35kV配电网单相接地故障定位的系统研究和实现解析.docx

1、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

2、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ABSTRACTOn the foundation of comparing existing fault location methods,this paper selects CTravelingWave Method for main study obj ect according to the characteristic of distribution network.CTraveling Wave Method ha

3、s maj or advantages as follows:first,it has rapid location speed;second,patrolling is not need;third,it can carry out fault location many times.This method is suitable for the fault location problem with earth resistance no larger than 3施.To further raise location accuracy,The paper gives out the ne

4、w method about signal-phase grounding fault location of 35kV, compositive location method,introduces the principle of this method; and expounds the software design of the system.Then the paper introduces the software and the hardware about the systemic equipment generally.The equipment of Signalphas

5、e grounding fault location includes two signal generator source and a corresponding signal receiver,and the control of the hardware equipment is designed and accomplished by the advanced C8051F310 singlechip.Cheng Yan(electric power system and its automation Directed by prof.Yang Yi-hanKEY WORDS:dis

6、tribution line,singlephase grounded fault,fault location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C805

7、1F3lO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ABSTRACTOn the foundation of comparing existing fault location methods,this paper selects CTravelingWave Method for main study obj ect according to the characteristic of distribution network.CTraveling Wave Method has maj or advantages as follows:first,it has rapid

8、location speed;second,patrolling is not need;third,it can carry out fault location many times.This method is suitable for the fault location problem with earth resistance no larger than 3施.To further raise location accuracy,The paper gives out the new method about signal-phase grounding fault locati

9、on of 35kV, compositive location method,introduces the principle of this method; and expounds the software design of the system.Then the paper introduces the software and the hardware about the systemic equipment generally.The equipment of Signalphase grounding fault location includes two signal gen

10、erator source and a corresponding signal receiver,and the control of the hardware equipment is designed and accomplished by the advanced C8051F310 singlechip.Cheng Yan(electric power system and its automation Directed by prof.Yang Yi-hanKEY WORDS:distribution Iine,singlephase grounded fault,fault lo

11、cationp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:学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与

12、复印件;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;学校可允许学位论文被查阅或借阅;学校 可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文;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:生塾!生!曼日 期:型!兰 El 期:三!兰:主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

13、、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

14、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

15、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

16、。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

17、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【l J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

18、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

19、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,

20、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。

21、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

22、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

23、 (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.华北电力大学硕士学位论文析,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。华北电

24、力大学硕士学位论文第二章 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

25、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

26、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-华北电力大学硕士学位论文感外,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

27、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 (2一1 C0惫m (2-z 111卫式中,u。为空气导磁系数,。为空气介电系数,h。为

28、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。kdx Lodx Lodx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22,在t=0时把斜角波电流I=Q t(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:tort LoVta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-华北电力大学硕士学位论文而A点电位显然与A点dx段对地部分电答

29、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=qq 1, 2-5 Z=L=1, L dl dl将(2-5式代入(2-4式,并且计及i=Q t,得到 U:上:旦 (2 6 A 2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(280Lo 将(2-1式和(2-2式代入上式,得 1,:占:310Sm/J:c (29 qp0o 此即电磁波在空气中的传

30、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22为例。在图22的情况下v取正值,将1,:1一和扛口f代入(23式,LoCo即得线路A点电压和电流的关系为丝:.障 (210f 、/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 (211i 、C0波阻Z是一常量,其大小决定于单

31、位长度导线的电感和电容。架空导线的 Lo1.6xlOH/m,C。7xlOF/m,代入(211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v 2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

32、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 (213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 0Lo朗贝尔方程,其达朗贝尔解(DAlembert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214f,(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 、f L/o表示前