基于D型行波分析的配电网故障定位模型及算法.docx

1、第4章 基于D型行波的配电网故障定位模型及算法4.1配电网故障特征10kV架空线故障包括单相接地故障、两相短路和三相短路等。其中，三相短路发生的概率最小，但其危害大，发生短路时，其短路电流远远大于正常时的负荷电流，它们所产生的热效应和电动力效应将使电气设备遭受严重破坏，应该得到足够的重视。其次是两相短路和两相接地短路，发生概率比三相短路概率略大，同样会破坏系统稳定，而且故障相电流增大，严重威胁到配网的安全运行，需由继电保护装置及时切除故障线路以保障配电网安全运行。发生概率最大的是单相接地故障。但单相接地故障信号相较于相间短路故障非常不明显，往往造成定位故障困难。因此，需要分析配电网架空线发生故障的特征信号，用来得到检测判据示警。4.1.1 配网短路故障特征短路故障中的三相短路、两相短路及两相短路接地故障，其特征较为明显，即在故障发生时有较大的短路电流。三相短路故障危害大，电力工作者已经做了深入研究。在计算中，若短路点远离变电站，则计负荷影响时短路点电流33可以用公式 (4-1)从公式可知，三相短路时的短路电流很大，故障发生瞬间线路会有一个很大的电流增量，所以可以通过电流变化率或大于预设

2、电流阈值来判断三相短路故障发生。两相短路属于不对称短路，相比三相短路，两相短路电流计算比较复杂，需要用到对称分量法进行分析。经过计算可得两相短路电流大小为 (4-2)如果将配电网中的元件简化为不变负载时，正序和负序阻抗相等，经分析计算可以得到两相短路电流 (4-3)从公式可知两相短路电流等于三相短路时的一半，因此故障发生瞬间也会有一个很大的电流增量，可通过此特征判断故障的发生。同理，当两相接地短路故障发生时，故障相电流大小为 (4-4)因此，两相短路接地故障发生时故障线路同样会有一个较大的电流增量出现。4.1.2 单相接地故障特征对于中性点不接地系统，无单相接地故障发生时，A、B、C三相成正弦或余弦对称方式运行即任何时刻三相电压电流值均相等且相位相差120，中性点电压。此时A、B、C三相流过对地分布电容的电流也成正弦或余弦对称方式，任何时刻A、B、C三相流过对地分布电容的电流之和为零，即，也就是说零序电流为零。当线路出现单相接地故障时，A、B、C三相电压电流的对称性遭到了破坏，造成，即此时的零序电流不为零。由于在三相对称电路中有： (4-5)又由：得出： (4-6)由式（2-11）可以

3、得到： (4-7)为发生单线接地故障后中性点的电压34-35。发生单线接地故障后中性点的电压在故障点处加到了线路上，如图4-1所示。可见在故障点的前后零序电流的相位正好相反。图 4-1 配电网单相接地故障示意图4.2故障定位判据4.2.1 短路故障定位判据由前述分析得出，可将电流大小作为判断三相短路和两相短路故障的主要判据。但当发生两相接地短路或过流短路情况时，短路电流的变化是线性变大的，再简单地利用电流变化率 di / dt作为故障判据很难检测到电流突变从而导致不能判断是否发生了短路故障。而且，10kV配电网大多是农网线路，线路长，短路电流小，所以电流的突变很难能够检测到。因此，可以同时采用设定大电流阈值来检测两相短路等短路故障的发生，通过设定一个合理阈值来判定，超过阈值就判定为发生了短路故障。当配电网发生短路故障时，线路电流的变化如图4-2所示。综上所述，短路故障检测判据如下：图4-2发生短路故障时线路电流变化示意图（1）监测到线路正常运行，线路电流和电压变化平缓（2）线路中出现超过设定阈值的大电流，或者大于设定阈值的电流变化率（3）在很短的时间内有大电流出现且持续时间不超过T2秒

4、钟（4）T2秒钟后线路处于停电状态4.2.2 单相接地故障判据当配电网线路正常运行没有故障发生时，零序电流很小几乎为零，当发生单相接地故障后，零序电流较大且故障点前后零序电流相位相反。因此，可以在各个关键点监测零序电流，若零序电流小于预设阈值则判定为没有发生单相接地故障；若零序电流大于预设阈值则说明监测线路发生了单相接地故障。然后，再通过计算相邻监测点零序电流的相位差，相位差为180，则故障点在这相邻监测点之间，从而确定故障区段。4.3基于D型行波理论的故障定位模型及计算方法4.3.1基于D型行波理论的故障定位模型若在如图3-2所示电网的f点产生接地故障之后，假设为故障行波到达测量点P、Q点的先后时间计为和，在得到测量点P、Q点的时刻以后，根据行波传播的速度，可以计算得到实际发生故障的位置离测量点P、Q点的距离为；其中，Q=1，2，3，7。下面对各种情况分别进行讨论：1）主干线发生故障如果故障行波到达测量点3，并计下测量点3的时刻，那么采用D型行波传播原理，可以轻易得到其它测量点与测量点3的实际测量距离，其计算公式为：式中：表为第3个测量点与Q测量装置安装的位置之间的故障距离，其中Q=

5、1，2，3,7，此时，因此，可以得到第4个测量位置安装的测量位置与第3测量点故障测量位置安装处的故障实际距离为。2） 分支点发生故障仍然以图3-2所示算例，如果发生分至点故障，那么，可以根据第三个测量点故障测试装置安装位置去检测故障行波，根据D型故障行波的特点，计算得到第3个测量装置与其它测量装置中间间隔线路之间的距离为：式中：表为第3个测量点与Q测量装置安装的位置之间的故障距离，其中Q=1，2，3,7此时，因此，可以得到第4个测量位置安装的测量位置与第3测量点故障测量位置安装处的故障实际距离为。图4-3 配电网故障位置示意图3） 分支线发生故障仍然以图3-2所示算例，如果发生分支点故障，那么，可以根据第三个测量点故障测试装置安装位置去检测故障行波，根据D型故障行波的特点，计算得到第3个测量装置与其它测量装置中间间隔线路之间的距离为：式中：表为第3个测量点与Q测量装置安装的位置之间的故障距离，其中Q=1，2，3,7。此时，因此，可以得到第4个测量位置安装的测量位置与第3测量点故障测量位置安装处的故障实际距离为。4.3.2基于D型行波理论的故障定位计算方法4.3.2.1基于行波理论的故障

6、区间确定如图4-4所示，在母线M端检测故障。F点如果出现了故障，那么由此出现的行波与阻抗不连续点接触的话便会出现透射与反射的情况，M点的位置就可以在不同的时间段发现它们。一旦掌握了波的传播速度，那么通过已知的线路的结构以及相应的长度，就能够知道不同的波头出现在检测端的时间。假设能够察觉到其中一个分支端点的反射波，便能够知道故障是位于其下方区段；假设无法察觉到其中一个分支端点的反射波，那么它的位置就应当与之相反是位于上方，这样基本就能够找出相应的区间。图4-4 B-C区段故障时特征波传播路径线路的区段是通过靠近的2个不连续点来确定的，就图4-3里面的线路M-C，共有5个区段M-A、A-B、B-C、A-D和B-E。能够找出故障区段的波被命名为特征波，当这种波的波头出现在检测端的时刻收集波的数据形成相应的大矩阵，那么通过大矩阵里面的相关资料就能够找到故障区段。特征波的相关资料都能够通过大矩阵进行说明，基本可以包括这几种：（1）第1类基本上是主干线上一开始节点的反射波，就像图4-3里面A点的，它主要可以判断故障是否位于检测点后面的第一个区段M-A，又或是应当位于别的相应的区段。假设故障是出现在

7、M后面的区段 M-A，找出出现故障的位置就像找出无分支输电线路的故障位置，仅仅需要发现出现故障地方的第一个反射波便基本可以判断故障是在哪里；假设这个位置是位于第一个节点A后面的别的地方的区段，这样的话就要求更多的资料来判断故障发生的位置。（2）第2类基本上是全部的分支线末端点的反射波，就像图4里面D、E等分支端点的。相应在大矩阵里面数据的顺序基本上是遵照节点的由检测端至末端的顺序的相应位置。通过找到初始行波波头的时间差时，需要花费的的线段长度包括由主干线至分支末端的全部，就像图4中线段，A-D、B-E的长度。（3）第3类基本上是主干线上排除第一种情况下的，出现在上面所有的节点的反射波，就像4-3里面，B节点的，相应在大矩阵里面数据的顺序基本上是遵照节点的由检测端至末端的顺序的相应位置。通过找到初始行波波头的时间差时，需要花费的的线段长度包括由这一节点至上方邻节点。它的大矩阵形式能够通过这一公式说明S=特征反射波1，特征反射波2，特征反射波3式里面S就是大矩阵。图4-5 第1类特征波的传播路径图4-6 B-C段故障特征波传播路径图4-7 区域A-D段故障时特征波的传播路径通过大矩阵里面的

8、资料，能够了解到位于M点可不可以察觉出属于线路里面其中一个阻抗不连续点的反射波，假设可以察觉的话，大矩阵里面显示的值是“1”，就可以得出故障的位置应当是这一点的下方；假设不可以察觉的话，大矩阵里面显示的值是“0”，就可以得出故障的位置应当是这一点的上方，这样便可以进一步找到出现故障的区段。4.3.2.2基于行波理论的故障点确定假设已经知晓了故障区段，通过和故障有联系的2个反射波，便能够找到故障发生的位置。通过图4-7，假定故障F是出现于A-B区段，而且，B处于故障区间的下方节点，A则是处于相应位置的上方节点，假定D是分支，A-D的端点，是，A-D区段的长度，是故障所在区段A-B的长度，是M-A的长度。图4-7里面属于通过A反射回故障点，接着从这一位置输送至M点的波，那么它的传播路径是，和初始行波波头的时间差应当为；的相应路径应当是 ，相应的时间差也应当属于 。它们按照初始行波波头抵达检测点的时间，抵达M的时间大概是能够确定的，就是下面的 （4-7）式中v为行波在该线路上的传播速度。同理，到达M的时间范围可表示为 （4-8）和的时间差属于一个不变的数值，如果不考虑它的相应的时间差的话，2

9、个波出现在检测点的时间就仅仅和F点存在联系，即只与与的长度有关。2个波存在的最大相关性时刻就是说2个波一起位于最大值的那个时间，如果假设是t，那么其与故障点F有着直接的联系，就是，这样的话，故障距离一般就是 （4-9）故障距离一般能够通过式中（3）获得相应的数据，然而假设故障出现于线路的第一区段，那么这样一般就是： （4-10）里面t就是第一个反射波发生的时间。图4-8 区域A-B段故障时2个相关特征波的传播路径此时，故障距离由式（4-10）计算得到。这些都属于通过单端行波法面向具有分支的配电线路故障定位原理的研究，能够发现，故障定位要求发现部分特殊反射波的资料同时形成相应的能够估计故障出现区段的大矩阵，接下来给出的局部能量以及特征矩阵便属于通过发现反射波的数据同时算出相应的大矩阵里面的数据。4.3.2.3基于行波理论的故障分支确定（1）中性点不接地系统故障特征分析中性点不接地系统里面，处于常规状态下的绝缘效果是比较好的。在不计及线路及设备元件的对地参数情况下，如果出现了单相接地故障，而相应的故障电流为零，就供电而言无法产生任何影响。实际情况里面，分析单相接地故障电流时必须考虑线路和用电设备的对地电容，其中线路各相之间以及相对地之间的电

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