（交通信息工程及控制专业论文）南昌至永修电力贯通线故障测距研究.pdf

摘要 南昌至永修电力贯通线故障测距研究 摘要 i 乜力贯通线的测距问题一直没有比较完善的解决方案。解决这一问题 的难点，在于贯通线自身的特殊性，即它的中性点不接地、混合线特钲以 及供电半径长等特点。 本文首先简述了电力贯通线系统结构特点，故障测距方法及费通线故 障测距现状，确定了进行贯通线单相接地故障定位研究所要采用的方法。 然后介绍了南昌至永修电力员通线电缆与架空线的基本情况和爨通 线所在的南昌第二配f 巳所主接线。从理论上分析经稠压器隔离供f 乜和不经 j r f i 器直供电两种供电方式下，电力赁通线单相接地的故障特点。 最后，在分析已有研究成果的基础上，提出了贯通线故障测距的仿真 拟合法。该方法不需新增任何硬件设备，仅仅利用现有的远动系统和棚关 软件。利用远动装置判定故障所在区i n j ，用m a t l a b 对该区问进行仿真， 并根据仿真结果，用最小二乘法拟合故障距离、过渡电阻与稳态电压之n j j 的关系。 在计算故障距离过程中，本文提出了先计算过渡电阻，再计算故障距 离的测距：疗法，并推导了具体计算公式。 随着通讯技术的发展，在不远的将来，全部负荷点的低压测每栩l 乜流 电i 值可以传输至调度中心。届时，根据运行【j 寸的实际变比折算i l _ ! 流电：， 按照本文提出的测距思路，实时修正电源与负荷等参数，测距精度将火幅 提高。 通过反复的现场调研，本论文获得了大量来源于第一线的原始数捌。 论文完成之后，研究成果已经应用到第一线，希望在试用中得到检验、改 善。 值得一提的是，虽然仿真是针对南昌至永修电力贯通线进行的，但这 种解决问题的思路，可以推广至所有电力贯通线。 关键词：故障测距，贯通线，单相接地，m a t l a b 仿真，最小二乘拟合 a b s t r a c i s t u d y0 ff a u l tl o c a t i o b tf o r n a n c h a n g - y o n g x i ur a w a yc o n t i n u o u s p o w e rl i n e a b s t r a c t f a u l tl o c a t i o np r o b l e mi nr a i l w a yc o n t i n u o u sp o w e rl i n e s ( c p l s ) h a si l e v e l b e e n s a t i s f a c t o r i l vs o l v e d t h ed i m c u l t i e si ns o l v i n gt h ep r o b l e ml i ej 1 1t h ep a r t i c u l a r i t yo f c p l s i e t h e i rn o n g r o u n d e dn e u t r a l s m i x e dl i n e sa n dl o n gd i s t a n c e s a tf i r s t ，t h i sp a p e rs i m p l yd e s c r i b e st h es t r u c t u r a lf e a t u r e so fc p l 。s c o m m o nf h u l tl o c a t i o nm e t h o d sa n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o n si nc p lf l u l tj o c a t i o n a n ds e l e c t sap r o p e rm e t h o df o rc p lf a u l tl o c a t i o n t h e n i ti n t r o d u c e st h eb a s i ci n f o r m a t i o na b o u tt h en a n c h a n g y o n g x i ur a i l w a y c p la n dt h en o 2n a n c h a n gd i s t r i b u t i o ns t a t i o n i ta l s ot h e o r e t i c a l l ya n a l y z e st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es i n g l e p h a s eg r o u n df a u l ti nac p li nb o t hc o n n e c t i o n s w i t ha v o h a g er e g u l a t o ra n dw i t h o u tav o l t a g er e g u l a t o r a tl a s t i tp r e s e n t san o v e lm e t h o d ，s i m u l a t i o n f i tm e t h o d t ol o c a t et h ef a u l ti na c p l 。a n dn on e wh a r d w a r ei sn e e d e di n t h j ss i m u l a t i o n f i tn l e t h o d 1 h e t e l e m e c h a n i c a ld e v i c ed e t e r m i n a t e st h ef a t i l ts e c t i o na m o n gaj ls e c t i o n so f ac p la n d m a t l a bs i m u l a t i o n sa r em a d ef o re a c hs e c t i o nr e s p e c t i v e l yt h er e l a t i o n sa n l o n g j a n l td i s t a n c e t r a n s i e n tr e s i s t a n c ea n ds t e a d yv o l t a g ea r ed e c i d e da c c o r d i n gt ot h e s j m u l a t i o nr e s u l t su s i n gt h el e a s ts q u a r em e t h o d f h i sp a p e rp r o p o s e st h ep r o c e s st oc a l c u l a t et h ef a u l td i s t a n c e ，i nw h i c ht h e t r a n s i e n tr e s i s t a n c ei sc a l c u l a t e db e f o r et h ef a u l td i s t a n c et h ef o r m u t a et oc a l c uj a t e t h et r a n s i e n tr e s i s t a n c ea n dt h ef a u l td i s t a n c ea r ed e d u c e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a l lt h ep h a s ec u r r e n t s a n dp h a s ev o l t a g e si nt h el o a ds i d ec a nb es e n tt ot h ed i s p a t c h i n gc e n t e ri nt i l ei l e a l f u t u r ea n dt h el o c a t i o na c c u r a c yw i l lb er e m a r k a b l yi n c r e a s e db yu s i n gt h er e a l t i m e d a t as u c ha st h et r a n s f o r m a t i o nr a t i o s o u r c ea n d1 0 a dp a r a m e t e r s a1 0 to fo r i g i n a ld a t aa r eo b t a i n e df r o mt h ef i r s t - h a n di n v e s t i g a t i o no nt h es p o t t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e rh a v eb e e na p p l i e dt ot h en a n c h a n g y o n g x i ur a i l w a y c p i 。a n dm o r ev e r i f i c a t i o na n di m p r o v e m e n ta r ee x p e c t e d a l t h o u g ht h es i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e do n l yf o rt h en a n c h a n g y o n g x i ur a i l w a y c p l t h ej d e at os o l v et h ef a u l tl o c a t i o np r o b l e mc a nb ea d o p t e di na l lr a i l w a y c o n t i n u o u sp o w e rl i n e s k e yw o r d s ：f a u l tl o c a t i o n ，c o n t i n u o u sp o w e rl i n e ( c p l ) ，s i n g l e p h a s eg r o u n d m a t l a bs i n m l a t i o n ，l e a s ts q u a r ef i t 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位沦文是我个人在导师指导下进s c j 二的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特3 i l d i 以标注和致谢的地方 外，沦文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得毕 尔交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我i 司工作 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洌 意。 一名牲 关于论文使用授权的说明 日期枷。彳，3 - 本人完全= r 解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，f | j ：学 校有权保留送交沦文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校i j l 奠公布论 文的全部或部分内容，司以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后遵守此规定，+ 本论文无保密内容。 名年峻蛳签名掣 日期加6 s - 主要符号说明 主要符号说明 零序电容： 正序电容； 故障点离电源距离： 频率： 电流： 故障支路电流零序分量相量 测距系数： 零序电感； 计j 序电感： 电源内f 赶感； 零序电阻； 证序电阻； 故障过渡r 乜阻； r 乜压： 零序电压； f 乜源线电压： 零序r 乜抗： m 序电抗； 零序阻抗； 波速； a 相初相角。 o o d厂， 加 o b厶厶勘嘶巧u以新历。蚴 第一章绪论 第一章绪论 1 1 贯通线简介 铁路电力贯通线简称贯通线，是指连接铁路沿线两个相邻变电所、配电所 之问的1 0k v 或3 5k v 三相电力线路，其主要作用是为铁路各站电气集中设衙 及区问i 自闭信号等一级负荷供电。 通常，电力贯通线采用中性点非直接接地的方式，属于小电流接地系统。当贺通 线发生单相接地时，由于故障电流较小，并且对于负荷柬说三相电压仍然保持列称， 故一般允许继续运行l 2 小时。但单相接地会引起非故障相的对地电压升高，对绝 缘构成威胁，可能发展成其他形式的严重故障。上述特点与普通1 0k v 线路较为相似。 与普通1 0k v 线路相比较，贯通线的不同之处主要有如下几点【。】： ( 1 ) 线路结构多变：贯通线常常由架空线与电缆交替分段连接，组成了架空 线与电缆的混合线。 ( 2 )供电半径长：普通1 0 k v 线路的供电半径一般不超过l5k m 。而按照铁 路电力改汁规范t b l o o 一9 9 规定，向铁路沿线的自动闭塞和电力贯通线路供电的1 0 k v 变配电所之间的供电距离一般条件下宜为4 0 6 0k m 。当跨所供电时，则供电距离州 能超过1 0 0k m 。 ( 3 )供电负荷轻：与一般10 k v 的输电线路明显不i 司的是，铁路l 包力癸通 线经常处于轻负荷状态，负荷电流较小，1 0 k v 侧每棚负荷1 ： _ l 流通常雏3 5 a ， 与电容电流属于i 司一数量级。且负荷相对较稳定，因此，负荷乜流的变化也较小， 对贯通线故障接地的电气量测量影响不大，在贯通线单相接地故障测距中可以 忽略。 南昌至永修贯通线南起自南昌第二配电所，北终止于永修配电所，额定i - e l ! i ；1 0 k v ，全长5 18 6 6k m ，由9 段架空线与i 0 段电缆交替连接，组成了共1 9 段的架空线 与电缆混合线( 简称混合线1 。 该贯通线沿京九铁路架设，线路分布范围广，穿越地区地形复杂、气候条 件多变，因此可能发生各种故障。如线路上瓷瓶、悬垂的绝缘由于备种原因， 经常遭受破坏，有的明显，有的隐蔽：避雷器数量多，造成击穿的机率较大； 1 0k v 电缆绝缘相对薄弱，电缆头常发生击穿故障；铁丝、树枝等常被刮到线 路或变_ ! j i 器上引起接地或短路；气温骤然降低造成断线等等，都是常见的故障 形式。贯通线采用中性点非直接接地的方式，如前所述，这种中性点运行方式 的优点是，当系统发生单相接地故障时不形成短路回路，只是经线路列地l 乜容 形成容性电流回路，在系统中产生很小的故障电流，短时r i , j 内对系统的i ：常运 第一章绪论 行影响不大，一般允许继续运行1 2 小时。但是，要在1 2 小时内找出故障 发生的地点并非易事。 南昌至永修电力贯通线的供电，在远动系统投少使用前，每当发生上述阐 题时，为查找故障点邻近两电力： 区职工全体出动，沿数十公早线路逐段人工 查寻。现在，虽然已可通过设置在各车站或配电所的断路器判定故障所在区f n j ， 但每个区间长少则几公罩，多则- 卜几公里甚至几十公早，加之贯通线的负荷点 沿线，佰置、故障点隐蔽、交通不便、通讯信号弱，每次查寻、排除故障，少! i ! | j 儿小时，多则十几小时甚至几寸叫、时。如此长时问停电，将，一重干扰运输秩序， 给行车部门组织运输造成很大难度，制约着铁路提速运行，直接危及铁路行车 安全。 贯通线中的故障大多是单相接地故障【，其中很多是瞬时性的，故采用中 性点非真接接地的方式可以极大地提高供电的可靠性。不利的一面是，当发生 j f l 相接地故障时，中性点的f 电位将发生偏移，若系统带故障运行，非故障相对 地电压将上升很高，发生金属性接地情况下可能达到3 倍额定相电压：另外 山于没有电荷释放通路，削歇性弧光接地容易引起其它两相线路电荷积累而产 7 艮商的过电压，对系统的绝缘构成威胁，可能发展成其他形式的严重故障 1 嚣l 此必须尽快找到故障点并排除故障。 1 2贯通线故障测距的目的和意义 确定故障点的工作被称作故障测距。用于故障测距的装置则称作故障定付装铽， 是一种自动装置。对这种装置的基本要求是，它能根掘不同故障特征准确、快捷地 测定故障发生的地点。但是，现有的故障测距装置，主要以均匀传输线为蕊本数学模 型i jj ，未考虑混合线的非均匀性，因而缺乏针对性。当线路发生故障时，盯于数学模 型的不合理等因素，测距装置的局限性便凸现出来，致使故障测距结果不甚理想。 对0 二贯通线，其故障主要是短路，般可分为三相对称短路和不对称短路。不列 称短路又分三种情况，分别是单相接地、两相短路和两相接地短路。导致故障的朦凶 是各种形式的过电压击穿或绝缘材料的老化，也可能是某些不可预计的自然灾害。 另外，铁路提速，也对铁路贯通线供电的可靠性、稳定性与安全性捉j 了更高的 要求。因此，本课题选定永修至南昌的贯通线，借助目前已有的远动系统能够准确地 判断出故障区段这一有利条件，针剥贯通线每一个区f 白j 线路的特点，运用合适的数学 模型和参数，进行有的放矢的具体分析，从而实现准确的故障定位这样可以减轻巡 线负担、节省人力物力、缩短停电时间或避免停电事故，对其他类似贯通线的故障测 距问题也可起到抛砖引玉的作用，刘铁路安全行车具有重要意义。 第一章绪论 1 3常见故障测距方法及其发展趋势 输电线路的故障测距多年来一直受到普遍重视。受当时科技和生产力水平 的限制，早期的故障测距装置测距精度不高，且需要较丰富的实际操作经验4 可能作出判断。二战后，故障测距技术开发步伐加快，经过几十年的探讨和研 究，测距技术在原理上和方法上都取得了一定的成果，许多故障测距装置已投 入运行，在许多地方电网中发挥着重要作用。 常见故障测距方法主要有以下几种| l - 8 1 ：按采用的线路模型，可分为孤j ： 集中参数模型的算法和基于分布参数模型的算法；从测距原理上可分为两大 类一类是用行波法测距，另一类是用故障分析法测距i ”。利用现有技术提高赘 通线单相接地故障测距的精度，是当前国内外在该领域的研究动态。智能法测距是发 展方向。智能法大体上分为两种，一利，是基于专家系统的故障测距，另种是基j 二神 经网络故障测距。基于规则的专家系统存在两个方面的局限性，是矢1 1 以获取的瓶撷 问题，另一个是并行推理问题。人工神经网络的发展，为智能法故障测距提供了新的 途径。人工神经网络具有自适应、自学习、联想记忆、分布式信息存储和非线性并行 处理等功能。可以利用这些功能来克服基于规则的专家的缺点。知识获取是专家系统 的瓶颈问题。而神经网络的主要特点是可以通过对样本的学习i j | | 练来获取知识。? g 家 系统推理能力较弱，容易出现匹配冲突，甚至冲突难以消除。而神经网络具有分 j 武 信息存在和非线性并行处理功能，可实现并行推理。 从长远看，电力贺通线的故障测距应当采用智能法。智能法具有很多优越性，嗣 前还处于丌发和研制过程。虽然要真f 普及实用并非易事，但它是未来故障测距的发 j 疋趋势。 1 3 1 行波法测距概述 行波法原理早在5 0 年代就已提出，其基本原理与雷达相近，是根据行波传 输理论实现输电线路的故障测距方法，通常分为a 、b 、c 、d 、e 、f 六种。 下面对这六种方法逐一做些介绍。 ( 1 ) 单端a 垂! 钡4 距 单端a 型测距是根据故障点产生的行波在测量端至故障点往返的时问与 行波波速之积来确定故障位置；它采用单端测量到的故障后第一个行波信号与 随后到达的第二个行波信号的时问差t ，以及第二个行波信号的极性来计算出 故障点的位置。 当第二个到达测量点的波为故障点反射波时( 由行波极性判断) ，故障点距 测量点的距离 x = u 丁2 f 卜一1 ) 式中d 为波速，接近于光速，x 为测量点与故障点的距离。 第一章绪论 当第二个到达测量点的波是对端母线反射波时， x = l u r 2 式中l 为线路总长。a 型测距装置比较简单，只在线路端装设，不要求 和线路对端进行通信联系。山于不受过渡电阻影响，可以达到较高的精度。 ( 2 ) 双端b 型测距 双端b 型测距是利用故障点行波到达线路两端后借助于通信联系实现测 距的，即利用故障点行波到达两端的时问差与波速之积来确定故障位置。 设故障行波到达线路两端的时刻为t 。，t 。，则 = 【l + ( r , o l ) v 2 ( 3 ) 单端c 型测距 单端c 型测距是在故障发生时于线路的一端施加高压高频或赢流脉冲信 i 扎根据脉冲往返时问来确定故障位置。设从丌始发射到接受脉2 1z 的h , if 日m 郧鬲 为r ，则故障定位公式同( 1 一1 ) 式。c 型装置则可在线路断丌的条件下捡测出敝 障，因此多用于永久性故障定位。 ( 4 ) 双端d 型测距 双端d 型测距是基于全球定位系统( g p s ) 同步技术的纯双端行波故障删 跗， r m 幽1 1 破端o 型测距原理 f i gi 1 t y p edf a u l tl o c a t i o np r i n c i p l e 设故障初始行波波头到达两侧母线的时问分别为t m 和t n ，如图l 1 所 则j 孜障距离可t t i 下式计算i s , s l ： h ：盟掣 铲啦 “一2 第一章绪论 ( 5 ) e 型测距 e 型测距是利用线路故障切除后，丌关重合闸，向线路注入了一个合闸电 流脉冲，如果线路存在会属性永久短路故障，则合闸脉冲会在故障点被反劓回 来，如图1 2 。检测合闸脉冲与反射脉冲的时问差t 可以测量故障距离，测距 公式同式( 1 1 ) 。 r mt 1 n 2 l 一2l ! 刑行波洲距 f i g i - - 2t y p eef a u l tl o c a t i o n ( 6 ) j 社端f 型钡0 距 单端f 型测距是利用测量点感受到的故障丌断初始行波浪涌与：共葫i 故障 点反射波之问的时延实现测距。 设输电线路散障在t = o 时由本端断路器所丌断，如果以断路器线路侧触头 作为测量点，则故障丌断瞬间在测量点将感受到由此产生的初始行波浪涌，该 初始行波浪涌将向着故障点传播，并且在到达故障点时出于阻抗不连续而产生 反射和透射。若测量点在t = ，c 时感受到来自故障点的反射波。只要求得这个时 延t ，即可计算出故障距离。 f 型测距装置比较简单，只在线路一端装设，不要求和线路对端进行通信 联系。它不受过渡电阻影响，可以达到较高的精度。其难点在于反射波的识别 和提取。 1 3 2 故障分析法 故障分析法 i , 9 - 9 1 是在早期的阻抗法基础上逐步发展而成的，它与阻抗法 的主要区别是不以测量阻抗或f i ：! 抗为基础。因为阻抗法以故障时的电压与r 乜流 第一章绪论 为主要已知量来计算故障距离，所以把阻抗法列作故障分析法中的一种。 本文提出的分段仿真拟合法的基础是故障分析法、m a t l a b 仿真及曲线拟 合理论。故障分析法将在第二章2 2 节进行较为详尽的讨论，此处暂略。 i 3 3 智能测距方法 就故障测距精度等方面来看，现有的各种测距算法和检测装置各有其优缺点， 为了达到准确及时测出故障的目的，都有需要迸一步解决的技术问题。单端测距 算法在原理上无法保证不存在测距误差；行波法存在波速不确定性，反剁波不易 u 别及测距死区等问题：采用准确线路模型及不要求数据同步的两端( 或多端) ! j ! 距 算法在原理上具有优越性，但目日h 仍有亟待解决的问题，如算法自身的适应性、 抗干扰能力和剔除伪根判掘等。 近年来，有关研究者提出了许多新颖的测距方法”4 “。如模糊理论和4 1 经刚 络，小波神经网络法，电弧理论和光纤测距，优化方法，卡尔曼滤波技术，模式 以别技术，概率和l 统计决策等方法，目前多处于研究阶段。 下面仅介绍几种输电线路故障测距新技术的应用情况【1 9 4 5 1 。 ( 1 ) 光互感器技术的应用1 4 5 1 光互感器包括基于法拉第效应( f a r a d a ye f f e c t ) 的磁光式电流互感器( m o c l ) 平u 破克尔效应( p o c k e l se f f e c t ) 的电光式电压互感器( e o v t ) 。光学电流互感器以法拉第 磁光效应为基础，以光纤为介质，通过测量光波在经过磁光材料时，其偏振丽山 - - t _ n 流产_ ! 的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流大小的。与传统咆磁 式互感器相比，具有抗r b 磁二f - 扰能力强、动态范围广、频率响应特性良好、习i 含 油、无爆炸危险、便于遥感和遥测等系列特点。光学l n 压互感器利用光纤完成 孵弓的传输，其原理是晶体在没有外加电场作用时是各向尉性的，而加了z j l - d r l l u 场时便为各向异性的双轴晶体，从而导致其折射率和通过晶体的光编振念发生变 化，产尘双折射，一束光变成两束偏振光，只要用光的干涉法测出这两束光f 门牦l 位差，就可测 ：t i 无论是直流还是交流、脉冲还是冲击电压的大小。h 前，围外已 将该技术应用于继电保护和故障测距系统，有取代传统电磁式互感器的趋势。 f 2 ) 小波分析理论的应用1 2 “1 小波种类包括连续小波、二进小波、小波框架、f 交小波、半正交小波，双 - f i 交小波等，不同小波分别适合于不同的用途。只有充分掌握好各类小波的特点， 才能将小波变换应用于故障测距。 文献1 2 8 1 认为连续小波变换具有连续“变焦”，即对应滤波器的频率可任意选取 的特性，特别是变换后的数据点数目并不减少，时问分辨率高，可将连续小波变 换用于故障测距。 - 2 进小波变换只是列+ 尺度参数进行了离散，具有在时州轴上的平移不变性；b 样条函数在多项式样条函数中具有最小支撑，文献1 3 0 l 采用三次中心b 样条两数( 具 第一章绪论 有对称性和线性相位) 作为小波函数对电流行波信号施行二进小波变换获得小波 变换模极大值供测距用。 文献1 3 1 1 从滤波器的线性相位和奇异性检测能力两方面综合考虑，认为双i r 交 小波是定位故障暂念行波分量到达时刻的最佳滤波器。 离散f 交小波变换把信号按正交的小波基函数分解为紧支撑的小波序列，没 有冗余信息，在定程度上避免了因小波变换之间的关联造成分析变换结果的困 难，并有利于对原始信号进行重构，文献3 2 1 采用m a l l a t 离散正交小波变换。 山于证交小波变换的时变性使得信号在同时间位黄的反映相差糖远，文献 f 3 3 l 采用非j t i 交的复值小波( m o r l e t 小波) ，利用冗余的小波变换，“牺牲”定的矗i 交性，从幅值和相位信息同时检测信号的奇异性，尤其是在小波变换幅值潜不太 l 明碌的情况下，相位谱表现出了很强的奇异性，使得其在进行电力系统故障奇异 信息检测方面有着重要的应用。 小波分析正处于迅速发展之中，从事小波分析的人越来越多，随着研究的进 一步深入，小波分析将更加广泛和深入地应用于各种工程领域。 ( 3 ) 人工神经元网络在故障测距中的应用 3 4 - 3 9 人工神经网络( a n n ) 是基于人类对大脑神经网络的认识而提出的能够实现某 种功能的神经网络。其特点是：具有强的自适应、良好的容错。肚与联想记忆功能、 高度的并行性和高度的非线性! 全局作用以及自学习功能等等。川用于陂式信恩处 理和模式识别、最优化问题计算、信息的智能化处理、复杂控制及信号处理等。 理论分析表| ! | | ，采用三层神经元网络时，若对其各层神经元的数目不加阱任 何限制( 经验知，一般隐层单元数是输入层单元的2 倍左右1 ，就可以存梭式空问构 成任意复杂程度的几何图形，从而可以对任意复杂的对象进行分类。 在输电线路的不同点所发生的故障特点不同，会受故障点位置、过渡电阻、 故障前两端系统电势夹角、故障初始角、对端的运行方式等各种因素的影响，故 障模式空i 司是属非线性可分的。若采用解析判式、设置门槛值的传统类型识别方 法，在某些故障模式下有可能失效。利用神经网络来实现i 故障特征分量和故障点 位霞之间的映射，实现故障点精确定位，此测距思想具备充分的理论依据。 目前，人工神经元网络在电力系统中的应用研究越来越多。文献1 3 4 1 采片 r b f ( r a d i a lb a s i sf u n c t i o n ) 神经元网络来进行故障分类。文献 3 5 1 选用三层自向神经 元网络模型，采用误差反传学习算法( b p ) ，传递函数选用s i g m o i d 函数，用三个子 网络来实现距离保护。文献f 3 6 1 提出的测距方案中，a n n 刚了四层网络，仪利用故 障相的单端电压或电流来实现故障测距。文献f 3 8 1 提出和构造的功能模块结构和层 次结构相结合的、具有冗余神经元的nn 模型系统，实现了高压架空输电线路的 故障测距。文献3 9 1 构建了山k o h o n e n 自组织特征映射神经网络模型和bp 网络模 型组合而成的类型识别网络模型，来实现输电线路的故障检测及故障类型识别。 第一章绪论 应用人工神经元网络进行输电线路故障测距具有许多优点：没有真伪根的识 别问题：能消除对端系统阻抗、两端电势央角等因素的影响；具有自学习和高层 次复杂信息处理的能力；等等。不过如何准确提取反映故障模式的特钲向量作为 神经元的输入，采用何种网络模型，隐层节点数目的多少等都需要作进步的研 究与探讨。 从总体上说，人工神经元网络在解决许多实际问题中已显出巨大的潜力，它 为输电线路的故障测距研究丌辟了新途径。 1 4 贯通线故障测距现状 地方电网的中低压线路，大多采用阻抗法进行故障测距。但是，牦i 应的装 黄应用于电力贯通线路这样的混合线时，阻抗测距算法有很大的误差。阻抗洼 的原理是基于输电线路为均匀线的假设，即假设故障回路阻抗或电抗与测量点 到故障点的距离成币比。故障时，测距装置由启动元件启动，测得故障时的i i i 压和电流等参数，进而计算出故障回路的阻抗。由于线路长度与阳抗成形比， 因此可以求出出装置安装处到故障点的距离。而贯通线发生堆相接地时，故障 电流( 即电容电流) 数值很小，故障 u 后基频分量变化很小，暂态波形畸变严7 驱， 弭j j i i 【：过度电阻、负荷l 乜流、互感器误差、线路结构刁：对称、零序参数沿线分 和不均匀等闲数的影h m 实际应用效果远远达不到实用的要求。 在理论上，行波法测距的可靠性和精度不受线路类型、故障过渡f n 阻及两 侧系统的影响，因而成为早划研究的一个热点。但受当时技术条件的限制，早 期研制的行波测距装置结构复杂、可靠性羞、投资大，没获得推广应川。进入 2 0 世纪6 0 年代，随着输电线路行波传输理论研究的深入，人们存壮i 模变换、 参数频变和暂念数值计算等方面做了大量工作；另一方面随着电子技术和计算 机技术的发展，数字滤波、相关技术、谱分析乘i 压缩编码技术等的相继引入， 尤其是新出现的小波理论和全球卫星定位系统大大提高了暂态行波信弓的提 取效率，简化了两端数据同步过程。为行波法测距带来了新的前景。 对于电力贯通线，在现有的常规设备条件下，单一的行波法并不合适。酋 先，因为贯通线是由架空线与电缆交替分段连接而成的混合线，所以在架空线 与电缆的连接处( 电缆头处) ，行波将发生折射与反射，这样一来，精确可靠地 捉墩故障点产生或反射的行波信号将更加困难；其次，行波在架空线中的传播 速度约为光速，而在电缆中的传播速度约为半光速，因而，l ：! f j 使成功地提耿了 故障点的行波信号，测得传播时问，也将因传播速度不定而影响故障距离的计 算：第三，线路两端非线性元件的动态延时问题引起判别精度下降，主要有 u 流互感器平【1 行波启动元件的延时等。 钳对高压输电线路和配电系统的故障定位，许多学者提出了锚能化测距方 第一章绪论 法h ”】，但目前多处于研究阶段。专门针对电力贯通线，采用智能化来进行故 障定位研究则更为罕见。未能搜索到相关文献或报道。 根据作者的现场调研，铁路供电部门普遍反映，目时的故障测距装置成用 于电力贯通线时，其测量精度和可靠性难以保证，实际效果普遍不佳，远不能 满足铁路供电系统运行和管理部门的要求。并且，在铁路大提速的背景下，这 一要求将越来越高。 综上所述，对于 乜力贯通线故障定位，现有的故障测距方法存在一定的局 限性，洲距装置的现场应用效果也不理想，因此，假有必要对贯通线故障测距 问题进行研究，进而研制出适合贯通线实用的测距装置。 1 5 本论文的主要内容 本论文的研究对象是电力贯通线路，因其故障多数是单相接地形式，所以， 研究重点放在贯通线发生单相接地故障时，如何准确地进行故障定位。水文的 主要内容如下： 酋先，简述电力贯通线系统结构特点，介绍现有的行波法、故障分析法和 智能法等各种故障测距方法以及贯通线故障测距现状与发展趋势，初步选定进 行贸通线单拥接地故障定位应当采用的方法。 ：终次，从理论上对电力贯通线路单相接地故障进行分析。介绍了南昌至承修f 色力 贺通线电缆与架空线的基本情况和贯通线所在的南昌第二配电所主接线。从理论1 分析经凋压器隔离供电和不经调抠器直供电两种供电方式下，i 乜力f ：_ i 通线单相接j - 也f l , j 故障特意l 。根据贳通线单相接地的故障特点，结合现有f l j 技术经济条件，提 n 贯通线故障测距的分段仿真拟合法，为第三章的仿真及分析提供理论依据。 最后，进行分段仿真拟合法的研究及其在南昌至永修电力贯通线中的具体应 用。用m a l a b 软, f 4 - l , 1 电力贯通线单相接地故障进行仿真，并根据仿真结果， 找出故障距离、过渡电阻与稳态电压之间的关系，推导具体计算公式。这是全文研冗 的乖点。 0 笫二章 贳通线故障测距的理论分析 第二章贯通线故障测距的理论分析 2 1 贯通线单相接地故障特点 电力贯通线的故障般分为简单故障和复杂故障。简单故障是指贯通线的 某处发生一种故障的情况，包含简单不对称故障( 单相接地短路、两相短路、 两相短路接地、单相断，r 和两相断丌) 和三相短路故障等，复杂故障足指爨通 线中有两处以上同时发生不对称故障的情况。 短路故障又称横向故障，指的是在贯通线f 常运行以外的一切样i 与相之f i l j 或相与地之问的短接。断相故障又称纵向故障，是指一相或两相断丌的非全秆 运行状态。 贯通线中多数故障是单相接地故障。发生两相或三相短路时，故障1 乜流大 得足以使继电保护装置动作。惟有单相接地情况特殊，其故障电流较小，与负 荷电流属刷一数量级，无法使继电保护装置动作，但它使健全相对地电压升高， 对绝缘构成威胁，有可能发展成严重故障。需要及时找到单相接地点并排除敞 i 雏。 这翟，从理论上分析经调压器隔离供电和不经凋压器直供电两种供il l 方式| 、， f u 力贯通线单相接地的故障特点1 4 , 4 6 l 。 2 1 1 经调压器时贯通线路单相接地故障特点 此时，山于调压器的隔离作用，可忽略临近出线的影响。 ( 1 ) 贯通线单相接地故障时的稳念特征 贯通线单相接地的等值电路如图2 1 所示。 y jb lr q x心b d 、如 y l d r + j x 密a 、e a 7 i d l 乩 c l l t c o = ： = c 口f c 。ri d 气c o i岛 剀2 一i 贯通线单相接地示意l 刳 f i g2 一i g r o u n df a u l to fr a i l w a yc o n t ir l l i o u sp o w e rl i n e s c z 北 以。为参考向量，金属性接地时，为便于从理沦上定性分析各相对地电 压和电流，可忽略线路上的阻抗r + 弘，则各相对地的电压为 8 0 l i d = 0 恤2 些一! 姗 ， j 阮= 3 e ”妒 故障点d 的零序、f 序和负序电压为 瓯= 三( 吡+ + 阮) = 专 眈，：三( 矾。+ a g d + 口：改“) ：丘。 j f 2 2 1 奶：三( 矽。+ 臼z + 臼) ：o 征非故障相中流向故障点的电容电流为 ib l = u 8 d j 彩c o l i c fo 谢j a ) c ol(2-31 其有效值为。= ，。= j u 。c 。，式中u 。为相电压有效值，叫为f 乜源的角 频率，c 。为每相线蹄对地电容。相量关系图如图2 - 2 所示。l = 矧2 - 2 可见， ，。+ ，。的有效值为3 u 。c 0 ，。 在电源侧，由于母线等有对地电容c 。，存在，故b 相和c 相也有对地i 1 容 电流i 8 i 和i ：t ib t = u 8 d j c b = o c d j 0 9 c o t ( 2 1 4 第一二童贯通线故障测距的理论分析 幽2 - 2a 相接地时的相鼙i 型 f i g 2 2 p h a s o r sw h e na p h a s eg r o u n d e d 有效值 i 盯= i c r = 3 c 0 7 同理，+ ，。的有效值为3 ，c o 根据基尔霍夫电流( k c l ) 定律，从接地点流回的电流为 1 | ) = i b i + i n + i 盯4 - i c t 1 2 s 1 从a 桎i 流回电源侧的电流也为， 故电源侧反映的零序电流为 3 1 0 r = i d - - i b f l = i b t + b ( 2 6 ) 其有效值为( u 。们。，) ，方向为母线流向电源。 对于故障线路，其始端所流过的零序电流为 3 i o l = ld o8 f i c f ib t + l c t 同式f 2 - 6 ) ，不过此时的方向应为故障线路流向母线。 应该既，蜘i 果电源侧对地i 乜容c 。存在，则故障线始端的零序电流即为电 源侧的 包容l 乜流。但在电力贯通线中，三相对称电源经降压变压器降压后，提 供给用户使用，降压变压器的中性点不接地，可认为这种变压器的零序电抗为 无穷大，零序电路是丌路的，即系统中没有零序电流。 ( 2 ) 单特i 按地故障时的暂态特征 第一章 贯通线故障测距的理论分析 般情况下，电网中绝缘被击穿而引起的接地故障，常发生在相电压接近 于最大值的瞬间。由于线路有对地电容g ，当发生单相接地故障时，一方而， 故障相电压突然降低而引起放电电流( f 放) ，另方面，非故障相乜压突然升高 而引起充电电流( 流) ，图2 3 示出了a 相接地故障时的暂态电流分确j 。从分布 图中，可以看到：对于贯通线发生单相接地故障时，在馈线始端，故障相的暂 态电容电流方向为故障点流向线路始端。 图2 - 3a 相接地叫的暂态电流分布示意幽 “g2 - 3 d i s t r i b u t i o no f t r a n s i e n tc u r r e f l tw h e na p h a s eg r o u n d e d 三 过渡过程中，接地电容电流分量的估算，可以利用图2 4 的等效网络柬进 行，图r fr 表示了网络的分稚参数r 、l 、c ，r 为接地电流沿途的总l 乜刚值，包 括导线的电阻、大地的l 乜i a l , r i 故障点的过渡电阻。 三 i f ( t ) c = 3 c 0 图2 - 4 过渡过群等值电路 f i g2 - 4e q u i v a l e n tt r a n s i e n tc i r c u i t 图2 4 实际上是r 、l 、c 串联回路突然接通零序电压的过渡过程，电流的 变化形式主要取决于网络参数的关系，当月 2 j 考时，称为过阻尼情况，电流经非 周期衰减而趋于稳念值；当月= 2 j 言时，称为临界阻尼情况，响应是临界状态 的。 对于架空线，由于l 较大，c 较小，其尺 2 j 言，因此，故障点| i ( 】电流具 有迅速衰减的形式；对于电缆线路，由于l 很小而c 很大，其过渡过程与架空 线路相比，所经历的时间极为短促。 令故障时的零序电压“( ，) = u 。，c o s c o t ，由电路理论可写出电压平衡方程： 川m ，+ 盱l 署+ 氓帆 = 上c 孥d t + 尺c 墼d t 帆 仨。7 一 此微分方程的特征方程为 l c p ! + r c p + 1 = 0 ￥ 5 它的根为 = 一瓦r 筹l c 刊i 式r h p j = 鲁为自e ：| 分量的衰减系数； 2 j 去为回路的共振频率。 占 ，令棚| 也河缈7 表示匣【路的自 i l 振荡频率 ，= 0 时，“，= 0 ，i = 0 ，可求出电流 ? ：一u m r e - i 。s i n ( o t - - u 。础c s i n f ( 2 ，8 ) l ”1 卜” 实际上，山于占 ，故可近似认为z ，则 i = u 。mo c e 一国s i n 缈o f u 。c o c s i nc o t u 。c ( 堕p “s i no ) o 卜s i nc o t ) ( ! 9 ) 第章贯通线故障测距的理沦分析 从上式可以看出，过渡过程最大电流近似为 u a m 聂 ( 2 1 0 ) 2 1 2采用直供电方式时贯通线单相接地故障特点 采用直供电方式时，因为没有经过调压器的隔离，赦需要考虑临近出线的 影响。此时，网络属于典型的多路出线的中性点不接地系统。 图2 5 所示为一中性点不接地系统，以3 路出线为例来进行分析。 羹 上 t 。 绕组 。r 八厂、 线l 各x l 一2 ， 一1 j ，1 n 上 t 一 线路x l 一3 i ，上一 t 1 3 d t 。 幽2 - 5 中性点不接地系统 n g2 - 5 n e u t r a ln o n g r o u n d i n gs y s t e m c o o c 0 3 假定电网为空载，并忽略电源和线路上的压降，电网各相对地电容均为c o ， 则三个电容构成一对称负载。正常情况下电源中性点对地i 乜压为0 ，i ：! lj u x ，备 桐对地电压即为相电势。三相对地电压之和与三相电容l 乜流之和均为0 ，此时 乜网中没有零序电压和零序电流。 当发生单相接地时，接地相( 例如a * w ) 的对地电容被短接，则a 相电位u ，变 为0 ，此时大地的电位不再和电网中性点等电位，而b 、c 两相对地电压将升高 3 倍。此时电网叶，性点电压： 6 第二章贯通线故障测距的理论