专利名称：基于行波时差的输电网故障定位方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统保护领域和高压测试技术领域，特别涉及一种基于行波时差的输电网故障定位方法及装置。
背景技术：
输电网故障点位置的精确定位，长期以来得不到较好的解决，直接影响故障线路的供电恢复时间，也给线路运行维护人员带来了沉重的负担。现有的故障定位方法包括利用故障稳态量的常规故障定位方法、利用故障暂态行波的故障行波定位方法。
基于故障稳态量的故障定位方法，在电力线路两端安装电流互感器和电容式电压互感器进行电流、电压稳态量检测，利用线路故障后的故障稳态量计算故障阻抗等，求解故障距离。该方法故障定位精度较低，受系统运行参数的变化等因素的影响较大，其中包括(1)电压、电流互感器的传变特性的影响；(2)受线路参数及系统参数整定误差的影响；(3)线路参数随气候、运行年限、受污染程度等因素变化的影响；(4)受故障暂态谐波的影响。通常基于故障稳态量的常规故障定位装置在现场运行并不理想。申请号02115506.2名称为“输电线路故障点定位方法和装置”的发明专利申请公开了一种利用在变电站电容元件上串接的小电抗，提取行波信号进行故障定位的方法；上述两种方法需要改变系统高压设备的接线，不利于电力系统安全运行，难以在我国的电力系统推广。申请号00131128.X名为“电力线路保护方法及用于该方法的行波传感器”的发明专利，公开了一种在CVT地线上套接一行波传感器，记录故障行波到达时间进行故障定位的方法，该系统复杂，安装点仅选择CVT，受到一定的局限。
发明内容
本发明的目的是提供一种容易实施、定位精度高的基于行波时差的输电网故障定位方法。
本发明的另一目的是提供一种结构简单、定位精度高的基于行波时差的输电网故障定位装置。
为实现本发明目的，本发明方法包括如下步骤(1)并联在电压互感器开口三角形绕组的分压式行波传感器获取电网突变信号；(2)记录每个突变信号出现的精确时刻，(3)定位计算机收集各变电站记录的突变信号到达时刻；(4)定位计算机计算非故障线路的实际长度和故障点精确位置；上述步骤(1)中还包括在变压器套管末屏或穿墙套管末屏接地线上套接穿芯式行波传感器获取电网突变信号。
实现上述方法的基于行波时差的输电网故障定位装置，包括分压式行波传感器，并接于电压互感器开口三角形绕组，用于检测电压互感器开口三角形绕组电压的突变信号，第二高频屏蔽电缆，耦接分压式行波传感器和前置模块，用于将分压式行波传感器的输出信号送到前置模块的输入端；前置模块，其输入端与第二高频屏蔽电缆耦接，用于进行突变信号检测，测量信号的变化陡度和大小，把故障行波信号的波头变成一个一定幅值、一定宽度的脉冲信号；GPS计时模块，其输入端与前置模块的输出端耦接，用于锁定前置模块的输出脉冲信号突变时刻的绝对时间；通信模块，分别与GPS计时模块、定位计算机耦接，用于将行波到达时间送至定位计算机；定位计算机，用于接收通信模块发送的信号，并完成故障定位计算、显示及打印等功能。
上述基于行波时差的输电网故障定位装置，还包括穿芯式行波传感器，套接于电网电容性设备接地线上，用于检测电网电容性设备接地线上入地电流的突变信号；第一高频屏蔽电缆，耦接穿芯式行波传感器和前置模块，用于将穿芯式行波传感器的输出信号送到前置模块的输入端。
本发明具有下述优点(1)本定位方法可以用于环形线路的故障定位，并且不用高速A/D，而是利用硬件电路直接确定行波及到达时间，使系统的结构大为简化，降低了成本；(2)穿芯式行波传感器由环形高频铁氧体铁心上单层绕制5-50匝线圈组成，并安装在一个由非磁性材料制成有开口的环形屏蔽盒中，线圈输出接瞬态电压抑制器和分压器，分压器输出电阻上并联压敏电阻、控制输出电压在10-500V以下；穿芯式行波传感器能抑制工频信号，只传输10KHz以上的高频突变信号；穿芯式行波传感器与一次设备无直接的电联系，安装时不在变电站运行设备接地线上串接任何元器件，对电力系统运行不会产生任何影响；(3)电压互感器开口三角形绕组交流输出，这样分压式行波传感器可获取电网的突变信号，提高了定位精度，本发明的定位误差＜120m；(4)第一、二高频屏蔽电缆均采用双屏蔽结构，一层屏蔽的大电缆内部含有两根单屏蔽电缆，信号线两端分别连接传感器与前置模块，内层屏蔽与前置模块的地相连，外层屏蔽与传感器的地相连，提高行波信号传输的抗干扰能力；(5)母线电压互感器输出的三相电压信号经波形变换模块转换方波后，输入到前置模块，可以记录电压波形过零时刻的绝对时间，用于检测故障定位装置运行是否正常，也可以用于电网电压向量的相角测量。
图1本发明实施例的结构框图。
图2穿芯式行波传感器及其接线。
图2(a)为图2中穿芯式行波传感器的屏蔽盒的结构示意图。
图3分压式行波传感器及其接线。
图4本发明的现场实验测试主接线。
图5高阻接地故障实验行波传感器输出波形。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的结构如图1所示，由定位计算机1、通信模块2、GPS计时模块3、前置模块4、第一高频屏蔽电缆5、穿芯式行波传感器6、第二高频屏蔽电缆7、分压式行波传感器8、波形变换模块9等组成。套接在电容性设备(电容式电流互感器CT末屏、变压器套管末屏、穿墙套管末屏等)接地线上的穿芯式行波传感器1把故障行波波头准确、无时延的变换成10-500V以下的信号，经第一高频屏蔽电缆5送至前置模块4的输入端；同时连接在电压互感器开口三角形绕组的分压式行波传感器8也把故障行波波头准确、无时延的变换成10-500V以下的信号，经第二高频屏蔽电缆7送至前置模块4的输入端；前置模块4进行突变信号检测，把故障行波信号的波头变成一个一定幅值、一定宽度的脉冲信号，输出到高精度的GPS计时模块3，锁定脉冲信号突变时刻的绝对时间，高精度的GPS计时模块3采用大规模可编程逻辑电路FPGA实现，对一块GPS接收板输出的授时精度不小于50ns的1pps(一秒一次脉冲)信号和100MHz的恒温晶振信号进行比对，产生分辨率达10ns误差小于100ns的高精度时钟。行波到达时间由通信模块2送至定位计算机1，定位计算机1完成故障定位计算、显示及打印等功能；通信模块2和定位计算机1之间的数据交换可以通过光纤/微波/载波/电话线中任一介质实现。波形变换模块9将母线三相电压波形转换为方波输出到前置模块4，实时测量三相电压波形过零点绝对时间，由线路两端测量的时间差进行相角计算。
上述定位计算机1完成故障定位计算过程为(1)线路AB非故障时，利用线路两侧变电站A和B测量的突变信号到达时间差ΔT0＝|tA0-tB0|和行波传输速度V，精确标定该线路的实际长度
LAB＝ΔT0·VV接近光速，可取2.98×108m/s；(2)线路AB故障时，故障产生行波的起始波头以接近光速V向线路两侧传播，到达A、B两侧变电站时间为tA、tB。则故障点距A侧距离LA为LA＝[ΔT0+(tA-tB)]V/2如图2所示，穿芯式行波传感器由环形高频铁氧体铁心上单层绕制5-50匝线圈，线圈N输出接瞬态电压抑制器TVS以及由R1和R2构成的分压器，分压器输出电阻R2上并联压敏电阻Ym，限制输出电压在10-500V以下，线圈N电压分压器与电缆波阻抗匹配，即R1//R2＝Zc，Zc为高频屏蔽电缆波阻抗.穿芯式行波传感器安装在一个由非磁性材料(铝，铜，不锈钢)制成有开口的环形屏蔽盒中，其结构如图2(a)所示。图中11为环形屏蔽盒，12为铁芯，13为线圈；穿芯式行波传感器能抑制工频信号，只传输10KHz以上的高频突变信号，传感器输出时延Δtf如下当电流波头时间tf＜0.5μs，输出电压波头时延Δtf＝50ns；当电流波头时间0.5μs＜tf＜＝5μs，输出电压波头时延Δtf＜15％tf。时延Δ为输出电压波头时间减电流波头时间，tf为电流波头时间。
安装时，穿芯式行波传感器6与一次设备无直接的电位联系，不在变电站运行设备接地线上串接任何电感、电容或其组合的元器件，对电力系统运行不会产生任何影响。如图3所示，分压式行波传感器并接于电压互感器开口三角形绕组上，电阻R1和R2构成分压器，分压输出电阻R2两端并联有压敏电阻Ym、瞬态电压抑制器TVS。对于高压原边A，B，C三相对称的电压，电压互感器开口三角形绕组输出电压0，而任何不对称的电压，开口三角形绕组总是有输出电压的。输电网的故障80％以上是单相故障，高压原边的电压，无论是故障暂态电压还是故障稳态电压都是三相不对称的。三相故障却不同，它的故障稳态电压是三相对称的，但由于三相故障是由单相故障发展而成的.故障发生的时刻是有时差的.因此，三相故障时故障暂态电压尤其是起始部分却是三项不对称的.这样，无论单相故障，二相故障，还是三相故障.故障行波总是三相不对称的.开口三角形绕组必然有反映故障行波的电压突变输出，采用高额电阻分压器把它变换成10-500V信号。图2和3中，高频屏蔽电缆采用双屏蔽结构，一层屏蔽的大电缆内部含有两根单屏蔽电缆，信号线两端分别连接传感器与前置模块，内层屏蔽与前置模块的地相连，外层屏蔽与传感器的地相连，提高行波信号传输的抗干扰能力。
如图4所示一电网故障定位实例，穿芯式行波传感器套接在电容性设备接地线上，如电容式电压互感器CVT地线、电容式电流互感器CT末屏接地线和变压器套管末屏接地线上等，分压式行波传感器连接在母线电压互感器开口三角形绕组上，对线路进行高阻接地故障实验。
实验测试波形如图5所示，图中ch2为电容式电压互感器CVT A相地线上套接的穿芯式行波传感器输出波形，ch4为B相电流互感器CT末屏地线上套接的穿芯式行波传感器输出波形，ch5为变压器A相电流互感器CT末屏地线上套接的穿芯式行波传感器输出波形。图中穿芯式行波传感器输出波形均能反映故障行波波头到达变电站的突变信号，且故障相(A)测量的波形要大于非故障相(B)波形；由于CVT对地电容大于变压器套管对地电容和电容式电流互感器CT套管对地电容，故电容式电压互感器CVT地线上测量的波形突变最大，最易于测量；分压式行波传感器输出的波形也具有较大的幅值，便于测量，且分压式传感器制作和安装方便，在设计故障行波定位网络中，应优先选择安装分压式行波传感器。
在该电网故障接地实验中，安排了两个故障点(图4中X点和Y点)进行实验测试，分别测量了高阻接地故障和低阻接地故障。故障定位结果显示定位误差均小于120米；行波传感器测量波形显示接地故障电阻对暂态行波信号影响较小，故障行波定位能够对短路、接地、断线、雷电等各种类型故障进行定位。
由于电网突变信号很少出现，为了实时检测故障定位系统运行是否正常，图1中设计了一装置监测回路，将母线三相电压波形转换为方波，实时测量三相电压波形过零点绝对时间，由线路两端测量的时间差进行相角计算。该故障定位装置已经在220kV输电线路上试运行6个月，运行结果显示相电压波形过零点绝对时间测量误差小于为1μS，相角测量误差小于0.018°，表明该电网故障定位系统同时可以实现高精度的相角测量。
权利要求
1.一种基于行波时差的输电网故障定位方法，包括以下步骤(1)由传感器获取电网突变信号；(2)记录每个突变信号出现的精确时刻，(3)定位计算机收集各变电站记录的突变信号到达时刻；(4)定位计算机计算非故障线路的实际长度和故障点精确位置；其特征在于步骤(1)中由并联在电压互感器开口三角形绕组的分压式行波传感器获取电网突变信号。
2.根据权利要求1所述的基于行波时差的输电网故障定位方法，其特征在于所述步骤(1)中还包括在变压器套管末屏或穿墙套管末屏接地线上套接穿芯式行波传感器获取电网突变信号。
3.一种基于行波时差的输电网故障定位装置，其特征在于，包括分压式行波传感器，并接于电压互感器开口三角形绕组，用于检测电压互感器开口三角形绕组电压的突变信号，第二高频屏蔽电缆，耦接分压式行波传感器和前置模块，用于将分压式行波传感器的输出信号送到前置模块的输入端。前置模块，其输入端与第二高频屏蔽电缆耦接，用于进行突变信号检测，测量信号的变化陡度和大小，把故障行波信号的波头变成一个一定幅值、一定宽度的脉冲信号；GPS计时模块，其输入端与前置模块的输出端耦接，用于锁定前置模块的输出脉冲信号突变时刻的绝对时间；通信模块，分别与GPS计时模块、定位计算机耦接，用于将行波到达时间送至定位计算机；定位计算机，用于接收通信模块发送的信号，并完成故障定位计算、显示及打印等功能。
4.根据权利要求3所述的基于行波时差的输电网故障定位装置，其特征在于还包括穿芯式行波传感器，套接于电网电容性设备接地线上，用于检测电网电容性设备接地线上入地电流的突变信号；第一高频屏蔽电缆，耦接穿芯式行波传感器和前置模块，用于将穿芯式行波传感器的输出信号送到前置模块的输入端。
5.根据权利要求3所述的基于行波时差的输电网故障定位装置，其特征在于所述的穿芯式行波传感器在环型磁性材料铁芯上绕制线圈，线圈输出接瞬态电压抑制器和分压器，线圈电压分压器与电缆波阻抗匹配，即R1//R2＝Zc，Zc为第一高频屏蔽电缆波阻抗，穿芯式行波传感器外部设有屏蔽盒，屏蔽盒为由非磁性材料制成有开口的环形盒。
6.根据权利要求5所述的基于行波时差的输电网故障定位装置，其特征在于所述的穿芯式行波传感器的分压器输出电阻上并联压敏电阻。
7.根据权利要求5所述的基于行波时差的输电网故障定位装置，其特征在于所述的穿芯式行波传感器的铁芯为环形高频铁氧体。
8.根据权利要求5所述的基于行波时差的输电网故障定位装置，其特征在于所述的穿芯式行波传感器是在环形高频铁氧体铁芯上单层绕制5-50匝线圈。
9.根据权利要求3或4所述的基于行波时差的输电网故障定位装置，其特征在于所述的第一高频屏蔽电缆和第二高频屏蔽电缆均采用双屏蔽结构，一层屏蔽的大电缆内部含有两根单屏蔽电缆，信号线两端分别连接传感器与前置模块，内层屏蔽与前置模块的地相连，外层屏蔽与传感器的地相连；
10.根据权利要求3所述的故障定位装置，其特征在于还包括波形变换模块，分别与母线电压电压互感器、前置模块耦接，用于将电压互感器输出的三相电压信号变换为方波信号输出到前置模块的输入端。
全文摘要
本发明公开了一种基于行波时差的输电网故障定位方法及装置，在电网各变电站中任一电容性设备地线上套接穿芯式行波传感器或在电压互感器开口三角侧并接分压式行波传感器获取电网突变信号，记录每个突变信号出现的精确时刻，由定位计算机收集各变电站记录的突变信号到达时刻；定位计算机计算非故障线路的实际长度和故障点精确位置。同时波形变换模块将母线三相电压波形转换为方波输出到前置模块，可用于电网相角测量。本发明容易实施、可靠性高，可实现电网故障的高精度定位。
文档编号G01R31/08GK1553208SQ200310110670
公开日2004年12月8日 申请日期2003年12月18日 优先权日2003年12月18日
发明者曾祥君, 周延龄, 林干 申请人:湖南湘能许继高科技股份有限公司