利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法
【专利摘要】传统的线路双曲函数模型多用于工频稳态量的相量计算，本文利用拉氏变换将该模型进行了改进，结合配网电缆单相接地故障后的零模网络，提出了一种利用暂态主频量的单端测距算法，并分别通过频域法和时域法的求解，得到了故障距离。其中，频域法消除了过渡电阻的影响，时域法利用采样点的冗余性进行了结果优化。大量的EMTP仿真实验结果，验证了该方法的正确性，且不受过渡电阻、中性点运行方式、故障初始角等因素的影响，其测距的最大相对误差小于0.231%，平均测距误差小于20米，能够满足实际工程需求。
【专利说明】利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及配网电缆单相接地故障测距技术，具体设计一种利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的高速发展和城市电网改造工作的开展，各种类型的电力电缆在高低压输配电上得到了广泛的应用，其数量越来越多，许多城市的IOkV配电线路几乎全部采用电力电缆供电，部分大城市的IIOkV城市环网也开始进行“下地”改造。同架空线相比，电力电缆具有供电可靠性高，不受地面事物和空间的影响，不受恶劣气候和鸟类侵害，隐蔽、安全、耐用，防潮，防腐和防损伤等优点。
[0003]但是随着电力电缆的大量投运、负荷的不断增长等原因，电力电缆故障出现的情况越来越多，电力电缆的故障直接影响到整个电力系统的安全稳定运行。因此，对电力系统电缆线路故障进行准确的定位是保证电力系统安全稳定运行的有效途径之一。在这个前提下，配网电缆故障测距原理的研究和相关装置的开发就有着重要的理论意义和实用价值。
[0004]目前，大约80%的电缆故障是单相接地故障，远远高于两相接地短路、相间短路等故障发生率，这个特征就决定了配网电缆故障定位研究的重点就是对电缆的单相接地故障的定位方法的研究。我国中低压电网普遍采用的是中性点非有效接地方式(中性点不接地或经消弧线圈接地)，这种运行方式的优点在于发生单相接地故障后，线电压及三相负荷电流可以继续保持对称，不必马上跳闸，能够带故障运行一段时间，尤其是采用中性点经消弧线圈接地方式时，可以自行消除瞬间的单相接地故障，从而减少了停电事故，提高了供电可靠性。但需要注意的是故障后非故障相电压要升高3倍，长期带故障运行会破坏线路绝缘，从而导致更严重的相间故障。因此，配电网电缆线路故障，尤其是单相接地故障的准确定位，不仅对修复线路和保证可靠供电，而且对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的作用。
[0005]为解决配电网电缆故障的准确定位问题，目前的方法主要有两大类:
[0006](I)行波法:其基本原理是识别行波波头，根据其到达测量点的时间，结合行波波速进行故障测距。但由于配电网分支多、结构复杂、线路较短等原因，行波法在配电网中的应用还有待研究；
[0007](2)故障分析法:根据其采用电气量的多少，又可分为双端法和单端法。双端法主要基于从线路两端推算到故障点处，电压相等的原理构建测距方程，其原理简单、可靠，但受双端非同步采样、系统通信设备的制约。另外，故障后的稳态残流微弱，信号不易提取。
[0008]因此，目前研究的热点是利用故障后的暂态信息进行单端法的故障测距。现有的方法主要基于暂态信号的特征频段(SFB)和利用沿线FTU作为检测点，进行故障选线和区段定位。
【发明内容】
[0009]传统的线路双曲函数模型多用于工频稳态量的相量计算，本发明的目的是利用拉氏变换将该模型进行了改进，结合配网电缆单相接地故障后的零模网络，提出了一种利用暂态主频量的单端测距算法，并分别通过频域法和时域法的求解，得到了故障距离。其中，频域法消除了过渡电阻的影响，时域法利用采样点的冗余性进行了结果优化。
[0010]本发明具体为一种利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法，包括有如下步骤:
[0011]步骤(1)、采样故障电缆线路首端(M端)的三相暂态电流信号
(t)和三相暂态电压信号Uma (t)、um (t),uMC (t)。数据的采样频率为10kHz，时间窗为故障后的半周波(IOms)；
[0012]步骤(2)、求取故障电缆线路首端电压的O模分量Umci (t)和电流的O模分量iM(l(t):
[0013]①、对步骤(1)中，采样得到的故障电缆线路的首端三相暂态电压信号序列值Uma(t)、Umb (t)、uMC (t)进行Karenbuaer相模变换,得到故障电缆线路首端电压的O模分量Umo (t)，具体的变换矩阵如下:
【权利要求】
1.一种利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法，包括有如下步骤: 步骤(1)、采样故障电缆线路首端(M)的三相暂态电流信号iM(t)、iMC (t)和三相暂态电压信号Uma (t)、UM (t)、UMC (t); 步骤(2)、求取故障电缆线路首端电压的O模分量Umci (t)和电流的O模分量iM(l (t): ①、对步骤(1)中，采样得到的故障电缆线路的首端三相暂态电压信号序列值Uma(t)、Umb (t)>uMC (t)进行Karenbuaer相模变换,得到故障电缆线路首端电压的O模分量uM(l (t),具体的变换矩阵如下:
2.如权利要求1所述的利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法，其特征在于步骤(6)中，结合步骤(4)、步骤(5)中故障线路的零模等效网络及零模电压电流的象函数表达式，推导并得到单端主频的象函数测距方程，方法如下: 借助O模网络及电流分布图，以零模电流的实际流向为参考方向，得到故障线路的零丰旲等效网络: 故障电缆线路首端(M)的电压电流象函数满足:
Umo (s) -Zeq (s).Imo (s) 同时，由单相接地的特征，可将故障端口的零模电压象函数表示为:
Uf0 (X，s) =-Ua (s) -1f0 (X，s) Rf 式中，Ua(S)为零序网络故障端口的虚拟电压象函数； 假设故障点距离首端(M)的距离为x(km)，由线路分布参数模型，首端(M)零序电压电流与故障端口零序电压的关系为:
Uf0 (X，s) =Umo (s) ch Y (s) x+IM0 (s) Zc (s) sh y (s) x
因此，由上式可得单端测距方程的象函数表达式:
3.如权利要求1所述的利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法，其特征在于所述频域法求解该单端主频测距方程为: 经大量的仿真和实践证实，故障点下游的零模电流较小，因此故障支路零模电流、故障端口左侧零模电流、首端(M)所测得的零模电流近似相等，且暂态主频成分更为接近，故有:
Cf.Imo (S) & IMfo (S) & Ifo (x，s)其中，Cf为测量端零模电流的修正系数，其值> 1，则单端暂态主频测距方程式可简化为:
4.如权利要求1所述的利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法，其特征在于所述时域法求解该单端主频测距方程原理如下: 对单端主频测距方程的两侧进行拉氏反变换，进一步得到关于x、Rf、I皿、δ fZ的主频时域方程为:
【文档编号】G01R31/08GK103941147SQ201310652581
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】唐昆明, 黄翰, 冯彦, 唐辰旭, 胡建, 杨伟, 康丽红, 陈洪波, 孙小江 申请人:国家电网公司, 重庆新世杰电气股份有限公司, 国网重庆市电力公司璧山供电分公司