單端阻抗法故障測距的研究

1、單端阻抗法故障測距研究單端阻抗法故障測距的研究王茂清，郭寧明，覃劍（中國電力科學(xué)研究院 北京市海淀區(qū)清河小營東路15號 100192）摘 要：分析了影響單端阻抗法測距的因素，通過EMTP軟件仿真，研究了過渡電阻對單端阻抗法故障測距精度的影響。利用單端的數(shù)據(jù)估計過渡電阻的大小，再用過渡電阻的估計值對測距結(jié)果進行修正，提高了單端阻抗法的測距精度，減少了過渡電阻對測距精度的影響。關(guān)鍵詞：過渡電阻 阻抗法 故障測距 EMTPAbstract：Factors which affect the accuracy of the single-ended fault location method based

2、 on impedence measurement is analysed,Especially researched the impact of transition resistance on the accuracy of single-ended fault location method based on impedence measurement. In the article,the transition resistance was estimated according to voltage and current datas of one end，then amend th

3、e result of the fault location to the use of estimate of the transition resistance.In this way,the accuracy of single-ended fault location based on impedence measurement was improved much,The inpact to the accuracy acused by the transition resistance was reduced.Key words:transition resistance , fau

4、lt location method based on impedence measurement, transmission line fault location ，EMTP1 引言行波測距裝置在電力系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，其原理是雙端行波測距算法。雙端測距算法的可靠性和測距精度都比較高，但是雙端測距設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要線路兩端的數(shù)據(jù)進行同步?，F(xiàn)有裝置是通過對數(shù)據(jù)加入GPS時標(biāo)進行同步的，增加了設(shè)備的制造成本和用戶的維護成本。單端行波測距結(jié)構(gòu)簡單，不需要兩端同步。但是對單端行波測距而言，一些線路結(jié)構(gòu)和故障情況下無法進行單端行波測距，單端行波測距法還存在測距死區(qū)問題1。但是存在著可靠性不足的

5、問題。為了提高可靠性，一種方法是通過阻抗法只作為輔助尋找波頭。單端阻抗法可以用來輔助尋找故障波頭，有著重要的研究價值。在各種故障中，過渡電阻對單相接地故障影響最大。所以，對單相短路接地的情況進行分析，研究對阻抗法測距精度有影響的因素。2 單端阻抗法故障測距的原理單端阻抗法測距的原理類似于距離保護，是通過測量發(fā)生故障時線路的阻抗并與單位長度的線路阻抗相比較得到故障點到裝置安裝處的距離的測距方法。在單端阻抗法測距算法中，利用故障分量電流消除過渡電阻的影響的算法是一種效果比較好的算法。它能夠在一定程度上降低過渡電阻的影響。 下面介紹一下該算法的基本原理。圖1 單相接地故障圖在圖1中， Zm、Zn分別

6、為系統(tǒng)M端和N端的系統(tǒng)阻抗，Em,En為M端和N端系統(tǒng)的電動勢。假設(shè)線路的全長為D，過渡電阻的大小為Rf。線路發(fā)生單相短路接地時，線路與地之間存在著過渡電阻。一般認為過渡電阻是純阻性的，并且是隨著短路過程的發(fā)展變化的。電力系統(tǒng)包含著發(fā)電機，負荷，線路等組成部分，也包含了一些非線性的設(shè)備，比如異步發(fā)電機等，但是總的來分析的時候，在這里認為是一個線性的系統(tǒng)。當(dāng)線路發(fā)生故障時，根據(jù)疊加原理，可以將圖1分解為非故障狀態(tài)（如圖2）和故障狀態(tài)（如圖3）的疊加2。圖2非故障狀態(tài)圖3 故障狀態(tài)圖則有：。 其中Cm是m端的分流系數(shù)，其中，D為線路總長，d為測量端到故障點的距離，Zl為單位長度線路的阻抗。 由于其

7、他兩相的沒有發(fā)生故障，故障電流為零（忽略了互阻抗的作用），所以： ， 。 Img0、Img1、Img2分別為故障電流的零序、負序、正序分量。所以有： （1）且。 （2）If0、If1、If2分別為故障電流的零序、負序、正序分量。根據(jù)式（1）和（2），有： （3） 由于Imh是正常狀態(tài)的電流，可以認為零序分量為零。所以 （4）令 可得 ： （5）對式（5）做出各電氣量的相量圖3，如圖4：圖4 各電氣量的相量圖其中，, 根據(jù)相量圖可的下式： （6） （7）根據(jù)式（5）、（6）、（7）可得下面迭代方程，進行迭代計算既可計算出故障距離d。初值 迭代公式為： （8）其中：， 經(jīng)過迭代計算，可以算出d的值

8、。在式（7）中，有兩個量是系統(tǒng)的參數(shù)，分別是：m側(cè)的系統(tǒng)阻抗Zm和n側(cè)的系統(tǒng)阻抗Zn。而Zm的值可以根據(jù)故障的負序網(wǎng)計算出來。圖5 故障負序網(wǎng)如圖5所示故障負序網(wǎng)，故障負序電流是由故障點流入系統(tǒng)的。所以，。而系統(tǒng)的正序阻抗和負序阻抗相差不大，可以近似認為。對于n側(cè)的系統(tǒng)阻抗，如果要根據(jù)m端的數(shù)據(jù)計算出來，條件并不充分。這里假設(shè)對端系統(tǒng)的系統(tǒng)阻抗為常數(shù)，即。電力部門一般每年會進行一次阻抗驗算，作為系統(tǒng)設(shè)計、保護整定的依據(jù)。對于一般用戶，驗算系統(tǒng)阻抗時，可以向電力調(diào)度部門取得接入點的系統(tǒng)阻抗，然后根據(jù)線路的長度、性質(zhì)、變壓器的參數(shù)計算出負荷端的阻抗。當(dāng)無法取得接入點阻抗時，如接入點是110kV以上

9、的變電站，不妨將接入點的容量假定為無窮大（阻抗為0），只計及用戶變壓器和線路的阻抗。在仿真計算中，我們采用假設(shè)對端系統(tǒng)的系統(tǒng)阻抗為常數(shù)，即，采用來計算。對于無窮大系統(tǒng)，這種估算的誤差在可以接受的范圍內(nèi)。3 過渡電阻對單端阻抗法測距精度的影響阻抗法測距中不能準(zhǔn)確確定的參數(shù)比較多，受到的影響因素比較多。主要的影響因素有：故障點的過渡電阻的大小，系統(tǒng)的運行方式的影響。由于過渡電阻的存在，有時對故障測距會帶來嚴(yán)重的影響，并使這些裝置產(chǎn)生較大的測距誤差，從而引起裝置的誤動、拒動或引起故障測距裝置輸出錯誤的測量值。過渡電阻對這些裝置的影響，尤其對雙端輸電線路影響最大4。在本文介紹的算法中，利用了故障前和故

10、障后兩組數(shù)據(jù)，理論上消除了過渡電阻的影響。但是，由于算法理由一些近似處理，也忽略了一些對結(jié)果影響較小的因素，所以過渡電阻對測距結(jié)果仍存在著一定的影響。為了研究過渡電阻對測距精度的影響，用PSCAD軟件進行仿真并通過matlab編程計算，分析過渡電阻對測距精度的影響。假設(shè)線路總長度為200km。根據(jù)過渡電阻的大小和兩邊系統(tǒng)阻抗，按照取短路點分別在線路距離M端50km，100km的地方，進行兩組試驗。第一組實驗選取的故障點距離測距裝置安裝處的距離為50km,第二組數(shù)據(jù)為故障點距離測距裝置安裝處的距離100km。結(jié)果如表一表二所示。表一 故障點距離測距裝置50kmRf()Zm()Zn()故障距離測量

11、值（Km）相對誤差11+j*101+j*1051.330.67%501+j*101+j*1053.371.69%1001+j*101+j*1054.282.14%3001+j*101+j*1057.703.35% 表二故障點距離測距裝置100kmRf()Zm()Zn()故障距離測量值（Km）相對誤差11+j*101+j*1099.28-0.36%501+j*101+j*10103.941.97%1001+j*101+j*10105.752.88%3001+j*101+j*10112.286.14%根據(jù)上面的數(shù)據(jù)可以看出，在金屬性接地（過渡電阻1）時，該算法具有較高的測距精度。特別是兩單系統(tǒng)阻抗

12、詳盡的情況下，誤差均在1%以下。隨著過渡電阻的增大，誤差也越來越大。4 測距精度與過渡電阻大小的關(guān)系曲線本文中介紹了以故障電流迭代法為原理的單端測距算法。在進行仿真計算中發(fā)現(xiàn)，該算法的精度隨著過渡電阻的變化而變化。過渡電阻越大，測距誤差也越大。但是該算法的測距誤差是隨著過渡電阻的增大單向變化的。在計算中，測距結(jié)果一般要比實際值要大，而且隨著過渡電阻的增大，測距結(jié)果與實際故障距離相差得越大。如果能找到誤差大小與過渡電阻的關(guān)系，就可以利用過渡電阻的值來對該算法進行修正。而過渡電阻的值可以通過該算法進行估計。為了根據(jù)過渡電阻的大小調(diào)整故障區(qū)間的大小，需要解決兩個問題。第一，要根據(jù)已知的單端數(shù)據(jù)估算出

13、過渡電阻的大小。第二，需要得到測距精度與過渡電阻大小之間關(guān)系的曲線，并根據(jù)這個曲線擬合出二者之間的關(guān)系式。4.1 過渡電阻的估算在本文介紹的測距算法里，通過故障前后兩組獨立的數(shù)據(jù)，來消除過渡電阻的影響。過渡電阻的大小可以被估計出來。經(jīng)過大量的仿真實驗發(fā)現(xiàn)過渡電阻的估計誤差不大。下面是過渡電阻的求解過程。在程序運行過程中有一個中間變量Cm。該算法在求解出故障距離d的同時，Cm也被計算出來。利用Cm的值可以估算過渡電阻的大小。因為：所以：由于Rf一般為純阻性，所以在計算中對上式中的Rf取實部。為了比較清楚的比較實際值與測量值的關(guān)系，將二者進行比較。可見，Rf測量值與實際值相差不大，但隨著過渡電阻的

14、增大，誤差也越來越大。取故障發(fā)生在中段d=100km為例。圖6 Rf測量值與實際值比較4.2測距誤差與過渡電阻的關(guān)系 本文介紹的算法，測距的精度受到過渡電阻的影響很大。過渡電阻是影響測距精度的主要因素。經(jīng)過大量的仿真計算，發(fā)現(xiàn)該方法的測距誤差與過渡電阻的大小呈一次函數(shù)的關(guān)系。 選取故障點位置為距離裝置安裝處100km對不同過渡電阻的情況進行PSCAD仿真，并用matlab程序進行計算，得到了測距誤差與過渡電阻的關(guān)系曲線。可見，測距誤差與過渡電阻的大小基本呈一次函數(shù)的關(guān)系。經(jīng)過對不同的過渡電阻情況下的仿真計算，得到了圖7所示的關(guān)系曲線。圖7 相對誤差與過渡電阻的關(guān)系 4.3對結(jié)果進行修正測距誤差

15、與過渡電阻的大小基本呈一次關(guān)系?？梢岳眠^渡電阻的測量值來對原測距結(jié)果進行修正。在故障發(fā)生在100km處時，通過仿真計算繪制出測距結(jié)果與過渡電阻的關(guān)系曲線如圖8所示。圖8故障距離與過渡電阻的關(guān)系利用matlab對上面的一次函數(shù)的曲線進行擬合，可以得到經(jīng)驗公式：。其中d是經(jīng)過修正后的測距結(jié)果，是原算法的測距結(jié)果。可以利用該公式和測得的過渡電阻的估計值對原算法的測距結(jié)果進行修正。對測距原算法的測距結(jié)果利用經(jīng)驗公式進行修正，結(jié)果如圖9所示。其中Rf利用的是4.1中的估算值。圖9 修正后故障距離與過渡電阻的關(guān)系當(dāng)過渡電阻的測量值小于5時，誤差比較大，在1%左右。在實際故障中，過渡電阻一般都是在3以上，

16、對應(yīng)的過渡電阻的測量值大于5。在過渡電阻測量值大于5時，測距誤差在0.1%以內(nèi)。根據(jù)過渡電阻的測量值的大小，確定兩個大小不同的時間窗口，用它來輔助單端行波法進行波頭篩選，提高單端行波法的穩(wěn)定性。5 結(jié)論本文研究了過渡電阻對單端阻抗法故障測距精度的影響。通過估計過渡電阻的大小，再用過渡電阻的估計值對測距結(jié)果進行修正，提高了單端阻抗法的測距精度，減少了過渡電阻對測距精度的影響。經(jīng)過修正后，測距誤差在1%以內(nèi)，根據(jù)誤差曲線，可以確定一個時間窗口。利用此窗口對行波波頭進行選擇，可以改進單端行波法的穩(wěn)定性。參 考 文 獻1覃劍，輸電線路單端行波故障測距的研究，J.電網(wǎng)技術(shù)，第29卷第l5期.65-68.2葛耀中新型繼電保護與故障測距原理與技術(shù)M西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.：261-2623基于單端電氣量的故障測距算法。 張艷霞，李志果.