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适用于直流融冰线路单相接地故障的定位方法

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本发明公开了一种适用于直流融冰线路单相接地故障的定位方法，该方法通过判断直流融冰系统整流装置中交流侧的三相电流及直流侧正负极电流是否满足保护动作方程，以对应进行相应的差动保护动作，该保护动作方程有效地反应整流装置保护区内的各种故障，并具有故障桥定位的功能。本保护的制动函数进一步考虑了两测量回路电流互感器不平衡电流的影响，对传统阀短路保护的制动函数进行改进，变为两折线式的制动函数，提高了保护的可靠性。

著录项

公开/公告号CN106019054A

专利类型发明专利
公开/公告日2016-10-12

原文格式PDF
申请/专利权人中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心;
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申请/专利号CN201610460240.9
发明设计人顾保全;李博通;唐金昆;张楠;王振;崔鹏飞;严喜林;郑伟;杨育丰;梁宁;
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申请日2016-06-21
分类号G01R31/02;G01R31/08;
代理机构广州科粤专利商标代理有限公司;
代理人黄培智
地址 510663 广东省广州市科学城科学大道223号2号楼检修试验中心
入库时间 2023-06-19 00:38:30

法律信息

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态
2018-08-28

授权

授权
2016-11-09

实质审查的生效 IPC(主分类):G01R31/02 申请日:20160621

实质审查的生效
2016-10-12

公开

公开

说明书

技术领域

本发明涉及输电线路保护技术领域，具体涉及一种适用于直流融冰线路单相接地故障的定位方法。

背景技术

直流融冰系统主要是通过对输电线路施加直流电压并在输电线路末端进行短路，使导线发热对输电线路进行融冰，从而避免线路因结冰而倒杆倒线，对电网输电安全意义重大。融冰装置针对融冰线路的保护目前基本配置电流横差、电压横差，低电压，过电压和线路阻抗监视保护作为直流线路的保护。其中仅有线路阻抗监视保护能够反映线路阻抗的变化情况并进行故障判断，但是，基于融冰线路电压和电流有效值之比的阻抗监视保护是无法准确反映故障位置的，使得运行维护人员在故障排查中难度增大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于直流融冰线路单相接地故障的定位方法，以便对输电线路故障进行精确定位，解决运行维护人员故障排查困难的问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种适用于直流融冰线路单相接地故障的定位法，包括步骤：

将换流站正负极分别与三相交流线路中的其中两相连接，另一相悬空，三相线路末端短接，并设连接的两相为a相和c相，悬空的一相为b相，线路全长为L；

测量直流融冰系统所接融冰交流导线k端三相电流和k端三相电压

采用库伦贝尔变换对均匀输电线路时域传输方程进行解耦，解耦之后将均匀输电线路时域传输方程按照模量分别计算，且各模量之间相互独立；

假设某一时刻F处发生故障，故障距离为x，利用k端三相电压与三相电流计算出F处左侧各模电流，再通过相模反变换将模电流转换为三相电流

计算出沿线各处接地阻抗：在故障点处有X_f(x)＝0，进行故障定位。

由上述可知，本发明可对直流融冰系统单相接地故障进行定位，当直流融冰系统出现单相故障时，通过上述方法对12脉动电压电流进行解耦，进行故障定位。定位过程充分利用了均匀传输导线方程及库伦贝尔变换解耦与基尔霍夫电流定律的应用，在对上述计算结果的基础上进行仿真验证，证明该方法可以有效提高直流融冰系统单相接地故障测距的精确度。

附图说明

图1为直流融冰装置接线方式示意图；

图2为直流融冰装置单相接地故障简图；

图3为故障距离x＝50km、实际接地电阻R_f＝0Ω，沿线接地电抗仿真图；

图4为故障距离x＝50km、实际接地电阻R_f＝50Ω，沿线接地电抗仿真图；

图5为故障距离x＝120km、实际接地电阻R_f＝0Ω，沿线接地电抗仿真图；

图6为故障距离x＝120km、实际接地电阻R_f＝50Ω，沿线接地电抗仿真图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为直流融冰装置接线方式示意图，以下描述为换流站正负极分别与三相交流线路中a相及c相连接，即b相悬空(还有另两种连接方式，即可形成a相或c相悬空，原理类似)，三相线路末端短接，线路全长为L。其中：为线路k端的三相电压，为k端的三相电流，为m端三相电压，为m端三相电流。

均匀输电线路时域传输方程描述如下：

$(\begin{matrix} \frac{d \overset{\cdot}{U}}{d x} = (R + j ω L) \overset{\cdot}{I} \\ \frac{d \overset{\cdot}{I}}{d x} = (G + j ω C) \overset{\cdot}{U} \end{matrix}) - - - (1.1)$

式中：

$\overset{\cdot}{U} = (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{a} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{b} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{c} \end{matrix}), \overset{\cdot}{I} = (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{a} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{b} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{c} \end{matrix})$

$R = (\begin{matrix} R_{s} & R_{m} & R_{m} \\ R_{m} & R_{s} & R_{m} \\ R_{m} & R_{m} & R_{s} \end{matrix}), L = (\begin{matrix} L_{s} & L_{m} & L_{m} \\ L_{m} & L_{s} & L_{m} \\ L_{m} & L_{m} & L_{s} \end{matrix})$

$G = (\begin{matrix} G_{s} & - G_{m} & - G_{m} \\ - G_{m} & G_{s} & - G_{m} \\ - G_{m} & L_{m} & G_{s} \end{matrix}), C = (\begin{matrix} C_{s} & - C_{m} & - C_{m} \\ - C_{m} & C_{s} & - C_{m} \\ - C_{m} & - C_{m} & C_{s} \end{matrix})$

其中，分别为三相的电压、电流；R_s、R_m分别为线路单位长度的自阻和互阻；L_s、L_m分别为线路单位长度的自感、互感；G_s＝G_d+2G_m，G_d、G_m分别为单位长度导线对地和导线间的电导；C_s＝C_d+2C_m，C_d、C_m分别为单位长度导线对地和导线间的电容。

采用库伦贝尔变换对上述矩阵进行解耦，解耦矩阵如下：

$(\begin{matrix} S = (\begin{matrix} 1 & - 1 & 0 \\ 1 & 0 & - 1 \\ 1 & 1 & 1 \end{matrix}) \\ S^{- 1} = \frac{1}{3} (\begin{matrix} 1 & 1 & 1 \\ - 2 & 1 & 1 \\ 1 & - 2 & 1 \end{matrix}) \end{matrix}) - - - (1.2)$

利用式(1.2)对式(1.1)进行解耦(式(1.1)左乘S)得

$(\begin{matrix} \frac{d {\overset{\cdot}{U}}_{m}}{d x} = ({SRS}^{- 1} + {jωSLS}^{- 1}) {\overset{\cdot}{I}}_{m} \\ \frac{d {\overset{\cdot}{I}}_{m}}{d x} = ({SGS}^{- 1} + {jωSCS}^{- 1}) {\overset{\cdot}{U}}_{m} \end{matrix}) - - - (1.3)$

式中：

${\overset{\cdot}{U}}_{m} = S \overset{\cdot}{U} = S (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{a} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{b} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{c} \end{matrix}) = (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{a} - {\overset{\cdot}{U}}_{b} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{a} - {\overset{\cdot}{U}}_{c} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{a} + {\overset{\cdot}{U}}_{b} + {\overset{\cdot}{U}}_{c} \end{matrix}), {\overset{\cdot}{I}}_{m} = S \overset{\cdot}{I} = S (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{a} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{b} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{c} \end{matrix}) = (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{a} - {\overset{\cdot}{I}}_{b} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{a} - {\overset{\cdot}{I}}_{c} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{a} + {\overset{\cdot}{I}}_{b} + {\overset{\cdot}{I}}_{c} \end{matrix}) - - - (1.4)$

${SRS}^{- 1} = S (\begin{matrix} R_{s} & R_{m} & R_{m} \\ R_{m} & R_{s} & R_{m} \\ R_{m} & R_{m} & R_{s} \end{matrix}) S^{- 1} = (\begin{matrix} R_{s} - R_{m} & 0 & 0 \\ 0 & R_{s} - R_{m} & 0 \\ 0 & 0 & R_{s} + 2 R_{m} \end{matrix})$

${SLS}^{- 1} = S (\begin{matrix} L_{s} & L_{m} & L_{m} \\ L_{m} & L_{s} & L_{m} \\ L_{m} & L_{m} & L_{s} \end{matrix}) S^{- 1} = (\begin{matrix} L_{s} - L_{m} & 0 & 0 \\ 0 & L_{s} - L_{m} & 0 \\ 0 & 0 & L_{s} + 2 L_{m} \end{matrix})$

${SGS}^{- 1} = S (\begin{matrix} G_{s} & - G_{m} & - G_{m} \\ - G_{m} & G_{s} & - G_{m} \\ - G_{m} & L_{m} & G_{s} \end{matrix}) S^{- 1} = (\begin{matrix} G_{s} + G_{m} & 0 & 0 \\ 0 & G_{s} + G_{m} & 0 \\ 0 & 0 & G_{s} - 2 G_{m} \end{matrix})$

${SGS}^{- 1} = S (\begin{matrix} C_{s} & - C_{m} & - C_{m} \\ - C_{m} & C_{s} & - C_{m} \\ - C_{m} & - C_{m} & C_{s} \end{matrix}) S^{- 1} = (\begin{matrix} C_{s} + C_{m} & 0 & 0 \\ 0 & C_{s} + C_{m} & 0 \\ 0 & 0 & C_{s} - 2 C_{m} \end{matrix})$

令

${\overset{\cdot}{U}}_{m} = (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{1} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{2} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{0} \end{matrix}), {\overset{\cdot}{I}}_{m} = (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{1} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{2} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{0} \end{matrix})$

称为1模分量，为2模分量，为0模分量，则线路对应的模量参数分别为

$(\begin{matrix} R_{1} = R_{2} = R_{s} - R_{m} \\ L_{1} = L_{2} = L_{s} - L_{m} \\ G_{1} = G_{2} = G_{s} + G_{m} \\ C_{1} = C_{2} = C_{s} + C_{m} \end{matrix}), (\begin{matrix} R_{0} = R_{s} + R_{m} \\ L_{0} = L_{s} + L_{m} \\ G_{0} = G_{s} - 2 G_{m} \\ C_{0} = C_{s} - 2 C_{m} \end{matrix})$

因此，参数解耦后的模量输电线路传输矩阵如下：

$(\begin{matrix} \frac{d {\overset{\cdot}{U}}_{1}}{d x} = ({SR}_{1} S^{- 1} + {jωSL}_{1} S^{- 1}) {\overset{\cdot}{I}}_{1} \\ \frac{d {\overset{\cdot}{I}}_{1}}{d x} = ({SG}_{1} S^{- 1} + {jωSC}_{1} S^{- 1}) {\overset{\cdot}{U}}_{1} \end{matrix})$

$(\begin{matrix} \frac{d {\overset{\cdot}{U}}_{2}}{d x} = ({SR}_{2} S^{- 1} + {jωSL}_{2} S^{- 1}) {\overset{\cdot}{I}}_{2} \\ \frac{d {\overset{\cdot}{I}}_{2}}{d x} = ({SG}_{2} S^{- 1} + {jωSC}_{2} S^{- 1}) {\overset{\cdot}{U}}_{2} \end{matrix}) - - - (1.5)$

$(\begin{matrix} \frac{d {\overset{\cdot}{U}}_{0}}{d x} = ({SR}_{0} S^{- 1} + {jωSL}_{0} S^{- 1}) {\overset{\cdot}{I}}_{0} \\ \frac{d {\overset{\cdot}{I}}_{0}}{d x} = ({SG}_{0} S^{- 1} + {jωSC}_{0} S^{- 1}) {\overset{\cdot}{U}}_{0} \end{matrix})$

在实际计算中一般电导可以忽略不计。解耦之后可将均匀传输线方程按照模量分别计算，且各模量之间相互独立。

输电线路发生单相接地故障时，以如图2所示为例。除直流分量外，融冰线路的电压电流量中12倍频交流分量的含量是最高的，下面推导中用到的电压电流相量均为12倍频分量。

沿线电压、电流分布的计算公式:

设线路单位长度的阻抗和导纳分别为z＝R+jωL,y＝G+jωC，其中ω为12倍频角速度。线路单位长度的传播常数γ与波阻抗Z_c分别为:

$(\begin{matrix} γ = \sqrt{(R + j ω L) (G + j ω C)} \\ Z_{c} = \sqrt{(R + j ω L) / (G + j ω C)} \end{matrix}) - - - (1.6)$

采用线路分布参数计算沿线电压电流分布:

$(\begin{matrix} \overset{\cdot}{U} = {\overset{\cdot}{U}}_{k} c h γ x - {\overset{\cdot}{I}}_{k} Z_{c} s h γ x \\ \overset{\cdot}{I} = - \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{k}}{Z_{c}} s h γ x + {\overset{\cdot}{I}}_{k} c h γ x \end{matrix}) - - - (1.7)$

其中，分别为线路首端的电压与电流，分别为距离线路首端x处的电压与电流。

计算非融冰相k端电压

由于非融冰相b相k端电压无法直接测量得到，但在进行沿线电压电流的计算中需要用到构成模量，下面首先根据测量到的a相k端电压电流计算

由式(1.7)中的电压方程，采用1模分量计算m处电压

${\overset{\cdot}{U}}_{m 1} = {\overset{\cdot}{U}}_{k 1} {chγ}_{1} l - {\overset{\cdot}{I}}_{k 1} Z_{c 1} {shγ}_{1} l - - - (1.8)$

式中：L为线路全长，且

$(\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{k 1} = {\overset{\cdot}{U}}_{k a} - {\overset{\cdot}{U}}_{k b} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{m 1} = {\overset{\cdot}{U}}_{m a} - {\overset{\cdot}{U}}_{m b} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{k 1} = {\overset{\cdot}{I}}_{k a} - {\overset{\cdot}{I}}_{k b} \end{matrix})$

由可求得

${\overset{\cdot}{U}}_{k b} = {\overset{\cdot}{U}}_{k a} - {\overset{\cdot}{I}}_{k a} Z_{c 1} {shγ}_{1} l / {chγ}_{1} l - - - (1.9)$

由此可得到非融冰相的k端电压12倍频分量。

故障点左侧相电流和相电压计算方法

设故障距离为x(0≤x≤l)，由式(1.7)，利用k端三相电压与三相电流计算出F处左侧各模电流，再通过相模反变换将模电流转换为三相电流

$(\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{f 1} = - \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{k 1}}{Z_{c 1}} {shγ}_{1} x + {\overset{\cdot}{I}}_{k 1} {chγ}_{1} x \\ {\overset{\cdot}{I}}_{f 2} = - \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{k 2}}{Z_{c 2}} {shγ}_{2} x + {\overset{\cdot}{I}}_{k 2} {chγ}_{2} x \\ {\overset{\cdot}{I}}_{f 0} = - \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{k 0}}{Z_{c 0}} {shγ}_{0} x + {\overset{\cdot}{I}}_{k 0} {chγ}_{0} x \end{matrix})$

$(\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{f a} (x) \\ {\overset{\cdot}{I}}_{f b} (x) \\ {\overset{\cdot}{I}}_{f c} (x) \end{matrix}) = S^{- 1} (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{f 1} (x) \\ {\overset{\cdot}{I}}_{f 2} (x) \\ {\overset{\cdot}{I}}_{f 0} (x) \end{matrix}) - - - (1.10)$

式中：

同理求得F处三相电压且故障点左侧和右侧电压相同。

$\begin{matrix} (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{f 1} (x) = {\overset{\cdot}{U}}_{k 1} {chγ}_{1} x - {\overset{\cdot}{I}}_{k 1} Z_{c 1} {shγ}_{1} x \\ {\overset{\cdot}{U}}_{f 2} (x) = {\overset{\cdot}{U}}_{k 2} {chγ}_{2} x - {\overset{\cdot}{I}}_{k 2} Z_{c 2} {shγ}_{2} x \\ {\overset{\cdot}{U}}_{f 0} (x) = {\overset{\cdot}{U}}_{k 0} {chγ}_{0} x - {\overset{\cdot}{I}}_{k 0} Z_{c 0} {shγ}_{0} x \end{matrix}) & (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{f a} (x) \\ {\overset{\cdot}{U}}_{f b} (x) \\ {\overset{\cdot}{U}}_{f c} (x) \end{matrix}) = S^{- 1} (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{f 1} (x) \\ {\overset{\cdot}{U}}_{f 2} (x) \\ {\overset{\cdot}{U}}_{f 0} (x) \end{matrix}) \end{matrix} - - - (1.11)$

故障点右侧电流与故障点电流计算方法

利用F处融冰两相电压与电流计算出m处2模电压

${\overset{\cdot}{U}}_{m 2} (x) = {\overset{\cdot}{U}}_{f 2} (x) {chγ}_{2} (l - x) - {\overset{\cdot}{I}}_{f 2}^{'} (x) Z_{c 2} {shγ}_{2} (l - x) - - - (1.12)$

式中

$(\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{m 2} (x) = {\overset{\cdot}{U}}_{m a} - {\overset{\cdot}{U}}_{m c} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{f 2} (x) = {\overset{\cdot}{U}}_{f a} (x) - {\overset{\cdot}{U}}_{f c} (x) \\ {\overset{\cdot}{I}}_{f 2}^{'} (x) = {\overset{\cdot}{I}}_{f a} (x) - {\overset{\cdot}{I}}_{f c}^{'} (x) \end{matrix})$

根据可求出的表达式。

${\overset{\cdot}{I}}_{f c}^{'} (x) = {\overset{\cdot}{I}}_{f a} (x) - \frac{({\overset{\cdot}{U}}_{f a} (x) - {\overset{\cdot}{U}}_{f c} (x)) {chγ}_{2} (l - x)}{Z_{c 2} {shγ}_{2} (l - x)} - - - (1.13)$

根据基尔霍夫电流定律，在故障点处，有

${\overset{\cdot}{I}}_{f} (x) = {\overset{\cdot}{I}}_{f c} (x) - {\overset{\cdot}{I}}_{f c}^{'} (x) - - - (1.14)$

故障定位

当故障距离x在0到L之间变化，由前述计算沿线各处的与由于故障点存在接地电阻，可根据在故障点处计算得到的与相位相同进行故障定位，即计算出沿线各处接地阻抗

$Z_{f} (x) = R_{f} (x) + {jX}_{f} (x) = {\overset{\cdot}{U}}_{f c} (x) / {\overset{\cdot}{I}}_{f} (x) - - - (1.15)$

由于故障点过渡电阻为阻抗，在故障点处有X_f(x)＝0，即可根据故障点电压与电流之比的虚部为0来进行故障定位。

$Im g ({\overset{\cdot}{U}}_{f c} (x) / {\overset{\cdot}{I}}_{f} (x)) = 0 - - - (1.16)$

对12倍频分量故障测距方法进行仿真验证。

(1)当故障距离x＝50km，实际接地电阻R_f＝0与R_f＝50Ω时，仿真得到的沿线接地电抗X_f(x)值如图3、图4所示。根据X_f(x)＝0进行故障定位，由图可以得出R_f＝0与R_f＝50Ω时，测量出的故障距离分别为52.1km与51.8km。

(2)当故障距离x＝120km，实际接地电阻R_f＝0与R_f＝50Ω时，仿真得到的沿线接地电抗X_f(x)值如图5、图6所示。由图可以得出R_f＝0与R_f＝50Ω时，测量出的故障距离分别为119.0km与118.6km。

(3)表1为采用12倍频分量进行故障测距的结果。

表1 12倍频分量故障测距结果

由图3-6与表1可知，采用12倍频分量进行故障测距时，测距结果误差较小。存在误差的主要原因是，对测量电压电流中12倍频分量的提取，存在一定误差。因此，为了提高测量精度，可以使测量到的电压电流，先经过滤波效果较好的低通滤波器进行处理，再利用上述测距原理进行故障定位。

本发明所针对的是直流融冰系统单相故障测距方法的保护，判断过程充分利用了均匀传输导线方程及库伦贝尔变换解耦与基尔霍夫电流定律的应用，在对上述计算结果的基础上进行仿真验证，证明该方法可以有效提高直流融冰系统单相接地故障测距的精确度。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

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