35kV配电网单相接地故障定位的系统研究和实现解析.docx

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35kV配电网单相接地故障定位的系统研究和实现解析

华北电力大学（北京

硕士学位论文

35kV配电网单相接地故障定位的系统研究和实现姓名:

成艳

申请学位级别:

硕士

专业:

电力系统及其自动化

指导教师:

杨以涵

20080201

摘要

在比较了现有故障定位方法的基础上,本文根据配电网自身的特点选择了C型行波法作为主要研究对象。

C型行波法的主要优点是定位速度快,无需巡线,可以进行多次定位。

该方法适用于接地过渡电阻不大于3施的配电网故障定位问题。

为了进一步提高定位精度本文提出了配电网单相接地的故障定位新方法,即综合定位法;并对此方法进行了原理介绍:

对系统的软件设计进行了阐述;然后着重对系统装置的软件和硬件的设计作了全面的介绍。

故障定位的装置包括两个信号发生器和一个信号接收器,其硬件装置的控制由C8051F3lO单片机来设计完成。

关键词:

配电线路,单相接地故障,故障定位

ABSTRACT

Onthefoundationofcomparingexistingfaultlocationmethods,thispaperselectsC—Traveling

WaveMethodformainstudyobjectaccordingtothecharacteristicofdistributionnetwork.C—TravelingWaveMethodhasmajoradvantagesasfollows:

first,ithasrapidlocationspeed;second,patrollingisnotneed;third,itcancarryoutfaultlocationmanytimes.Thismethodissuitableforthefaultlocationproblemwithearthresistancenolargerthan3施.Tofurtherraiselocationaccuracy,Thepapergivesoutthenewmethodaboutsignal-phasegroundingfaultlocationof35kV,compositivelocationmethod,introducestheprincipleofthismethod;andexpoundsthesoftwaredesignofthesystem.Thenthepaperintroducesthesoftwareandthehardwareaboutthesystemicequipmentgenerally.TheequipmentofSignal—phasegroundingfaultlocationincludestwosignalgeneratorsourceandacorrespondingsignalreceiver,andthecontrolofthehardwareequipmentisdesignedandaccomplishedbytheadvancedC8051F310singlechip.

ChengYan（electricpowersystemanditsautomationDirectedbyprof.YangYi-han

KEYWORDS:

distributionline,single—phasegroundedfault,faultlocation

摘要

在比较了现有故障定位方法的基础上,本文根据配电网自身的特点选择了C型行波法作为主要研究对象。

C型行波法的主要优点是定位速度快,无需巡线,可以进行多次定位。

该方法适用于接地过渡电阻不大于3施的配电网故障定位问题。

为了进一步提高定位精度本文提出了配电网单相接地的故障定位新方法,即综合定位法;并对此方法进行了原理介绍:

对系统的软件设计进行了阐述;然后着重对系统装置的软件和硬件的设计作了全面的介绍。

故障定位的装置包括两个信号发生器和一个信号接收器,其硬件装置的控制由C8051F3lO单片机来设计完成。

关键词:

配电线路,单相接地故障,故障定位

ABSTRACT

Onthefoundationofcomparingexistingfaultlocationmethods,thispaperselectsC—Traveling

WaveMethodformainstudyobjectaccordingtothecharacteristicofdistributionnetwork.C—TravelingWaveMethodhasmajoradvantagesasfollows:

first,ithasrapidlocationspeed;second,patrollingisnotneed;third,itcancarryoutfaultlocationmanytimes.Thismethodissuitableforthefaultlocationproblemwithearthresistancenolargerthan3施.Tofurtherraiselocationaccuracy,Thepapergivesoutthenewmethodaboutsignal-phasegroundingfaultlocationof35kV,compositivelocationmethod,introducestheprincipleofthismethod;andexpoundsthesoftwaredesignofthesystem.Thenthepaperintroducesthesoftwareandthehardwareaboutthesystemicequipmentgenerally.TheequipmentofSignal—phasegroundingfaultlocationincludestwosignalgeneratorsourceandacorrespondingsignalreceiver,andthecontrolofthehardwareequipmentisdesignedandaccomplishedbytheadvancedC8051F310singlechip.

ChengYan（electricpowersystemanditsautomationDirectedbyprof.YangYi-han

KEYWORDS:

distributionIine,single—phasegroundedfault,faultlocation

p士=l明

本人郑重声明:

此处所提交的硕士学位论文《配电网行波故障定位技术的研究》,是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间,在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。

据本人所知,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名:

盘整FI期:

21墨蔓关于学位论文使用授权的说明

本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定,即:

①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文;③学校可允许学位论文被查阅或借阅;④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文;⑤同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。

（涉密的学位论文在解密后遵守此规定

作者签名:

导师签名:

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日期:

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华北电力大学硕士学位论文

1.1课题的研究背景第一章绪论弟一早三百y匕

电力系统中性点接地方式可划分为两大类:

大电流接地方式和小电流接地方式。

在大电流接地方式中,主要有中性点直接接地方式、中性点经低电阻、低电抗接地方式;在小电流接地方式中,主要有中性点经消弧线圈接地方式、中性点不接地方式和中性点经高电阻接地方式。

我国配电网中,66kV及以下都属于小电流接地系统。

小电流接地系统的故障绝大多数是单相对地短路故障。

小电流接地系统在发生单相对地短路故障时,由于大地与中性点之间没有直接电气连接或串接了电抗器,因此短路电流很小,保护装置不需要立刻动作跳闸,从而提高了系统运行的可靠性。

尤其在瞬时故障条件下,短路点可以自行灭弧恢复绝缘,不需要运行人员采取什么措施,这对于减少用户短时停电次数具有积极意义但是随之而来的问题是:

如果故障是永久性的,系统仅仅允许在故障情况下继续运行1"--2个小时,此时运行人员必须尽快查明短路线路和短路点,以便采取相应对策解除故障,恢复系统正常运行。

这就提出了小电流接地系统的单相接地故障选线和故障定位问题。

作为选线技术的发源地,我们课题组在从2000年开始,在杨以涵老师的带领下,得到了自然科学基金的支持,并与辽宁丹东电力公司合作,开始了第二轮选线研究。

使用了群体比幅比相、连续选线、有效域、多种判据融合等方法。

如今选线成功率通过实测统计不低于95%,选线装置已在辽宁、山西、河北等地投运和推广,运行效果很好,满足了配电网运行对选线的要求,选线效果无疑是国内领先。

这一成绩的取得,证明了现有选线判据的正确性和实用性。

在选线取得如此重大成绩的同时,而中性点非有效接地系统中的线路单相接地故障定位是一个长期以来人们致力于解决但至今尚没有很好解决的难题。

当前配电线路故障定位方法是在确定接地线路后,由人工沿线路寻找故障点。

以前配电系统线路较短,结构也简单,虽然工作量较大,但还是可以接受的。

随着配电网网架地加强,线路增长,分支线路也增多,线路变得复杂,用传统的巡线方法找出具体故障点的位置非常困难,少则几小时,甚至数十小时,不仅耗费了大量人力物力,而且延长了停电时间,影响供电可靠性。

尤其是在气候严寒冬季或雨雪天气、路况艰难,现有找故障点的方法劳动强度非常大,难以适应当前生产的需求。

因此开展配电线路故障定位技术的研究具有重大意义。

根据电力系统中性点接地方式的不同,电力线路可分为高压输电线路和中低压供配电线路。

高压输电线路输电距离长,输送功率大,线路故障直接影响系统的安

全性和可靠性,在线路故障后迅速准确地找到故障点,及时排除故障,对系统的安全稳定和可靠运行都有重要意义。

所以,多年来人们尤其重视对高压输电线路故障定位问题的研究,在这方面的研究也取得了很大成就。

现场运行的各种故障定位装置的测距结果达到很高的精度。

中压供配电线路分布范围广,每条线路较短、供电区域小,与输电线路故障相比,一条线路停电影响的范围也较小,对系统的安全性不会造成重大影响。

一直没有受到足够的重视,线路发生故障后,基本上人工沿线寻找故障点。

但是线路故障会造成对用户的供电中断,快速的故障定位将使用户的停电时间大大缩短,减小停电造成的损失。

在用户越来越强调电能质量和供电可靠性的今天,故障定位被认为是现代变电站控制系统的首要功能之一。

准确的故障定位是从技术上保证电网安全、稳定和经济运行的重要措施之一,弥补了小电流接地运行方式存在的不足,具有巨大的社会和经济效益。

1.2国内外研究现状

1-2_1国内研究现状

由于不同电压等级电力网络有各自不同的结构特点,因此,适用于不同电力网络的定位方法也各有不同。

目前配电线路故障定位方法按原理可以分为:

阻抗法、行波法、S注入法、“故障指示器’’技术及故障分析法。

阻抗法【lJ的故障测距原理是假定线路为均匀线,在不同故障类型条件下计算出的故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比,从而通过计算故障时测量点的阻抗或电抗值除以线路的单位阻抗或电抗值得到测量点到故障点的距离【2】。

阻抗法具有投资少的优点,但受路径阻抗、线路负荷和电源参数的影响较大,对于带有多分支的配电线路,阻抗法无法排除伪故障点,它只适合于结构比较简单的线路。

行波法【3j:

根据行波传输理论实现故障定位,一般可分为A、B、C、E型几类。

A型行波法是利用故障点产生的行波,根据测量点到故障点往返一次的时间和行波波速来确定故障点的位置;B型行波法是利用故障点产生的行波到达线路两端的时刻并借助通信联系实现故障定位;C型行波法是在故障发生后由装置发射高压高频或直流脉冲信号,根据高频脉冲从装置至故障点往返时间进行定位;E型【4】原理是利用断路器重合闸于故障线路时产生的暂态行波在测量点与永久性故障点之间往返一次的时间计算故障距离;文献5的测距原理是利用测量点感受到的输电线路故障开断初始行波浪涌与其在故障点反射波之间的时延实现单端故障测距。

S注入法【6-8]:

其原理是通过母线PT向接地线的接地相注入信号电流,其基波频率处于工频n次谐波与n+1次谐波之间,然后利用专用的信号电流探测器查找故

障线路和故障点.S注入法在接地过渡电阻较小的情况下,有较高的定位精度。

但运行实践表明,当接地点过渡电阻不大于1施时,S注入法确实很有效,但当过渡电阻大于1地时,该方法开始不再十分有效,达到10施时,就完全失效。

值得一提的是lOkV配电网的接地故障的过渡电阻大都在10施以上。

这就是S信号注入法在实际运行中为什么常常失效的重要原因。

总之,S注入法并不能圆满解决中压配电网的故障定位问题,只是在一定条件下（范围很有限有效。

1.2.2国外研究现状

国外,日本、美国和欧洲的许多国家都在研究和使用短路故障指示器,主要用于指示配电线路短路电流的路径,给巡线人员指明短路故障所在的出线、分支和区段。

在这方面国外的技术水平和国内不相上下【l卜19】。

国外对接地故障指示器的研究较少,技术水平不比国内强。

另外,欧洲一些地区的故障定位技术主要是利用馈线自动化装置确定故障区段,然后由人工寻线来找到故障点。

配电系统安装馈线自动化装置,即在线路上安装有自动分段开关和检测装置,故障后利用自动分段开关的相互配合,确定故障区段并将故障区段隔离,但是这种方法只能确定故障区段,并不能确定故障位置,而且由于馈线自动化投资大、维护复杂,在我国没有得到广泛的应用。

日本除了研究故障指示器外,还研制出一种脉冲信号注入法的故障定位技术。

1.3本文的主要内容

本文在对目前国内外电力系统故障定位的基本方法及发展状况进行了综合分析与总结,比较了各种定位方法的应用情况及其优缺点,针对35kV配电网的实际电网情况,提出了综合定位方法,即C型行波法粗定位和交流注入法细定位的两步故障定位方法。

第二章主要针对35kV配电网的特点,提出了综合定位法的思想。

讲述了C型行波法和交流注入法的故障定位原理。

本章着重对行波的特性,行波在传输线路中的波动过程、传输特性以及行波传输过程中在波阻抗不连续点发生反射、折射的原理进行了分析,并提出了特征波概念,用以解决35kV线路带分支问题。

第三章主要针对C型行波故障定位方法,对各种单相接地故障进行了仿真分析。

介绍了电磁暂态仿真软件ATP,并利用ATP仿真软件建立了各种单相接地故障的仿真模型。

分析了仿真得到的图形和数据,验证了C型行波定位理论的可行性。

然后介绍了C型行波法故障定位数据处理和软件设计的流程。

第四章主要是对高压脉冲信号发生源（服务于C型行波法和交流信号发生源（服务于交流信号注入法的设计进行了详细的介绍。

首先对其硬件部分进行了分.1.

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析,引入了C8051F单片机来设计信号源,对两个信号源的主回路及其相关的重要控制技术,如驱动控制和PWM控制技术进行了着重的介绍。

然后建立了基于C8051F单片机的信号源软件设计,对中断、定时器、AD采集、串口通信和数码管等的设计进行了详细的分析。

第五章介绍了故障定位装置的总体框架的设计,各模块的功能、接口及通信规约的拟定;通过大兴35kV线路这个典型的现场实验再次验证前面工作的实用性;简单介绍了直流法故障定位原理及现今实验室故障定位进展情况。

第六章是对本文工作的总结和展望。

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第二章35kV配电网故障定位的理论研究

配电网络中线路单相接地故障定位问题是一个至今在国内外还没有很好解决的问题。

本文将着重研究配电网中比较简单的35kV线路,彻底解决它后,将对更好解决所有配电网络有很大的帮助。

2.135kV配电网线路特点

由于本文是介绍35kV配电网线路故障定位,所以下面论述一下35kV配电网线路的特点:

1、网络接线简单,一般的35kV线路没有分支,某些35kV线路具有分支,但分支节点最多两个。

2、10kV配电线路上有很多配电变压器,但对于35kV线路只有在终端才有配电变压器,当线路发生接地故障时,线路处于停电状态,35kV线路终端的配电变压器将被切除,但是10kV线路由于线路上配电变压器多,一个个切除很麻烦。

鉴于在离线情况下35kV线路无配电变压器,所以我们可以按分布参数来考虑。

3、35kV线路相对于输电线路短,其行波传输的衰减和异化可不予考虑,鉴于这些忽略,可把它看成理想的无损耗分布参数电路,对其可进行仿真和模拟。

4、35kV配电网线路的架空线中一般是杆塔作为支柱,但也有少数是水泥杆。

如果是杆塔,则发生接地时,接地电阻就比较小,但如果是水泥杆,则发生接地时,接地电阻会很大。

本文第三章就是根据这些原则对C型行波法进行仿真分析的。

根据35kV配电网的自身特点,结合现场试验,选择了C型行波法作为主要论述对象。

详细介绍了C型行波法的相关原理,并对C型行波法的适用范围进行了试验分析。

为了进一步提高定位精度,提出将C型行波法和交流注入法结合起来,进行综合定位。

下面将分别介绍C型行波、交流法及综合定位法的原理。

2.2波过程的基本理论

2.2.1行波的物理概念

波理论是行波故障定位的理论基础,行波定位根据行波波速和传输时间计算故障距离,只有波速恒定才能实现准确定位,因此下面结合行波定位的需要对电力线路故障产生的行波过程进行讨论心0‘。

架空线或电缆是典型的分布参数回路,无损传输线除了有沿长度均匀分布的电-5-

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感外,导线与大地间还存在均匀分布的电容。

由于分布电感和分布电容的存在,当外加电压作用于导线时,在过渡过程中,在同一瞬间沿线各点的电流可能处处不同,沿线各处的对地电压也可能处处不同。

雷电冲击的频率很高,波头很短,在研究雷电冲击波对导线的作用时,导线一般按分布参数考虑。

高压远距离交流输电线路虽然工作频率低,波长达6000公里,但在输电线路长度很大时,例如几百公里以上时,不论稳态或暂态都宜用分布参数来研究。

先讨论一根架空长导线的情况,如图2-1所示,图中L。

代表导线以大地为回路的每米电感值,C。

代表导线每米对地电容值。

当大地为理想导体时,L。

和C。

分别由以下公式计算:

厶:

笠In堡（H/m（2一1C0惫㈣m（2-z111—卫

式中,u。

为空气导磁系数,￡。

为空气介电系数,h。

为导线平均高度,r为导线半径,等值电路中的dx长度上的电感为L。

dx,dx长度上的电容为C。

dx。

kdxLodxLodx

图2-1传输线的分布参数等值电路

假定初始条件为零,参看图2—2,在t=0时把斜角波电流I=Qt（a的单位为Us,t的单位为S加进无限长导线的左端A点。

设波的传播速度为v,则在任一时Nt,电流沿导线的分布如图2-2所示,此时B点的电位为零,从A到B的电感L。

X--Lovt上的压降就是A点电位u.,即

^:

tortLoVta

彳=i=

量=:

al

卜/

、、\

卜、

A一B卜———————一x=vt——————————一

图2-2斜角波电流作用于导线

-6-

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而A点电位显然与A点dx段对地部分电答Codx上储臧的电荷多少有关。

1段设A点每单位长度导线上的电荷为q,则在A点dx段上的电荷为qdx,于是可求出A点电位幽必等于

铲篆2百q

浯4,电荷的流动形成电流。

在dt时间内显然电荷qdx将流过A点,所以A点电流i为f=警=q瓦dr=qq1,㈣2-5Z=L=——=1,Ldldl

将（2-5式代入（2-4式,并且计及i=Qt,得到U:

上:

旦（

2—6A2瓦2瓦

坛咱’

根据电路第二定理,（2-3式应等于（2-6式,即Lovta=嚣

（2_7,由此我们求得v:

±占

（2—8

0L‘o将（2-1式和（2-2式代入上式,得1,:

±占:

±3×10Sm/J:

±c（2—9qp0￡o此即电磁波在空气中的传播速度,它等于光速,通常用C来表示。

也就是说在大地为理想导体的假定下,电流波或电压波是以光速沿架空导线传播的,它与导线的几何尺寸和悬挂高度无关。

下面我们来讨论沿线路正X方向传播的互相伴随的电流波和电压波间的关系。

仍以图2—2为例。

在图2—2的情况下v取正值,将1,:

1±一和扛口f代入（2—3式,

√LoCo

即得线路A点电压和电流的关系为

丝:

.障（2—10

f、/Co用类似的方法不难观枕删任哺,式等=压都适肌因删珂以说,当电流波和电压波沿线路传播时,线路任一点的电压值和电流值之比均为

√苦。

因√荨具有阻抗的量纲,故称之为波阻,并用z来表示。

即

z:

兰:

.睁（2—11

i、『C0波阻Z是一常量,其大小决定于单位长度导线的电感和电容。

架空导线的

・Lo≈1.6xlO—H/m,C。

≈7xlO~F/m,代入（2—11式,可得架空线的波阻为Z=470Q.考虑到在电压很高的雷电波作用时,导线将发生电晕.电晕的结果可使C。

增大到约lOxlO叫2F/m,此时Z值将减小到约为400Q。

电流波和电压波的传播必然伴随着能量的传播,因为电压波使导线对地电压升高的过程也就是电场能在导线对地电容上储藏的过程。

同样电流波通过导线的过程也就是磁场能在导线电感中储藏的过程。

黼到'v2去桃2偿碱蝴溅如黻小联巾鼬戥糊的参数L。

和C。

决定,所以从这两式得出的上述各结论对任意陡度的波都是对的。

又考虑到任意波形总可以分解为无数个幅值有限的斜角波来进行计算,而每一个幅值有限的斜角波又可分解为两个斜角波的叠加,所以这些结论又可以推广应用到任意波形的电压波和电流波的传播中。

下面介绍无损耗单相线路的波过程。

无损耗线均匀传输线的分布参数等值电路如图2-1所示,根据基尔霍夫定律列出长线的基本方程为

由上式可推得一维波动方程（2—13

其中,v=1兰一为电压和电流波沿线传播的速度,称为波速。

（2一13式为达0L￡o

朗贝尔方程,其达朗贝尔解（D’Alembert为

2

—2劣一西抛一西

厶西‘

‘==如一苏拼一锄

”一2

铲一新铲一a

“=Uq（t一兰+“,O+兰V

。

1,f=iq（t一詈+if（f+詈

毛。

一言:

去‰o一争

‘2—14’

f,（r+詈=一万1叭r+争

其中,Z=./导称为波阻抗,%盼别表示前行波电压和反行波电压,厶j,分别、fL/o

表示前