利用暫態(tài)行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法

許文杰，蔣道宇，王劍英，李錄照

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州510663；2.山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司，山東淄博255087）

利用暫態(tài)行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法

許文杰1，蔣道宇1，王劍英1，李錄照2

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州510663；2.山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司，山東淄博255087）

分析架空線—海底電纜混合線路發(fā)生故障后行波的傳播特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出一種利用暫態(tài)行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法，以架空線與海底電纜連接點(diǎn)處發(fā)生故障后暫態(tài)行波傳播到混合線路兩端母線的時(shí)間差值為整定值序列，當(dāng)架空線—海底電纜混合線路發(fā)生故障后，通過(guò)所測(cè)得的故障暫態(tài)行波傳播到混合線路兩端母線的時(shí)間差值與整定值序列進(jìn)行比較確定故障區(qū)段，再通過(guò)相應(yīng)測(cè)距公式進(jìn)行測(cè)距計(jì)算。PSCAD仿真結(jié)果表明，本方法可以準(zhǔn)確可靠地測(cè)出故障點(diǎn)。

架空線—海底電纜；混合線路；暫態(tài)行波；測(cè)距

0 引言

為了解決輸電線路跨越大水道和海峽的特殊問(wèn)題，一般在陸地上采用架空線輸電，跨越海峽或大水道時(shí)采用海底電纜輸電，這就出現(xiàn)了許多高壓架空線—海底電纜—架空線混合輸電線路。比如，海南聯(lián)網(wǎng)工程采用了500 kV高壓架空線—海底電纜—架空線三段混合輸電線路［1］。由于這種線纜混合線路各段參數(shù)分布極不均勻，當(dāng)混合輸電線路發(fā)生故障后，應(yīng)用何種故障測(cè)距方法定位故障點(diǎn)對(duì)于提高供電可靠性具有重要的意義。

行波測(cè)距法由于不受線路分布電容、故障類型、過(guò)渡電阻等因素的影響，是目前公認(rèn)的輸電線路使用范圍最寬、最為準(zhǔn)確的故障測(cè)距方法。行波故障測(cè)距方法利用故障時(shí)產(chǎn)生故障電流或電壓行波在故障點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)往返一次的時(shí)間差或者初始故障電流或電壓行波到達(dá)線路兩端測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間差值來(lái)進(jìn)行測(cè)距計(jì)算［2-5］。目前，對(duì)于普通架空線—電纜兩段混合線路（一段電纜與一段架空線交替連接的混合線路）已經(jīng)提出了多種行波測(cè)距方法，并取得了較好的測(cè)距結(jié)果［6-11］。而對(duì)于架空線—海底電纜混合線路（兩段架空線和一段電纜交替連接的混合線路，且電纜線路在中間）的暫態(tài)行波測(cè)距方法很少有學(xué)者研究。

文獻(xiàn)［12］提出了一種基于時(shí)間中點(diǎn)法的500 kV海底電纜—架空線混合線路行波測(cè)距方法，但此方法首先需要確定時(shí)間中點(diǎn)以及故障搜索方法，確定故障點(diǎn)的時(shí)間距離后再根據(jù)時(shí)間距離計(jì)算故障點(diǎn)位置。在分析海底電纜—架空線混合線路傳播特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出一種利用暫態(tài)行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法，無(wú)需確定時(shí)間中點(diǎn)和故障搜索方向，通過(guò)暫態(tài)行波第一次到達(dá)線路兩側(cè)的時(shí)間差值來(lái)區(qū)分故障發(fā)生區(qū)段，再通過(guò)測(cè)距公式給出測(cè)距結(jié)果。

1 混合線路暫態(tài)行波傳播過(guò)程

由于海底電纜與架空線的波阻抗不同，因而行波在兩者中的傳播速度也不同，海底電纜與架空線連接點(diǎn)處為波阻抗不連續(xù)點(diǎn)，故障行波會(huì)在此處發(fā)生復(fù)雜的折、反射。如圖1所示以架空線—海底電纜混合輸電線路為例來(lái)分析行波在混合線路中的傳播特性。

圖1 混合輸電線路故障后行波折、反射示意

圖1中，F(xiàn)表示輸電線路故障點(diǎn)，Q和P分別表示架空線路與電纜線路的連接點(diǎn)，L1、L2、L3分別表示架空線MQ段、電纜QP段和架空線段總長(zhǎng)度，LMF、LNF分別表示故障點(diǎn)F到母線M端和N端的距離，tM1和tN1分別表示故障行波第一次傳播到線路M側(cè)和線路N側(cè)的時(shí)間。

從圖1中可以看出，當(dāng)混合輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障行波浪涌從故障點(diǎn)同時(shí)向母線M端和N端傳播，向母線M端傳播的暫態(tài)行波經(jīng)過(guò)電纜與架空線的連接點(diǎn)Q，并在連接點(diǎn)Q發(fā)生一次折射和反射，折射行波繼續(xù)向M端傳播，故障行波首次到達(dá)母線M側(cè)并在母線M側(cè)發(fā)生折射和反射；向母線N端傳播的行波經(jīng)過(guò)電纜與架空線的連接點(diǎn)P，并在連接點(diǎn)P發(fā)生一次折射和反射，折射行波繼續(xù)向N端傳播，故障行波首次到達(dá)母線N側(cè)并在母線N側(cè)發(fā)生折射和反射。由于只用到故障行波第一次到達(dá)雙端母線側(cè)的時(shí)間差，其他折射反射過(guò)程不再贅述。

2 利用暫態(tài)行波的混合線路故障定位原理

2.1 故障區(qū)段的確定

故障行波第一次到達(dá)母線M側(cè)和N側(cè)的時(shí)間差值作為整定值序列

式中：ΔT1、ΔT2分別為連接點(diǎn)Q以及連接點(diǎn)P發(fā)生故障時(shí)故障初始行波到達(dá)母線兩側(cè)的時(shí)間差值；vO和vC分別為故障行波在架空線和海底電纜中的傳播速度。

在混合線路兩端裝設(shè)行波測(cè)距系統(tǒng)來(lái)采集故障行波傳播到線路兩端的時(shí)間tM1和tN1，記Δt=tM1-tN1，若Δt＜ΔT1，則故障發(fā)生在架空線路MQ段；若Δt＝ΔT1，則架空線路與海底電纜線路的連接點(diǎn)Q處發(fā)生故障；若ΔT1＜Δt＜ΔT2，則故障發(fā)生在海底電纜線路QP段；若Δt＝ΔT2，則海底電纜線路與架空線路的連接點(diǎn)P處發(fā)生故障；若Δt＞ΔT2，則故障發(fā)生在架空線路NP段。

2.2 給定測(cè)距結(jié)果

若故障發(fā)生在架空線路與海底電纜線路的連接點(diǎn)Q處，則測(cè)距公式為

若故障發(fā)生在海底電纜線路與架空線路的連接點(diǎn)P處，則測(cè)距公式由式（6）給出

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型參數(shù)

利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD建立如圖2所示500 kV架空線—海底電纜混合線路模型，其中，M端和N端的系統(tǒng)電抗均為0.031 4 Ω，L1為124.411 km，L2為31.4 km，L3為13.468 km，F(xiàn)1點(diǎn)到M端的距離40 km，F(xiàn)2點(diǎn)到M端的距離140.411 km，F(xiàn)3點(diǎn)到N端的距離5.468km，距離M端的距離163.811 km，仿真頻率為1 MHz。

圖2 500kV架空線—海底電纜混合輸電線路

圖3 架空輸電線路結(jié)構(gòu)

圖4 電纜幾何參數(shù)分布

模型中水平布置的不換位架空輸電線路結(jié)構(gòu)如圖3所示。導(dǎo)線選用LGJQ－300×4，直徑23.7 mm，4分裂，裂相距離45 cm，直流電阻0.108 Ω／km。地線選用2×LHGJJ－90（分段接地），直徑14.84 mm，直流電阻0.374 Ω／km。根據(jù)架空線依頻特性參數(shù)可求得故障行波在架空線路中的傳播速度為294 km／ms。

電纜的幾何參數(shù)如圖4所示。根據(jù)電纜依頻特性參數(shù)可求得行波在電纜線路中的傳播速度為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點(diǎn)故障

設(shè)t＝0時(shí)，單相經(jīng)60 Ω過(guò)渡電阻接地故障在混合線路F1點(diǎn)發(fā)生，故障初始角為90°?；旌暇€路兩端采集的故障電流與故障電壓行波波形如圖5所示。

通過(guò)對(duì)M端和N端接收到的故障相電流與電壓暫態(tài)波形的分析，可得故障行波浪涌到達(dá)M端和N端的時(shí)刻分別為tM1=135 μs，tN1=494 μs?？捎?jì)算出Δt=tM1-tN1=-359 μs，顯然Δt<ΔT1，因而故障發(fā)生在架空線MQ段，代入公式（3）可得LMF=40.207 km，測(cè)距誤差為207 m。

圖5 F1點(diǎn)故障時(shí)M和N端的故障相電流與電壓行波

圖6 F2點(diǎn)故障時(shí)M和N端的故障相電流與電壓行波

3.2.2 F2點(diǎn)故障

設(shè)t＝0時(shí)，單相經(jīng)60 Ω過(guò)渡電阻接地故障在混合線路F2點(diǎn)發(fā)生，故障初始角為90°?；旌暇€路兩端采集的故障電流與故障電壓行波波形如圖6所示。

通過(guò)對(duì)M端和N端接收到的故障相電流與電壓暫態(tài)波形的分析，可得故障行波浪涌到達(dá)M端和N端的時(shí)刻分別為tM1=505 μs，tN1=126 μs?？捎?jì)算出Δt＝tM1-tN1=379 μs，顯然ΔT1<Δt<ΔT2，因而故障發(fā)生在電纜QP段，代入公式（5）可得：LMF=140.269 km，測(cè)距誤差為142 m。

3.2.3 F3點(diǎn)故障

設(shè)t＝0時(shí)，單相經(jīng)60 Ω過(guò)渡電阻接地故障在混合線路F3點(diǎn)發(fā)生，故障初始角為90°?；旌暇€路兩端采集的故障電流與故障電壓行波波形如圖7所示。

圖7 F3點(diǎn)故障時(shí)M和N端的故障相電流與電壓行波

通過(guò)對(duì)M端和N端接收到的故障相電流與電壓暫態(tài)波形的分析，可得故障行波浪涌到達(dá)M端和N端的時(shí)刻分別為tM1=615 μs，tN1=19 μs?？捎?jì)算出Δt＝tM1-tN1＝596 μs，顯然Δt＞ΔT2，因而故障發(fā)生在架空線NP段，代入公式（7）可得：LNF=5.368 km，LMF=163.911 km，測(cè)距誤差為100 m。

架空線—海底電纜混合線路5個(gè)不同點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，雙端行波測(cè)距方法所得到的測(cè)距結(jié)果與誤差如表1所示。

表1 架空線—海底電纜混合線路不同位置故障時(shí)的測(cè)距結(jié)果

從表1中的測(cè)距結(jié)果中可以看出，所提出的利用暫態(tài)行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法測(cè)距的誤差一般在250 m以內(nèi)。可見(jiàn)所提出的混合輸電線路行波測(cè)距方法可簡(jiǎn)單方便、準(zhǔn)確可靠地判斷架空線—電纜混合線路故障點(diǎn)所在的具體位置。

4 結(jié)語(yǔ)

在分析架空線—海底電纜混合線路故障后暫態(tài)行波的折、反射現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，提出一種利用暫態(tài)行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法，該方法不需要研究混合線路故障行波復(fù)雜的傳播過(guò)程，只需提取初始故障行波到達(dá)雙端母線側(cè)的時(shí)間差值，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。仿真結(jié)果表明，所提出方法可以給出準(zhǔn)確測(cè)距結(jié)果，誤差在允許范圍以內(nèi)。

所提出的利用暫態(tài)行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法，能夠可靠、準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn)的位置，縮短了故障修復(fù)的時(shí)間，對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行十分重要的意義，具有良好的工程應(yīng)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

許文杰（1985），男，主要從事變電檢修、繼電保護(hù)、變電運(yùn)行管理方面的工作。