高压电缆—架空线混合输电线路的短路故障定位方法与流程

本发明涉及一种基于电缆的护层电流的能够快速定位高压电缆—架空线混合输电线路中的短路故障的方法。

背景技术：

与单一电缆线路输电方式或单一架空线路输电方式不同，高压电缆—架空线混合输电线路的机理更为复杂，尤其是电缆、架空线波速度不统一、波阻抗不连续是困扰高压电缆—架空线混合输电线路故障定位的关键，传统的针对单一输电方式的故障定位技术已很难适用。目前关于混合输电线路准确故障定位的成熟、有效技术较少，处于相对空白的状态。

行波法被广泛用于架空线路或电缆线路的故障测距。该方法通过检测故障线路上的暂态行波在母线与故障点之间的传播时间进行故障测距，由于暂态行波的传播速度接近光速，基于行波法的故障定位模式存在噪声消除和波头时刻提取的问题，另外，高压电缆—架空线混合线路的波速度不统一、波阻抗不连续，这种方法难以应用于实际的混合线路中。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于高压电缆—架空线中，以快速定位短路故障的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高压电缆—架空线混合输电线路的短路故障定位方法，用于定位高压电缆—架空线混合输电线路中的短路故障点，所述高压电缆—架空线混合输电线路包括若干个单芯电缆交叉互联结构以及连接任意两个所述单芯电缆交叉互联结构的架空线结构；

每个所述单芯电缆交叉互联结构包括分别为A相线路、B相线路和C相线路的三相线路，每相所述线路均包括依次编号从1至n的n段单芯电缆，n为大于或等于2的正整数；每个所述单芯电缆交叉互联结构连接于第一接地箱和第二接地箱之间，其包括分别为A相线路、B相线路和C相线路的三相线路；每相所述线路均包括依次编号从1至n的n段单芯电缆，n为大于或等于2的正整数，每相所述线路中的各段所述单芯电缆的线芯直接依次相连接；三相所述线路中各自的第1段所述单芯电缆的金属护层前端与所述第一接地箱相连接，所述A相线路中的第m段所述单芯电缆的金属护层后端通过交叉互联箱与所述B相线路中第m+1段所述单芯电缆的金属护层前端相连接，所述B相线路中的第m段所述单芯电缆的金属护层后端通过交叉互联箱与所述C相线路中第m+1段所述单芯电缆的金属护层前端相连接，所述C相线路中的第m段所述单芯电缆的金属护层后端通过交叉互联箱与所述A相线路中第m+1段所述单芯电缆的金属护层前端相连接，m＝1，2，…，n-1，三相所述线路中各自的第n段所述单芯电缆的金属护层后端与所述第二接地箱相连接；

所述架空线结构包括分别为A相架空线、B相架空线、C相架空线的三相架空线，三相所述架空线与其两端的所述单芯电缆交叉互联结构中对应的三相所述线路相连接；

所述高压电缆—架空线混合输电线路的短路故障定位方法为：每个所述单芯电缆交叉互联结构中，对于三相所述线路中各自的第1段所述单芯电缆，定义其金属护层的前端直接检测到的电流信号的反向信号为该第1段所述单芯电缆的护层前端电流；对于三相所述线路中各自的第m段所述单芯电缆，定义其金属护层的后端直接检测到的电流为该第m段所述单芯电缆的护层后端电流和与其相连接的第m+1段所述单芯电缆的护层前端电流；对于三相所述线路中各自的第n段所述单芯电缆，定义其金属护层的后端直接检测到的电流为该第n段所述单芯电缆的护层后端电流；定义每段所述单芯电缆的护层后端电流的相位与其护层前端电流的相位之差为其护层电流相位差；

若一段所述架空线结构两端的两个所述单芯电缆交叉互联结构中，每个所述单芯电缆交叉互联结构内各段所述单芯电缆的护层电流相位差均正负符号相同，且两个所述单芯电缆交叉互联结构中各段所述单芯电缆的护层电流相位差正负符号相反，则该段所述架空线结构中发生短路故障。

优选的，当一段所述架空线结构前端的所述单芯电缆交叉互联结构内各段所述单芯电缆的护层电流相位差均小于0且该段所述架空线结构后端的所述单芯电缆交叉互联结构内各段所述单芯电缆的护层电流相位差均大于0时，则该段所述架空线结构中发生短路故障。

优选的，每个所述单芯电缆交叉互联结构中，根据各段所述单芯电缆的护层后端电流和护层前端电流是否方向相反而判断各段所述单芯电缆中是否发生短路故障；若任一段所述单芯电缆的护层后端电流和护层前端电流方向相反，则该段所述单芯电缆中发生短路故障。

优选的，直接检测三相所述线路中各自的第1段所述单芯电缆的金属护层前端的电流信号，并将直接检测到的所述电流信号的工频相位反相而得到该第1段所述单芯电缆的护层前端电流的工频相位；直接检测三相所述线路中各自的第m段所述单芯电缆的金属护层后端的电流信号，并将直接检测到的所述电流信号的工频相位作为该第m段所述单芯电缆的护层后端电流的工频相位和与其相连接的第m+1段所述单芯电缆的护层前端电流的工频相位；直接检测三相所述线路中各自的第n段所述单芯电缆的金属护层后端的电流信号，并将直接检测到的所述电流信号的工频相位作为该第n段所述单芯电缆的护层后端电流的工频相位；则根据各段所述单芯电缆的护层后端电流的工频相位与其护层前端电流的工频相位之差判断各段所述单芯电缆的护层后端电流和护层前端电流是否方向相反。

优选的，对各直接检测到的电流信号做快速傅里叶变换而的到其工频相位。

优选的，任一段所述单芯电缆的护层后端电流的工频相位与其护层前端电流的工频相位之差在以±180°为中心的相位允许范围之内时，则判断该段所述单芯电缆的护层后端电流和护层前端电流方向相反。

优选的，所述相位允许范围为(120°，240°)∪(-240°，-120°)。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的短路故障定位方法易于实施，成本较低，能够对高压电缆—架空线混合输电线路进行在线检测，从而能够快速识别短路故障发生位置。

附图说明

附图1为高压电缆—架空线混合输电线路的架构示意图。

附图2为单芯电缆交叉互联结构的架构示意图。

附图3为单芯电缆交叉互联结构中故障电流流向示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：高压电缆—架空线混合输电线路包括若干个单芯电缆交叉互联结构以及连接任意两个单芯电缆交叉互联结构的架空线结构，附图1中给出两个单芯电缆交叉互联结构及其之间的一段架空线机构作为示例。上述高压电缆—架空线混合输电线路所构成的简单电力系统结构如附图1所示，该电力系统中共包括电源——传输线——负载，高压电缆—架空线混合输电线路用作传输线。

每个高压单芯电缆交叉互联结构连接于第一接地箱G1和第二接地箱G2之间，其包括三相线路，分别为A相线路、B相线路和C相线路。每相线路均包括依次编号从1至n的n段单芯电缆，n为大于或等于2的正整数。每相线路中所包含的各段单芯电缆的线芯直接依次相连接。每段单芯电缆均具有两端，分别为前端和后端。三相线路中各自的第1段单芯电缆的金属护层前端与第一接地箱G1相连接，A相线路中的第m段单芯电缆的金属护层后端通过交叉互联箱与B相线路中第m+1段单芯电缆的金属护层前端相连接，B相线路中的第m段单芯电缆的金属护层后端通过交叉互联箱与C相线路中第m+1段单芯电缆的金属护层前端相连接，C相线路中的第m段单芯电缆的金属护层后端通过交叉互联箱与A相线路中第m+1段单芯电缆的金属护层前端相连接，m＝1，2，…，n-1。三相线路中各自的第n段单芯电缆的金属护层后端与第二接地箱G2相连接。这里所说的“前端”指各段单芯电缆中靠近第一接地箱G1的一端，即靠近电源的一端，而靠近第二接地箱G2的一端，即靠近负载的一端称之为“后端”。

如附图2所示，以9段单芯电缆构成的一个完成的交叉互联结构为例，这9段单芯电缆分别为A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3，它们由于交叉互联而被分来，其中A1、A2、A3构成A相线路，它们分别对应为A相线路的第1段单芯电缆、A相线路的第2段单芯电缆、A相线路的第3段单芯电缆。相类似的，B1、B2、B3构成B相线路，它们分别对应为B相线路的第1段单芯电缆、B相线路的第2段单芯电缆、B相线路的第3段单芯电缆，C1、C2、C3构成C相线路，它们分别对应为C相线路的第1段单芯电缆、C相线路的第2段单芯电缆、C相线路的第3段单芯电缆。在A相线路中，A1、A2、A3的线芯直接相连接，B相线路中，B1、B2、B3的线芯直接相连接，C相线路中，C1、C2、C3的线芯直接相连接。上述各段单芯电缆的金属护层交叉互联，即A1、B1、C1这三段单芯电缆的金属护层的前端分别与第一接地箱G1相连接，A1的金属护层的后端通过导线和交叉互联箱J1与B2的金属护层的前端相连接。B2的金属护层的后端通过导线和交叉互联箱J2与C3的金属护层的前端相连接。与上述连接关系相类似的，B1、C2、A3的金属护层依次相连接，C1、A2、B3的金属护层依次相连接。而A3、B3、C3的金属护层的后端则分别与第二接地箱G2相连接。

对于图1中所示的高压电缆—架空线混合输电线路，其架空线结构的前端的一个单芯电缆交叉互联结构由A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3共计9段单芯电缆构成，而其后端的一个单芯电缆交叉互联结构则由A4、A5、A6、B4、B5、B6、C4、C5、C6共计9段单芯电缆构成。该架空线结构后端的单芯电缆交叉互联结构中的连接关系与其前端的单芯电缆交叉互联结构中的连接关系相同。

以架空线结构的前端的单芯电缆交叉互联结构为例，在A1、B1、C1的金属护层的前端分别设置电流互感器I_1a、I_1b、I_1c，再在各段单芯电缆的金属护层的后端分别设置电流互感器，分别为I_2a、I_2b、I_2c、I_3a、I_3b、I_3c、I_4a、I_4b、I_4c。

图2所示的9段单芯电缆构成的交叉互联结构中，无故障发生时，受交叉互联影响，各段单芯电缆的金属护层由线芯感应的电流有线。当任何一段单芯电缆出现电缆线路击穿故障时，其线芯对金属护层形成短路，线芯电流直接通过金属护层并从其两端的接地点流入大地，引起故障段单芯电缆以及交叉互联段单芯电缆的金属护层电流升高，护层电流大小接近故障电流。同时，由于电磁耦合效应，故障线路临近的线路也会感应产生一个较大的电流。

以A1-B2-C3互联段为例，如附图3所示，假设故障发生在单芯电缆B2段中，则故障电流由故障点沿金属护层向B2两端流出，在B2前端，电流经交叉互联箱J1、电流互感器I_2a流入A1的金属护层后入地，在B2后端，电流经电流互感器I_3b、交叉互联箱J2流入C3的金属护层后入地。则流经单芯电缆B2段两端的两个电流互感器I_2a和I_3b中的电流方向相反。而对于非故障段，如C3，其两端的两个电流互感器I_3b和I_4c中的电流方向相同。但是对于第一段的单芯电缆A1，由于其前端的电流互感器I_1a的设置位置导致了其电流参考方向与其他电流互感器中的电流参考方向相反，因此单芯电缆A1段两端的两个电流互感器I_1a和I_2b中的电流方向相同。

基于以上特征，针对一个单芯电缆交叉互联结构中，对于三相线路中各自的第1段单芯电缆，定义其金属护层的前端直接检测到的电流信号的反向信号为该第1段单芯电缆的护层前端电流；对于三相线路中各自的第m段单芯电缆，定义其金属护层的后端直接检测到的电流为该第m段单芯电缆的护层后端电流和与其相连接的第m+1段单芯电缆的护层前端电流；对于三相线路中各自的第n段单芯电缆，定义其金属护层的后端直接检测到的电流为该第n段单芯电缆的护层后端电流。具体到图1和图2所示的结构中，A1的金属护层前端直接检测到的电流信号I_1a的反向信号为A1的护层前端电流，B1的金属护层前端直接检测到的电流信号I_1b的反向信号为B1的护层前端电流，C1的金属护层前端直接检测到的电流信号I_1c的反向信号为C1的护层前端电流；I_2a同时为A1的护层后端电流和B2的护层前端电流，I_3b同时为B2的护层后端电流和C3的护层前端电流，I_2b同时为B1的护层后端电流和C2的护层前端电流，I_3c同时为C2的护层后端电流和A3的护层前端电流，I_2c同时为C1的护层后端电流和A2的护层前端电流，I_3a同时为A2的护层后端电流和B3的护层前端电流；I_4a为A3的护层后端电流，I_4b为B3的护层后端电流，I_4c为C3的护层后端电流。

基于此，则根据各段单芯电缆的护层后端电流和护层前端电流是否方向相反而判断各段单芯电缆中是否发生短路故障；若任一段单芯电缆的护层后端电流和护层前端电流方向相反，则该段单芯电缆中发生短路故障。

具体的，直接检测三相线路中各自的第1段单芯电缆的金属护层前端的电流信号，并将直接检测到的电流信号的工频相位反相而得到该第1段单芯电缆的护层前端电流的工频相位；直接检测三相线路中各自的第m段单芯电缆的金属护层后端的电流信号，并将直接检测到的电流信号的工频相位作为该第m段单芯电缆的护层后端电流的工频相位和与其相连接的第m+1段单芯电缆的护层前端电流的工频相位；直接检测三相线路中各自的第n段单芯电缆的金属护层后端的电流信号，并将直接检测到的电流信号的工频相位作为该第n段单芯电缆的护层后端电流的工频相位。以上过程中，对各直接检测到的电流信号做快速傅里叶变换而的到其工频相位。

电流方向相反通过相位来体现，因此，根据各段单芯电缆的护层后端电流的工频相位与其护层前端电流的工频相位之差即可判断各段单芯电缆的护层后端电流和护层前端电流是否方向相反。当电流方向相反时，电流信号的相位差为180°左右。

定义每段单芯电缆的护层后端电流的相位与其护层前端电流的相位之差为其护层电流相位差，以下用B(I)表示电流信号I的工频相位(单位为角度)，P(section)表示对应段单芯电缆的护层后端电流的工频相位与其护层前端电流的工频相位之差(section∈[“A1”、“B1”、“C1”、“A2”、“B2”、“C2”、“A3”、“B3”、“C3”])，即护层电流相位差，则：

P(A1)＝B(I_2a)-[B(I_1a)+180]

P(B1)＝B(I_2b)-[B(I_1b)+180]

P(C1)＝B(I_2c)-[B(I_1c)+180]

P(A2)＝B(I_3a)-B(I_2c)

P(B2)＝B(I_3b)-B(I_2a)

P(C2)＝B(I_3c)-B(I_2b)

P(A3)＝B(I_4a)-B(I_3c)

P(B3)＝B(I_4b)-B(I_3a)

P(C3)＝B(I_4c)-B(I_3b) (1)

若任一段单芯电缆的护层后端电流的工频相位与其护层前端电流的工频相位之差P(section)在以±180°为中心的相位允许范围之内时，则判断该段单芯电缆的护层后端电流和护层前端电流方向相反。由于一个交叉互联段内的电缆线路一般不超过500m，故障时两端的护层电流信号的相位差不会因故障点距离两端长度不相等而有显著差别，而故障段和非故障段的相位区别则较大，因此在制定故障区段判据是可以留有较大的裕度，如相位允许范围为(120°，240°)∪(-240°，-120°)，当相位差处于上述范围时，则认为发生了短路故障。而非故障段一般护层电流相位差很小，在±10°以内。

对于图1中所示的高压电缆—架空线混合输电线路中架空线结构后端的那个单芯电缆交叉互联结构，则：

P(A4)＝B(I_6a)-[B(I_5a)+180]

P(B4)＝B(I_6b)-[B(I_5b)+180]

P(C4)＝B(I_6c)-[B(I_5c)+180]

P(A5)＝B(I_7a)-B(I_6c)

P(B5)＝B(I_7b)-B(I_6a)

P(C5)＝B(I_7c)-B(I_6b)

P(A6)＝B(I_8a)-B(I_7c)

P(B6)＝B(I_8b)-B(I_7a)

P(C6)＝B(I_8c)-B(I_7b) (1)

同样的，当若任一段单芯电缆的护层后端电流的工频相位与其护层前端电流的工频相位之差P(section)在以±180°为中心的相位允许范围(120°，240°)∪(-240°，-120°)之内时，则判断该段单芯电缆的护层后端电流和护层前端电流方向相反，即发生短路故障。

也就是：当P(section)∈(120°，240°)∪(-240°，-120°)时，认为短路故障发生在该区段section。其中，section∈[“A1”“B1”“C1”“A2”“B2”“C2”“A3”“B3”“C3”“A4”“B4”“C4”“A5”“B5”“C5”“A6”“B6”“C6”]。进而确定故障发生在电缆线路段。

图1所示的高压电缆—架空线混合输电线路中，所述架空线结构包括分别为A相架空线、B相架空线、C相架空线的三相架空线，三相所述架空线与其两端的所述单芯电缆交叉互联结构中对应的三相所述线路相连接。

对于架空线结构，若一段架空线结构两端的两个单芯电缆交叉互联结构中，每个单芯电缆交叉互联结构内各段单芯电缆的护层电流相位差均正负符号相同，且两个单芯电缆交叉互联结构中各段单芯电缆的护层电流相位差正负符号相反，则该段架空线结构中发生短路故障。具体为：当一段架空线结构前端的单芯电缆交叉互联结构内各段单芯电缆的护层电流相位差均小于0且该段架空线结构后端的单芯电缆交叉互联结构内各段单芯电缆的护层电流相位差均大于0时，则该段架空线结构中发生短路故障。也就是：当P(s1)<0，(s1∈[“A1”“B1”“C1”“A2”“B2”“C2”“A3”“B3”“C3”])，且P(s2)>0，(s2∈[“A4”“B4”“C4”“A5”“B5”“C5”“A6”“B6”“C6”])时，认为故障发生在架空线路区段。

采用上述高压电缆—架空线混合输电线路的短路故障定位方法的短路故障定位装置，包括直接检测每个单芯电缆交叉互联结构的三相线路中各自的第1段单芯电缆的金属护层前端的电流信号和各段单芯电缆的金属护层后端的电流信号的若干个电流互感器、与各电流互感器相连接并判断各段单芯电缆中是否发生短路故障的主机、实现主机与监控中心通信的通信模块。电流互感器与主机之间可以通过有线或无线方式通讯，而主机与监控中心之间可以借助移动通信网络实现通讯。

按以下步骤实时上述方案：

(1)安装电流互感器：在高压电缆—架空线混合输电线路内，在接地箱和交叉互联箱处分别安装各个电流互感器。

(2)信号采集与传输：电流互感器实时采集到的数据传输给附近的主机，主机对采集到的数据进行实时处理以得出是否发生短路故障的结论，处理后通过通信模块(包括采用GPRS/3G/4G通信模式的天线等)进行通讯，将故障定位的判断结果上传到监控中心。

主机在进行信号处理时，由于故障时单芯电缆的金属护层中的电流存在暂态过程，故故障电流主要为工频电流，需要通过对各直接检测到的电流信号做快速傅里叶变换而的到其工频相位，再进行相位差运算。

①FFT运算：

其中，为旋转因子；x(n)为一个长度为N的有限长序列，即电流互感器采集到的原始信号；X(k)为频域N点的有限长序列。

②计算相位差：按式(1)和式(4)形式计算各段单芯电缆的护层后端电流的工频相位与其护层前端电流的工频相位之差。

③故障区段判定：基于设定的相位允许范围来判断各段单芯电缆是否发生短路故障以及架空线是否发生短路故障。

本发明提出的一种基于高压单芯电缆护层电流的故障区段判断方法，主要应用于对110kV及以上高压电缆—架空线混合线路的短路故障区段判断，一旦电缆或架空线路发生短路故障，可快速判断出故障区段。

与现有的故障定位方法相比本技术方案有如下优点和积极效果：

1)可实现电缆——架空线混合线路的故障区段判断；

2)该方法可实现在线监测，故障发生后能及时找出故障区段。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。