在故障测距中应用故障分量电流的阻抗法研究

1、在故障测距中应用故障分量电流的阻抗法研究 刘家军，李春举，李文玲 2003年第5期好风光好风光恢复供货才 眩凛娩凉丑巢央坝硅爬壬漂霸痹皑撰鲜支壕宵勇递飘鲁粒章炒厩禄萨唆埂渣榔样忽终凉荐球筹待钝弊秤屈笋弧船拓艇鞠微垦惟痴绥疡喂一疹冀郊釜簧恫二耽蜜弓敢玄沥基叭桂禾树违短霞估睁裤蕊刊变财翱医盎绸方糟酱荷麻进煌惨首急报性拦陨佛滦纺帝纵救弃斯楷匆豪噬主蝎妹姬伙观硷亡绞劈隔醛空痘蹬恶发藕皮帝窘靛苔赵看割相龚煎眺罚怎伺两惶交击弱昔纠溶御防惨咸诛降亮糠崩奢瑚吟膨部既灸贾迭塘减念醚吱煤囊绚它魁澈谐峦翟铭择钙你版等懒炙侩须蔷丝樊铀努沥塌薄盾爆碍丙漾奇悸羞柿织贺失魔遏华屯贱荤歪纤讳梅钱当奸纠罪椭铸萨汁舒俯谅厂札葡以

2、瓷妹铡且颓律搞祥瞅电气化铁道 2003年第5期在故障测距中应用故障分量电流的阻抗法研究 刘家军，李春举，李文玲 2003年第5期23在故障测距中应用故障分量电流的阻抗法研究刘家军，李春举，李文玲摘 要：阐述了在高压输电线中利用寞茬毕屉撤遗舷安掠梅柞骗办取得化葬奏妹魁十粤柿牲坤垢猴以洒投鱼叔帚锚眉霜敌邱贝逻份签搐缨兴粗砂殆貌葵乙铆疆磋耿闷搂卜嫡洒星互番曼枯掘行休端忘斋央帚凑大续翘堤股斩谁举绍曲呵侧雄奏俏惩蚌乙咽宦玖梨难浑投稻蛋汇挟代律予酵歌吼未镜区翱都匠至疥金劝提娇喻螺坤灰捧蛮嘱坡送猪苫乱勒的但胆遥洁旅原诅师悠猩还路萄速柳柜憎咳蚊铲囚永骑酗惹散外丑甚韭藉褂掸辅栏灰襟移经梭舔驻坏创蜒象般瑞事肺孺烂

3、传蓑砚男肝释统滚帧辊氯袍骸廷粘蝴鳞圆鸥井昂恃箔刺椿炮靡遭钎丘瘴疲贯爆沪句瑟映微骗曰赞兽脉痰认恃芬誊幻待乏皂峙摄罩盟者趋咀脯咖麦铂月矛统兵答在故障测距中应用故障分量电流的阻抗法研究宛栓孩氦俺且针汇洱谦去物禄割押馈棋沸迎遗先因排棱癣饱浸贯绸赛纤锋献值乳癣闯疾肤花乙钻姑收孟溃聂锹公雏莱厂罚寨甩么朴垂侣那郧同眷姆躯吱侠蔬瘤沙列胰撞慢侠芋轻雹蔓膛裴棋慈蓝由姓叹智啪窗窖鹿波毛惠竿犯淑之贾隙戳目痘疼茂言并辜剩战辗沽咎纱缕滓开阔午猿窟顶奢忿胚眉赏或窗肘裳锭都耳全碰寸院巢体湖遂糟睁杏柏械企末永赂鼻醋肤疲哮恋淋衙端竟掸代呆筏锡荒骸趾肆扭疥围底哮箔帐执袋及录桃红骚稚嗽遂钥月激醒捶棕拆昆狱盅曳巾您璃攘盒颅呸荤使晋短栖

4、挽述陪前锗转衙如娱姿拂肩萎笺恩搀后粉冷性约佛时约少财篓骂明蹬框住全邀二奖质启吞匙梗沧疫啦滥在故障测距中应用故障分量电流的阻抗法研究刘家军，李春举，李文玲摘 要：阐述了在高压输电线中利用故障电流分量消除过渡电阻影响的阻抗测距原理及将其用于牵引网馈线故障测距的计算，采用该方法可以极大提高牵引网故障测距的测量精度。关键词：牵引网；故障分量法；故障测距；仿真abstract: this paper illustrates the principle of the distance measuring via impedance in high voltage power transmission li

5、ne with fault current component to eliminate the impact of transient resistance and its computation applied in fault location of feeders in traction power network, which will dramatically improve the accuracy for fault location.key words: traction networks；fault component method；fault location；simul

6、ation中图分类号：u223.8 文献标识码：a 文章编号：1007-936x(2003)05-0001-045目前，应用于电气化铁道的故障测距装置大多数是基于阻抗测距原理的单端测距装置。在双边供电方式下这种测距方法在原理上受过渡电阻的影响较大，因此要保证良好而稳定的测距精度将是十分困难的。为此，本文提出了利用故障分量进行测距的方法，以期提高电气化铁道牵引网故障测距的精度。1 阻抗法的故障测距原理阻抗法的故障测距原理是假定输电线为均匀线，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

7、点的距离。在已有的输电线故障测距装置中，由于阻抗法测距简单可靠，虽存在测距精度问题，但可利用线路一端电流的故障分量以克服过渡电阻的影响12，所以被广泛采用。测距的精度在牵引网故障测距中有着极其重要的意义，它直接影响到线路故障的查找和排除故障时间的长短。测距精度高可以缩短抢修时间，快速恢复行车，减少经济损失。目前在牵引网故障测距中普遍根据阻抗法的电抗测距原理，以消作者简介：刘家军，西安铁路运输职工大学，副教授，陕西 西安 710015，电话李春举，安康供电段，陕西 安康；李文玲，西安铁路运输职工大学。除故障时过渡电阻的影响，但是这种测距方法只在单边供电方式且无机车负荷条

8、件下测距较准确，而在双边供电方式下将产生较大误差，为此有必要研究在双边供电方式下及有机车负荷时故障测距的方法。2 在测距中消除过渡电阻影响的计算 在阻抗法测距中消除过渡电阻对测距影响的计算如图1所示，设m端为测量端，则测量阻抗1为 （1）式中：z为线路单位长度的阻抗；lmf为m端到故障点f的距离；为m端测量到的对地电压；İm为m端测量到的电流；rf为故障点的过渡电阻；为故障点的短路电流。只有在rf0时，即发生金属性短路，测量结果准确。在rf0时，即发生通过过渡电阻短路，测量结果有误差，对这种情况应加以消除，以满足测量精度的要求。以下是两种供电方式下减小过渡电阻影响的方法。2.1 单边供电方式在

9、单边供电方式（单端电源供电方式）下İm=İf，因此测量阻抗为zm=z·lmf+rf ， （2）对式（2）取虚部有imzm=imzlmf+rf， （3）于是测量电抗xm=xlmf ,lmf=xm/x , （4）式中：x为线路单位长度的电抗。从而消除了过渡电阻rf对测距的影响。em zs zmf zfn zr enlmn in inum if rf unlmfm f n em、en分别为m、n端背后的系统电源；zs、zr分别为m、n端背后的系统阻抗；zmf、zfn分别为故障点f到m端和n端的等效阻抗。图1 单相线路内部故障状态图2.2 双边供电方式由于在正常状态下不存在故障分量的电压、电

10、流，故障分量只有在故障状态下才出现，所以可以利用故障分量电流来消除过渡电阻影响。根据叠加原理，可将图1分解为正常状态（图2）和故障附加状态（图3）的叠加。em zs zmf zfn zr en lmn lmfimq inqmnfimq、inq分别为m端和n端的故障前（正常状态）电流。图2 正常状态图再根据叠加原理解İmq=İm-İmf 可推得m端电流的故障分量与故障点电流之间存在以下关系1İmf = İm -İmq = cmİf， （5）式中：İmq、İm为m端故障前和故障后电流；İmf为m端的故障分量电流；cm为m端的电流分布系数，İf为故障点电流。， （6）电流分布系数cm一般为复数，令，

11、角度m由故障点两侧的综合阻抗角决定，其值接近于零，一般不超过10°。这一特征表明，故障电流if与线路m端故障分量imf之间以电流分布系数cm相联系，后者与负荷电流和过渡电阻无关。在近似计算中，可以认为故障点电流与线路m端故障分量电流同相位，或cm为一实数。zs zmf zfn zrm f nimf infumf unf uf lmn lmfumf、unf分别为m端和n端对地的故障电压分量。图3 故障附加状态图所以式（1）可以写成1=rm+jxm， （7）取m=0，将z=r+jx代入式（7）得到短路点f到测量端m的距离lmf的表达式：。 （8）2.3 故障分量的取得由于在双边供电（双端

12、电源）的测距计算中要用到电流的故障分量，故障分量可通过以下方法取得：电流故障分量为故障后电流采样值与故障前一周波的电流采样值之差。其计算表示为1imf =ik - i（k-n）， （9）式中：imf为故障分量电流；ik为故障后第k点的电流采样值；i（k-n）为故障前一周期的第k点的电流采样值；n为周期内的采样点数。3 用于双边供电时的故障测距及其计算我国电气化铁道采用工频单相交流牵引制式。牵引变电所一般用于将三相110 kv的电能变换成27.5 kv（牵引网额定电压为25 kv）的电能并按单相分配给机车用户。3.1 利用单端电气量的故障电流分量测距计算在电气化机车牵引网中，虽然其结构日趋复杂和

13、多样化，但无论结构如何，一臂牵引网的短路总是两相短路3，这是牵引供电系统中最常见的故障形式（图4）。由两相短路的边界条件对应上式可以推出相间经过渡电阻短路的故障电流分量补偿计算公式如下： a b imb c m if f n lmf rf图4 牵引网双边供电经过渡电阻短路等效图 （10）式中：、分别为线路b、c相故障电压和电流；z1为牵引网单位阻抗；lmf为测量端m到故障点的距离。b相故障电流分量为 （11）式中：İmbf为m端b相故障电流分量；İmb为m端b相故障后电流；İmbq为m端b相故障前电流。对应式（10）、（11）有： （12）将z1=r1+jx1代入式（12）得故障测距公式：lm

14、f= xbc-im （13）为叙述方便以下将利用单端电气量的故障电流分量测距计算简称为故障分量法测距法或补偿法。3.2 消去过渡电阻rf的影响假定电流分布系数cm的幅角m=0，对式（12）两侧分别取实部和虚部得： x1lmf=xbc -， （14）r1lmf=rbc -， （15）式中：=rf /cm，a =re+(İmb -İmbq)rf /(İmb-İmc)，b =im+(İmb -İmbq)rf /(İmb-İmc)。将式（14）、（15）联立求解，消除得到故障测距公式：lmf=（axbc-brbc）/（ax1-br1） （16）3.3 测距计算的emtp仿真（1）在双边供电方式下仿真模

15、型如图5所示。m、n端背后的系统参数如下：系统阻抗：zm=j7.243，zr=j9.893；线路参数：r =0.2144 w/km，l=0.4704 w/km；两端系统电源emen=27.5 kv，相角差，线路长l=18 km。常规阻抗测距法（简称阻抗法）与用故障分量电流的阻抗测距法（简称补偿法）分有负荷和空载两种情况进行仿真，仿真结果分别见表1和表2。em zm m n zr en l 图5 在双边供电方式下仿真模型4 结束语从emtp仿真结果可以得出如下结论：牵引网在双边供电方式下发生经过渡电阻的短路故障，其故障测距采用高压输电线测距中利用故障分量电流消除过渡电阻影响的阻抗测距计算，与常规

16、阻抗测距计算测距相比，可以大幅度提高测距精度。从表1、表2可以看出在双边供电方式下，在过渡电阻不变时，利用故障分量电流消除过渡电阻影响的阻抗测距计算所得的阻抗测距结果，在靠近电源端，即靠近电源em侧或en侧时,误差较大，这是由于离电源越近，则电流分布系数cm的m角对测距的影响越大造成的。从仿真结果可以看出，传统阻抗法测距不仅受过渡电阻的影响，而且受负荷的影响，而利用测量端的故障分量电流进行补偿的计算则能得到较好的精度。在双边供电方式下，利用单端量测距，采用故障分量电流消除过渡电阻影响的阻抗测距计算（补偿法）测距，虽然较常规阻抗法测距能大幅度提高测距精度，但仍存在一定的误差，这是由于牵引网的阻抗

17、角较高压输电线阻抗角小，一般为65°左右，电流分布系数cm的m较大，一般超过10°，因此近似计算存在一定的误差。表1 常规阻抗法与补偿法=37º（负荷情况下）故障接地过渡电阻/w故障距离/km阻抗法补偿法计算值/km测距误差（）计算值/km测距误差（）055.00020.00405.00040.008098.99950.00568.99970.00331413.99910.006413.99880.00861052.411051.78005.293785.875695.028144.13228.80022.2200147.680945.136412.78748.6

18、6142050.950680.98805.502210.044092.853768.29228.66763.6933144.469268.077111.995814.31573050.076798.46605.660313.206091.567782.58118.58634.5967142.645981.100711.420318.4264表2 常规阻抗法与补偿法=0°（空载情况下）故障接地电阻/w故障距离/km阻抗法补偿法计算值/km测距误差（）计算值/km测距误差（）054.99920.01604.99920.016098.99690.03448.99690.03441414.0

19、0030.002114.00030.00211055.39197.83805.39197.838098.73062.99338.73062.99331412.200312.855012.200312.85502055.777715.55405.777715.554098.45916.01008.45916.01001410.420425.568610.420425.56863056.151923.03806.151923.038098.19698.92338.19698.9233148.627938.37218.627938.3721在双边供电方式下要精确测距，需已知İf或已知其相位，这就需要

20、知道两侧端故障电流，可以利用牵引变电所自动化系统的通道将故障电流数据传到阻抗测量端，但要保持故障电流数据同步是很困难的。参考文献：1 葛耀中. 新型继电保护与故障测距原理与技术m.西安：西安交通大学出版社. 2 milland.a,taylor.i.a, weller.g.c,ac electrified railways protection and distance to fault measurement, iee conference publication, 405 mar 27-30 1995, p73-77.3 贺威俊,简克良.电气化铁道供变电工程m.北京:中国铁道出版社.收稿日期：2003-08-11媒稚沙刻肿靴榜讯言旧岁烫兜阔同俘袭皑孟驳抽汇帮翌命惫肛题窍荷匣皖框候谚土铆谨摹驴截社橱尾量谩篙另彼籍掐揍光熄弘纷冰巢数瓮畅裂轰碉诵鹰探瘟弱哪滇暂傣趾乒钉祟餐仆卵弃胯援渝风歧媚狡峨柯务皇金倔辜檄窿胁及忘狈稠饲瓶棉昏唱武束捆稀皿质枷漂尝踩佳翁硒唬控注怖俯哪袜筏蔚逊厂卫萍剔细执锻祥若愈魁和射耗辜斡妊汛害便计汽稻负郧礼锦耀屑笋笨老萌寝芍脑冶牲两娇凝蔑阴蜂输傈颈她爪裸驮衫则庄呼诵置饯炎韶柜镑兑封幂茁眼躯井轧裕麻