要的要求，沒(méi)有足夠的準(zhǔn)確性就意味著裝置失效。絕對(duì)誤差 以長(zhǎng)度表示，例如 10m,50m 等。 工程實(shí)際中希望裝置的誤差越小越好，實(shí)際上由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上各種因素的限制和制約，誤差通常規(guī)定不應(yīng)大于一定的指標(biāo)。 為了提高測(cè)距精度只要考慮下列因素： 1)裝置本身的誤差。 2)故障點(diǎn)的過(guò)渡電阻。 3)對(duì)端系統(tǒng) 阻抗。 4)線路的分布電容。對(duì)短線路來(lái)說(shuō)這種模型是可行的，但對(duì)較長(zhǎng)線路就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。輸電線的參數(shù)由其結(jié)構(gòu)決定。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 故障測(cè)距的準(zhǔn)確性與可靠性是有關(guān)聯(lián)，可靠性是準(zhǔn)確性的前提要求，離開可靠性來(lái)談?wù)摐?zhǔn)確性是沒(méi)有意義的。 c)經(jīng)濟(jì)性 裝置應(yīng)具有較高的性能價(jià)格比。而各種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，又會(huì)使得故障測(cè)距裝置的性能得到不斷提高和完善。 d)方便性 方便性主要體現(xiàn)在調(diào)試和使用上，裝置應(yīng)自動(dòng)給出測(cè)距結(jié)果，不用或盡量減少人的工作量。一種合適的測(cè)距裝置應(yīng)該是以上所有指標(biāo)的綜合平衡，但可靠、準(zhǔn)確是任何一種測(cè)距裝置 都必須滿足的要求 [1]。早在 1935 年，輸電線路故障指示器就在 和 230kV 的輸電系統(tǒng)中投入運(yùn)行 ,盡管當(dāng)時(shí)的故障定位器是指針式儀表，并需要與調(diào)度中心交換信息，但對(duì)測(cè)定故障點(diǎn)位置只依賴，仍有較大幫助。實(shí)際上，以上各項(xiàng)要求很難同時(shí)得到較好的滿足。 二戰(zhàn)后，故障測(cè)距技術(shù)的發(fā)展步伐加快，美、法、日等國(guó)都取得了不少新進(jìn)步 [6]。六十年代中期，人們對(duì)于行波的傳輸規(guī)律就有了較為深刻的認(rèn)識(shí)，再加上當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的發(fā)展，這便進(jìn)一步促進(jìn)了行波測(cè)距的發(fā)展。然而隨著微機(jī)型故障錄波器的發(fā)展，就完全可以在不增加硬件設(shè)備只增加部分軟件的條件下實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。近幾年來(lái)，基于微機(jī)或微處理裝置的故障測(cè)距方法在國(guó)內(nèi)外都非?；钴S，已成為全球最熱門的研究課題之一。在過(guò)去甚至于是在目前，大量的故障測(cè)距方法仍是根據(jù)故障錄波器來(lái)記錄短路電流，然后 對(duì)照事先已經(jīng)計(jì)算好的某一種最接近市級(jí)運(yùn)行方式下的短路電流曲線，以此來(lái)判定故障距離，這種方法的誤差很大，有時(shí)候甚至很難確定故障點(diǎn)的位置。 一直以來(lái)，電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)候以后，沒(méi)有能記錄故障故障數(shù)據(jù)的儀器，于是自動(dòng)故障記錄器便是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)動(dòng)作行為分析的重要依據(jù)，也是保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段。但是隨著電力系 統(tǒng)的發(fā)展以及電力網(wǎng)的自動(dòng)化水平逐漸提高，這種傳統(tǒng)的錄波器由于錄波環(huán)節(jié)眾多、容量小、沒(méi)有時(shí)標(biāo)、沒(méi)有記憶能力、數(shù)據(jù)讀取誤差較大等明顯缺點(diǎn)，已不再適合電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，微機(jī)型故障錄波器的功能亦日益趨向完善，不僅能夠詳盡地記錄電力網(wǎng)故障前后各種電氣量和狀態(tài)的變化過(guò)程信息，完整地反映故障 后各電氣量的瞬間變化以及繼電保護(hù)的動(dòng)作行為，還具有存儲(chǔ)容量大、記憶功能強(qiáng)、能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳以及后臺(tái)分析等優(yōu)點(diǎn)。以上這些都是電力系統(tǒng)事故分析以及加快電網(wǎng)事故處理提供了的有力保證。該故障信息系統(tǒng)以微機(jī)型故障錄波器為基礎(chǔ)，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而成。同時(shí)，對(duì)電網(wǎng)故障信息系統(tǒng)的研究和開發(fā)也給故障測(cè)距技術(shù)提供了很好的外部條件，給故障測(cè)距技術(shù)帶來(lái)了光明的應(yīng)用前景。而現(xiàn)代電網(wǎng)故障信息系統(tǒng)建立以后，讓雙端甚至多端故障測(cè)距成為可能，故障測(cè)距可以作為其中的一個(gè)子系統(tǒng)，利用故障信息系統(tǒng)的通信和錄波設(shè)備，實(shí)現(xiàn)精確故障定位。 本文主要研究?jī)?nèi)容 論文主要包括 兩方面的內(nèi)容：研究算法和 模型的建立 。具體包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容： 1） 閱讀大量與輸電線路故障測(cè)距有關(guān)的文獻(xiàn)資料，分析現(xiàn)有的各類測(cè)距算法。 3） 通過(guò)總結(jié)以往故障測(cè)距算法，主要研究一種專門針對(duì)單回線的故障測(cè)距 算法。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 4） 利用 Matlab 軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證算法的正確性，以及誤差分析。 阻抗法 阻抗法與阻抗繼電器的基本工作原理相同，都是根據(jù)故障時(shí)測(cè)量的電壓量、電流量來(lái)計(jì)算故障回路的阻抗。假設(shè)輸電線路為均勻線路，在不同的故障類型下計(jì)算出的故障回路阻抗或電抗，與測(cè)量點(diǎn)到 故障點(diǎn)的距離成正比，如此便可以求出故障距離。 阻抗法本身的優(yōu)點(diǎn)就是比較簡(jiǎn)單可靠，但是大多數(shù)阻抗法都存在著精度問(wèn)題。而且由于實(shí)際系統(tǒng)中的線路是不完全對(duì)稱的，還有測(cè)量端對(duì)側(cè)系統(tǒng)阻抗值的不可知因素影響，使得測(cè)距 誤差會(huì)遠(yuǎn)大于某些故障測(cè)距產(chǎn)品在理想條件下給出的誤差標(biāo)準(zhǔn)。但迭代法有時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)收斂于偽根或難于收斂、甚至于不收斂的情況 [8]；解二次方程法則可能會(huì)有偽根問(wèn)題，所以阻抗法測(cè)距的主要問(wèn)題仍然是測(cè)距精度。 A 型故障測(cè)距裝置是 根據(jù)故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波在測(cè)量端至故障點(diǎn)間往返的時(shí)間與行波波速之積來(lái)確定故障位置；這個(gè)測(cè)距裝置比較簡(jiǎn)單，只用安裝在一端，不要求和線路對(duì)側(cè)進(jìn)行通信聯(lián)系，因此不受過(guò)渡電阻影響，可以達(dá)到較高的精度。 B 型故障測(cè)距裝置是利用通信通道獲得故障點(diǎn)行波到達(dá)兩端的時(shí)間差與波速之積來(lái)確定故障點(diǎn)位置；由于這種測(cè)距裝備利用的是故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波第一次到達(dá)兩端的信息，因此不受故障點(diǎn)投射波的影響，實(shí)現(xiàn)起來(lái)困 難較小。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 C 型故障測(cè)距裝置是在故障發(fā)生時(shí)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(diǎn)之間的往返時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。由于通信通道技術(shù)條件的限制，高壓脈沖信號(hào)強(qiáng)度不會(huì)太高，故障點(diǎn)反射脈沖往往很難與干擾信號(hào)區(qū)別開來(lái)，種種因素都限制了 C 型測(cè)距的發(fā)展。 A 型和B 型 對(duì)于線路的瞬時(shí)性 (暫時(shí)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。但是在實(shí)際應(yīng)用中， 現(xiàn) 有的行波法定位方法，特別是新型測(cè)距方法，尚有幾個(gè)問(wèn)題有待解決： 1)線路兩端非線性元件的動(dòng)態(tài)時(shí)延 因?yàn)殡娏骰ジ衅魇翘崛‰娏餍胁ㄐ盘?hào)的耦合元件，其二次側(cè)的時(shí)間常數(shù)常按試驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)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(dòng)態(tài)時(shí)延 具有較大分散性；而行波啟動(dòng)元件 (無(wú)論有無(wú)觸點(diǎn) )也有一定分散時(shí)延性。 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(shí)，大地作為非均勻不良導(dǎo)體，它的電阻率采用復(fù)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)。高壓輸電線路沿線的地質(zhì)條件相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，所以不同地質(zhì)段的土壤電阻率 ? 會(huì)有不同的取值，且與氣候密切相關(guān)。因此參數(shù)的頻變效應(yīng)和波速的不確定性應(yīng)成為限制該算法精度的主要因素。 B 型方法需采用 GPS 同步的高速采樣，采樣率也至少應(yīng)達(dá)到 1MHz。這些硬件的成本都較高 [10]。當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，在系統(tǒng)運(yùn)行方式確定和線路參數(shù)已知的條件下，測(cè)量點(diǎn)的電壓量和電流量就是故障點(diǎn)距離的函數(shù)，因此完全可以用故障時(shí)記錄下來(lái)的測(cè)量點(diǎn)電壓量和電流量來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算，得出故障點(diǎn)的位置。它在沒(méi)有專用的故障測(cè)距條件下，曾被廣泛采用。近年來(lái)，隨著電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化的迅速發(fā)展和微機(jī)式故障錄波器的開發(fā)應(yīng)用，故障分析法測(cè)距的全部過(guò)程可以自動(dòng)的完成，而輸電線路兩端電氣量的應(yīng)用又將使故障測(cè)距的精度大為提高。 這類方法的研究早在三十年代初就已經(jīng)開始了，目前有很大的發(fā)展，已經(jīng)提出了許多不同的測(cè)距原理和方法。論文按單、雙端測(cè)距算法分類并對(duì)主要的故障分析算法進(jìn)行介紹和評(píng)價(jià)。 單端電氣量法的測(cè)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(fù)荷狀態(tài)和故障附加狀態(tài)的疊加。 fiMMMf IKIII ???? ??? 1 （ 23） 其中 iK 為 M 端的電流分布系數(shù)： 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 ZlZZ xlZZK NMNi ?? ??? )( （ 24） MZ 、 NZ 分別為輸電線兩電源端的阻抗。電流分布系數(shù) iK 一般為復(fù)數(shù)。 由于單端電氣量法只使用線路一端的信息，且測(cè)量設(shè)備與保護(hù)裝備及故障錄波裝置共用同一套 PT 、 CT 等設(shè)備，硬件投資小，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便，也不受系統(tǒng)通信條件的限制，因此 60 多年來(lái)一直受到人們的重視。利用微機(jī)裝置所提供的條件，現(xiàn)有的絕大部分單端測(cè)距算法完全可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，幾乎不需要再增加任何硬件投資這一突出優(yōu)點(diǎn)使單端測(cè)距算法的研究成為目前熱門的研究 課題之一?；诘?、解二次方程法和解微分方程法等開發(fā)的微機(jī)保護(hù)和測(cè)距裝置，已在電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。單端電氣量法已經(jīng)從最初的簡(jiǎn)單估算發(fā)展到能較準(zhǔn)確的進(jìn)行測(cè)距；從采用較粗糙的集中參數(shù)電路模型發(fā)展到采用準(zhǔn)確的分布參數(shù)電路模型。這種以時(shí)間換精度的方法是行之有效的。 根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，單端電氣量法具有一定的準(zhǔn)確度，基本上能滿足用戶的要求。究其原因主要是單端電氣量法在原理上難以消除對(duì)端系統(tǒng)阻抗等因素的影響。 造成測(cè)距誤差的根本原因是存在故障過(guò)渡電阻。 隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的提高和通訊技術(shù)的發(fā)展，人們相繼提出了雙端和多端故障測(cè)距方法。 根據(jù)所需對(duì)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。為了得到準(zhǔn)確的 fI? ，兩端電流量 MI?和 NI? 必須時(shí)間同步。因此要求由線路一端向另一端或線路兩端向調(diào)度中心傳送故障后的電壓和電流數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行故障測(cè)距計(jì)算。 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(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)得到測(cè)距方程，解出故障距離。 從現(xiàn)有參考文獻(xiàn)看，長(zhǎng)期以來(lái)，人們已經(jīng)對(duì)雙端電氣量法進(jìn)行了許多卓有成效的研究，并已經(jīng)從采用較簡(jiǎn)單的集中參數(shù)線路模型，深入到了采用準(zhǔn)確的分布參數(shù)線路模型算法。雙端電氣量法不存在原理誤差，測(cè)距算法在實(shí)現(xiàn)時(shí)間方面的要求又比保護(hù)寬松的多，因此，采用精確的分布參數(shù)模型不僅為準(zhǔn)確測(cè)距奠定了基礎(chǔ)，而且對(duì)高阻故障測(cè)距也是必需的。但是現(xiàn)有的雙端電氣 量法在雙端數(shù)據(jù)同步和偽根判別等方面，尚有待改善之處。 故障分析法簡(jiǎn)單易行，可借助現(xiàn)有的故障錄波裝置達(dá)到測(cè)距的目的。因此，這種方法有著十分光明的前景。這類方法一般利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行諧波分析，并利用輔助信號(hào)輸入來(lái)準(zhǔn)確確定故障位置。開發(fā)的采用組合架空地線的光纖測(cè)距技術(shù)是較新穎的一種智能化測(cè)距方法 ， 已有兩套測(cè)距系統(tǒng)投運(yùn)。 各類測(cè)距方法的比較 1）單、雙端測(cè)距算法的比較 在工頻量的單端測(cè)距算法與雙端測(cè)距算法對(duì)比之下發(fā)現(xiàn)，前者在測(cè)距原理上存在缺陷，無(wú)法同時(shí)消除故障電阻和對(duì)端系統(tǒng)阻抗變化的影響，后者在原理上無(wú)此誤差，可以完全消除故障過(guò)渡電阻和兩端系統(tǒng)阻抗的影響；但是前者實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)便，不依賴通信工具，不存在兩端數(shù)據(jù)同步問(wèn)題，而后者需要增加部分硬件投入，需要利用通信工具交換雙端信息，要解決雙端數(shù)據(jù)同步問(wèn)題；在測(cè)距精度方面，后者比前者可以達(dá)到更為精確的測(cè)距效果。 2）采用集中參數(shù)和采用分布參數(shù)線路模型的測(cè)距方法的比較 在工頻測(cè)距算法中，采用集中參數(shù)電路模型的算法與采用分布參數(shù)模型的相比，前者為簡(jiǎn)化模型，后者為精確模型；前者分析計(jì)算較為簡(jiǎn)便，后者分析計(jì)算較為復(fù)雜，但后者的測(cè)距精度明顯高于前者；兩者都存在區(qū)內(nèi)偽根問(wèn)題，但由于采用了精確的線路模型，后者的偽根比前者容易處理 [18]。在實(shí)現(xiàn)測(cè)距所需要的信息處理時(shí)間（這里所說(shuō)的時(shí)間主要是指抽取電壓電流信號(hào)的時(shí)間）方面行波法明顯優(yōu)于工頻法。但對(duì)需要抽取幅值和相角的工頻測(cè)距法來(lái)說(shuō)，就必須在不足一周（半周）甚至更短的華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 時(shí)間內(nèi)從復(fù)雜的暫態(tài)波形中得到所需要 的信息，無(wú)疑增加了濾波算法的難度 [10]。在測(cè)距原理上行波法（ A 型）幾乎不受過(guò)渡電阻和線路不對(duì)稱等因素的影響，而工頻單端測(cè)距方法則會(huì)受到上述因素的影響，同時(shí)還要受對(duì)端系統(tǒng)阻抗變化的影響。但行波法也存在反射波的識(shí)別問(wèn)題，在近區(qū)還存在無(wú)法識(shí)別反射波區(qū)域，而近端恰好是工頻單端測(cè)距法測(cè)距較準(zhǔn)確的區(qū)段。 工頻雙端測(cè)距法與行波法相比，二者都不存在原理誤差，但都需要通信手段 傳遞雙端信息，都存在雙端數(shù)據(jù)同步問(wèn)題；前者無(wú)死區(qū)問(wèn)題，但在信息抽取方面受故障切除時(shí)間的限制，后