直流输电线路故障行波测距原理与应用.pdf

2 o 1 4 年第 3 期 上 海 电力 直流输电线路故障行波测距原理与应用 黄一铖 ， 顾 立望 ( 国网上海市 电力公 司检修公 司， 上海2 0 0 0 9 0 ) 摘 要 ： 直流输 电线路 发生故障时 ， 通过故障行波测距技 术可靠精 准地进行故障定位 ， 能够使线路故障及时得 到修复 ， 提高 直流系统供电可靠性 ， 同时也使得直流输 电线路 的运行管 理和维护更 为便捷 和经济 。本文介 绍 了直流线路故障特征和行波测距 的原理 ， 结合 枫泾换 流站 的实 际运行 经验对行 波测 距系统 在工程应 用 中遇 到的一些问题进行 了分析 ， 并提 出了改进性措施 。 关键词 ： 行波测距 ； 直流输 电； 暂态过程 ； 故障定位 中图分 类号 ： TM4 5 2 文 献标 志码 ： B 0 引 言 高 压 直 流 输 电线 路 传 输 距 离 较 远 ， 一 般 在 5 0 0 k m 以上 ， 架空线路可能跨越多个省市。对于 输 电电线路 的运 行 及维 护需 要克 服复 杂 多变 的地 形 和气 候影 响 ， 这 使 日常巡 线 以及 故 障时 的排 查 变 得异 常 困难 。直 流输 电线 路故 障行 波测 距 系统 能够在线路发生故 障后 ， 第一时 间精确定位故障 点 ， 对 于及 时排 除 故 障及 防止 故 障 的再 次 发 生 具 有 重要 意义 。 本 文简 述 了直流 线路 发生 故 障时故 障 电流 的 波 过程 、 暂 态过程 和稳 态过 程 三个 阶段 的特 征 ， 基 于 电流 电压行 波 的特 点 阐述 了 目前 广泛 采用 的直 流输 电线路行波测距技术的基本原理和构成 ， 并 结合枫泾换流站 的实际应用情况 ， 针对运行过程 中行 波 测距装 置 所 发 生 的问 题 进 行分 析 ， 并 提 出 一 系列 改进 措施 。 1 直流 线路故障过程 直 流架空 线 路 发 生故 障时 ， 从 故 障 电 流 的 特 征来 看 ， 短路 故 障 的过 程可 以分 为行 波 、 暂态 和稳 态 三个 阶段 。 1 )初 始行 波 阶段 故障后 ， 线路 电容通过线路阻抗放电 ， 沿线路 的 电场 和磁场 所储 存 的能 量相互 转 化形 成 故障 电 流行 波 和相应 的 电压行 波 。其 中 电流行 波 幅值取 决于线路波阻抗和故障前瞬间故障点的直流电压 值 。线路对地故障点电弧电流为两侧流向故障点 的行波 电流之 和 ， 此 电流 在行 波第 一 次 反 射 或 折 射之 前 ， 不受 两端 换流 站控 制 系统 的控 制 。 2 )暂 态阶段 经过 初 始行 波 的来 回反 向和 折 射后 ， 故 障 电 流转 入 暂 态 阶段 。直 流 线 路 故 障 电流 主要 分 量 有 ： 带 有 脉动 而且 幅值 有 变 化 的直 流 分 量 和 由直 流主回路参数 所决定 的暂 态振荡分量 。在此 阶 段 ， 换 流 站 的控制 系统 中定 电流控 制 开 始 起 到较 显著的作用 ， 整流侧和逆变侧分别调节使滞后触 发 角 增大 ， 抑 制 了线路 两端 流 向故障点 的 电流 。 3 )稳 态阶段 最终 ， 故 障 电流进 入稳态 ， 两 侧故 障 电流提供 的故 障 电流稳 态值 被控 制到 等于各 自定 电流 控制 的整定值 ， 两侧流入故障点的电流方向相反 ， 故障 点 电流为 两者 之差 ， 即 为 电流裕额 。 直流线 路 发生 故 障 时 ， 一 方 面 可 以 利用 换 流 阀的控制来快速地限制 和消除故障电流； 一方 面 由于定 电流调节器的作用 ， 故障电流与正常负荷 电流相比， 并不明显增大， 与交流线路短路故障相 比要小 得 多 。因此 ， 对 直流线 路故 障 的检测 ， 不能 依靠故 障电流大小来判别 ， 而需要通过 电流或 电 压 的暂 态分 量来 识别 。 因此 ， 目前 直 流输 电工 程 上 也 是 广泛 采 用 行 波 保护 作 为高 压 直 流线 路 保 护 的 主 保护 ， 这 是 由 于 暂态 电流 、 电压行 波不 受两 端换 流站 的控制 ， 其 幅值 和方 向都 能准确 反 映原 始 的故 障特 征而 不受 影响。可见通过检测故障时暂态电流电压行波来 分析直流线路故障 ， 其可靠性是很高 的。而且与 传统电气量分析相 比， 通过行波检测其特征也不 受电流互感器饱和、 系统振荡和长线分布 电容等 的影 响 。 上 海 电力 2 O 1 4 年第 3 期 2行波测距原理 目前 在 电力 系统 中实 际使用 的行 波测距 系统 多数 是 以监 测 线 路 的双 端 测 距 法 为 主 要 测 距 方 法 ， 单 端测距 法 为 辅 助测 距 方 法 。利 用 行 波在 直 流线 路上 以 固有 传 播 速 度传 播 这 一特 点 ， 可 以通 过检测故障暂态 电流行波在故障点与两端换流站 之间传播时间来进行故障测距。 2 1 A型单端 行波 测距原 理 线路发生故障时， 电流行波在故障点与母线 之 间来 回反射 。通过接 收母 线侧 电流互 感器 二次 侧 的暂态 电流行 波 信 号 ， 根 据 到达 母 线 的 故 障初 始行 波脉 冲 S 与 由故 障 点反 射 回来 的行 波 脉 冲 S 之间 的时 间差 来 实 现 故 障 测距 ， 如 图 1所 示 。 ：= = =：=： 二二) 图 1 仃 坡 脉 冲 时 间 差 故 障测 距 设 波速 度为 ， 故 障初 始 行 波 和 由故 障 点 反 射波到达母 线 的时间为 “I S 、 T S 。 ， 则故 障测距 XL为 ： XL 一 1 2 v At一 1 2 ( T Sl T5 2 ) ( 1 ) 当故 障点在 线路 中点 以外 的较 远 端 是 ， 来 自 线路方向的第二个波头是来 自故障点线路对端的 反射 波 ， 如 图 2 所 示 。 ： ： ： ： ： 二=： ： ： ： ： ： ： 二 、 +一 一 _ _ 、 ： ： ： ： ： ： ： ： =： ： ： ： - - -_ -_ -_ 7 一， ， ； ， R 图 2故 障 点 反 射 渡 则故障点与对端的距离 X R为： XR 一 1 2 v At一 1 2 v ( “I S 2 一 丁 s1 ) ( 2 ) 2 2 D型 两端行 波测 距原理 D型两端行波测距原理是利用线路 内部故障 产生的初始行波达到线路两端测量点的绝对时间 一 1 44一 差 来计 算故 障点 到两端 测量 点 的距离 的 。 设 故障初 始行 波波 头到 两端母 线 的时 间分别 是 丁 s 和 T R， 如 图 3所示 。 Ts T r 图 3故 障初 始 行 波 波 头 到 两 端母 线 时 I可 故 障距 离计算 公式 为 ： X S 一 ( 丁 s T R ) + L 2 X R 一 ( T R T s ) 73 + L 2 3 行 波测 距系统构成 与实际应用 下 面 主要根 据林枫 直 流工程 枫泾 换流 站直 流 线 路行 波测距 装 置 应 用情 况 以及 运 行 经 验 ， 对 运 行 中装 置产 生 的问题进 行分 析并 提 出改进 措施 。 3 1 枫泾 站直 流线路 行 波测距 装置 介绍 林 枫直 流工 程直 流输 电线路 行波 测距 系统 采 用 XC 一 2 0 0 0双端 结构 的行 波 测距 系统 ， 可 以 同时 采集 8路暂态电流和暂态电压 ， 在计算原理方面 集 成 了多种 现代 行 波 测距 原 理 和 分 析 方 法 ， 具 有 较 高 的 准确 性 。其 组成 方 式 成 如 图 4所 示 ， 线路 两 端各 安装一 套 GP S同步 时钟 ， XC 一 2 1 行 波 测距 装 置 以及 P C主机 。 图 4仃 波 测 距 系 统 组 成 根 据功 能划 分 ， 行 波测 距 装 置 由以 下几 个 部 分组成 ： 中央处理单元 C P U、 数据采集单 元、 I O 借 口单元、 GP S接 口单元、 人机界面 、 模拟信号输 入电路和电源等部分 ， 如图 5所示。 1 )中央 处理单 元 用 以实现 定值 整 定 、 系统参 数输 入 、 形 成故 障数 据文 件 、 实 现各模 块通 信 和连 接工 作 ， 是 测距 装置 的核 心部分 。 2 )数据 采 集 单元 实 现对 行 波 故 障数 据 的采 集 、 记录和处理， 并将数据传输给中央处理单元。 2 O 1 4 年第 3 期 上 海 电力 L刳 5行 渡 测距 装 置 3 )GP S借 口单元把 GP S同步时钟提 供 的 GP S信息传送给中央处理单元 ， 同事 记录下行波 启 动元 件 的触 发时 刻 ， 为故 障初 始时刻 贴 上 时标 ， 用于形成两端行波测距故障分析的时间依据 。 4 )I O接 口 即开关 量 输入 输 出 的接 口， 用 以 接 受保 护信 号作 为装 置 的启 动依 据 。 3 2 枫泾 站直 流 线 路 行 波 测 距装 置 实 际运 行 中 存 在 的 问题 与 改进 3 2 1 行 波测 距装 置误 启动 问题 根 据枫 泾站 装 置 运 行情 况 发 现 ， 行 波 测距 装 置 误启 动情 况 十分 频 繁 ， 少 则 十 几 次 多 则 一 天 之 内要启 动几 十 次 ， 这 样 一来 可能 会 导 致 软 件 频 繁 计 算造 成死 机现 象 ， 也 会 造 成 存 储 记 录 过 多 将需 要 的重 要记 录 冲掉等 。 经 检测 发 现装 置 的 误 动 的 主要 原 因在 于 ： 装 置 内设 定 的启 动 门槛 值 过 低 、 雷 雨 季 节 的 雷 电 波 的干扰以及系统 中存在的电气噪声 。 为解 决 这一 问题 ， 采取 了以下措 施 ： 适 当提 高 硬 件启 动 的 门槛 值 。将启 动 回路 中的触 发 电压 提 高 0 2 V； 优化暂态电流行波的启动算法 ； 增加行 波保 护启 动 信号 接入 作为 外部 启动 判据 。 3 2 2行 波测 距装 置不启 动 和测 量失 败 问题 枫 泾站 行波 测距 装置 运行 中曾发生 过直 流 线 路保 护 动作 再启 动 已产 生 ， 但 测 距 装 置 并 没 有启 动 以及 测距 装置 启动 但是 没有 检测 到相 应 故 障波 形测距失败 的现象。根据当时情况分 析， 一是装 置并未接入保护启动信号作为外部启 动判据 ， 二 是 装置 启动 硬件 响应 速 度 要 慢 于保 护 启 动速 度 ， 直流线路发生非永久性故障再启动恢复时间很短 一 般 只有 2 0 0 ms ， 可 能躲 过装 置 启 动 时 间导 致装 置未能启动或是装置启动但未记录到故障波形 。 为解 决装 置 未启 动 问题 ， 采 取 以下措施 ： 1 )增加 行 波 保 护 启 动 信 号 接 入 作 为 外 部启 动判据 ， 故障时保 护动作 同时强制启动行波测距 装置 ； 2 )优化 装 置暂态 电流行波 的启 动算 法 ； 3 )更改 装 置 内部 启 动 元 件 参 数 以 加 快 响应 速度 ； 4 )设备定期进行数据维护 ， 避免数据信息过 多导 致传 输 阻塞 和错误 。 4 结 论 行波测距 技术 能够实现线路故 障的精确定 位 ， 特 别是 双端 行 波测距 方法 ， 具 有简单 、 可 靠 、 易 于实 现 、 适 用性 广 的优 点 。本 文简 述 了 A 型和 D 型两种 基本 的行 波 测 距原 理 ， D 型 故 障测 距 原 理 利用线路长度 、 波速度和故 障初始行波浪涌到达 故 障 线路 两端 母线 的绝 对 时间差 进行故 障距 离计 算 ， 不 考虑 后续 反射 波与 折射 波影 响 ， 提 高 了准确 性 。本 文 根 据 枫 泾 换 流 站 采 用 的 X C 一 2 0 0 0行 波 测 距 系统 介绍 了其构 成 、 工作 原理 以及功 能 配置 。 结 合枫 泾 站运 行情况 对 该行 波测距 装置 运行 中发 现的问题加 以总结分析 ， 针对装置频繁启动 、 装置 不启动以及故障测距失败的现象提 出了相应的改 进 措施 。 参 考 文 献 ： 1 葛耀 中 新型