输电线路故障测距定位研究

目录1绪论..........................................................................11.1故障测距定位的意义和作用.................................................11.2输电线路的故障和对故障测距装置的基本要求..................................11.3故障测距技术的发展.......................................................31.4论文主要研究内容.........................................................52高压输电线路故障测距方法.......................................................62.1阻抗法...................................................................62.2行波法...................................................................62.3故障分析法...............................................................82.4各种故障测距方法的比较..................................................132.5本章小结................................................................143线路模型的建立和信号提取技术..................................................153.1输电线路的数学模型......................................................153.2数字滤波算法............................................................193.3本章小结................................................................224单回线双端电气量故障测距算法..................................................234.1双端电气量故障测距算法..................................................234.2相模变换................................................................254.3正序故障分量的提取......................................................264.4本章小结................................................................275基于MATLAB的数字仿真.........................................................235.1MATLABPSB模块简介......................................................295.2仿真原理................................................................305.3双端电气量故障测距算法数字仿真..........................................315.4本章小结................................................................44结论...........................................................................45致谢...........................................................................46参考文献......................................................................4711绪论1.1故障测距定位的意义和作用输电线路是电力系统的重要元件，担负着输送电能的重任。随着电力工业的飞速发展，电网的规模日益扩大，结构也日益复杂，输电线路的电压等级越来越高，长输电线路的架设也越来越多。随着输电线路的距离越来越长，线路经过的环境更加纷繁复杂，故障的次数也就不可避免地会增加。输电线路故障分为瞬时性故障和永久性故障。瞬时性故障造成的局部绝缘损伤一般没有明显的痕迹，给故障点的查找带来很大的困难。但是这类瞬时故障往往发生在系统的薄弱点，需尽快找到加以处理，以免再次故障而危及电力系统的安全稳定运行。永久性故障的排除时间的长短则直接影响到输电线路的供电和电力系统的安全稳定运行，排除时间越长，则停电造成的损失越大，对电力系统安全稳定运行的影响也越大。因此，线路故障后准确而快速的找到故障点，有助于故障的快速排除，对电力系统的持续稳定和经济运行都有非常重要的意义。长输电线路的输电距离长，沿线经过的地域广阔，地理环境复杂，不依靠故障定位装置提供的故障点位置的帮助要找到故障点无异于大海捞针。因此，精确的故障定位对于长输电线路发生故障后故障位置的查找显得尤其重要。故障定位装置又称为故障测距装置，是一种根据输电线路的电气量测定故障点位置的自动装置。它能根据不同的故障特性迅速准确地判定故障点，及时发现绝缘隐患，对故障排除起着非常重要的作用。论文研究有助于及时排查故障并修复线路供电以保证供电的可靠性，可大量节省查线的人力物力，减轻工人繁重的体力劳动，从技术上保证电网的安全稳定运行，具有巨大的社会和经济效益。1.2输电线路的故障和对故障测距装置的基本要求1.2.1输电线路的故障输电线路的故障大致分为两类：横向故障和纵向故障。横向故障是指我们通常所说的单相短路接地故障、两相短路接地故障、两相相间短路故障及三相短路故障。纵向故障即断线故障，如一相断线、两相断线。除了这些故障类型外，还有转换性故障等复杂类型。单相短路接地故障的几率最大，占输电线路故障总数的80％左右，其次是两相短路接地故障。两相相间短路故障几率很小，约占2％－3％，其原因多半是由2于两相导线受风吹摆动造成的。三相短路故障都是接地的，几率也是最小的，约占1％－3％。绝大多数三相故障都是由单相和两相故障发展来的[1]。输电线路故障不外乎是绝缘击穿和雷击造成的。绝缘子表面的闪污、闪湿，绝缘内部击穿，雷电闪络，风刮导致的线间闪络，线路通过鸟兽或树木放电等都是造成输电线路短路故障的原因。输电线路发生纯金属性短路故障的几率很少，大多数在故障点是有过渡电阻的。过渡电阻一般包括电弧电阻和杆塔接地电阻。根据电弧情况可以把短路故障分为两种。一是大电流电弧故障，闪络通过对地绝缘子或相间发生，电弧通道较短。二是小电流电弧故障，如架空线通过树枝对地放电等，电弧通道较长。研究表明，对大电流电弧故障，电弧电阻一般为2－20。但对输电线路对外物放电的小电流电弧故障，则过渡电阻将很大，有几十欧姆甚至几百欧姆。短路过渡电阻的存在是影响故障定位精确度的一个重要因素[2～4]。1.2.2对故障测距装置的基本要求为了充分发挥故障定位的上述作用，故障测距定位装置在准确性、可靠性、经济性以及方便性等反面应满足一定要求。a)可靠性可靠性包含不拒动和不误动两方面的内容，不拒动指装置在故障发生后能可靠的测定故障点的位置，不应由于测距原理、方法或制作工艺等任何问题使装置拒绝动作；不误动指装置在测距以外的任何条件下不应错误的发出测距的指示或信号。装置应能测定永久性也能测定瞬时性故障。b)准确性准确性是对故障测距装置的最重要的要求，没有足够的准确性就意味着装置失效。衡量准确性的标准是测距误差，它可用绝对误差和相对误差表示。绝对误差以长度表示，例如10m,50m等。相对误差以被测线路的全长的百分比表示，例如2%，5.3%等。工程实际中希望装置的误差越小越好，实际上由于技术和经济上各种因素的限制和制约，误差通常规定不应大于一定的指标。例如，对高压架空线来说，测距的绝对误差应在1km以内，相对误差应小于1%。为了提高测距精度只要考虑下列因素：1)装置本身的误差。主要是指硬件引起的误差和软件中数学模型和算法的误差。2)故障点的过渡电阻。故障点存在过渡电阻会给某些测距原理带来误差突出表现在利3用单端电气量实现测距的装置中。3)对端系统阻抗。一些算法要涉及到线路两端系统的综合阻抗，但是电力系统的实际运行方式在不断变化，所以给定的系统阻抗很难和故障时的实际情况一致，这就会给测距装置带来误差。4)线路的分布电容。高压输电线路实际上是分布参数电路，但是目前仍有很多的测距算法采用集中参数模型。对短线路来说这种模型是可行的，但对较长线路就会产生较大的误差。5)线路不对称。输电线的参数由其结构决定。对于不完全换位的线路，线路不对称也将引入测距误差。故障测距的准确性与可靠性是有关联，可靠性是准确性的前提要求，离开可靠性来谈论准确性是没有意义的。另一方面，如果测距误差太大，也可以说测距结果不可靠。c)经济性装置应具有较高的性能价格比。随着微电子技术的迅速发展，各种测距装置的硬件成本会越来越低。而各种数字信号处理技术的广泛应用，又会使得故障测距装置的性能得到不断提高和完善。如果装置能够同时监视多条线路，无疑还会进一步提高其性能价格比。d)方便性方便性主要体现在调试和使用上，装置应自动给出测距结果，不用或尽量减少人的工作量[4]。实际上，以上各项要求很难同时得到较好的满足。一种合适的测距装置应该是以上所有指标的综合平衡，但可靠、准确是任何一种测距装置都必须满足的要求。1.3故障测距技术的发展长期以来,对故障定位,也就是故障测距问题的研究一直受到电网运行、管理部门和专家学者的普遍重视,国内外已经进行了几十年测距技术有了较大的发展。早在1935年，输电线路故障指示器就在34.5kV和230kV的输电系统中投入运行,尽管当时的故障定位器是指针式仪表，并需要与调度中心交换信息，但对测定故障点位置仍有较大帮助。在AIEECommittee1955年的报告“故障定位方法总结和文献目录”中，给出了1955年以前的有关故障测距的文献就有120篇[5]。受科技和生产力发展水平的限制，早期的故障测距装置测距精度不高，并且需要非常丰富的实际操作经4验才能做出判断。二战后，故障测距技术的发展步伐加快，美、法、日等国都取得了不少新进步[6]。经过了60多年的研究和开发，故障测距技术有了很大的发展，提出了许多新的测距原理和方法，很多故障测距装置也已经投入了运行。七十年代中期以来，随着计算机技术在电力系统中的应用，尤其是微机保护装置的开发和大量投运，给高压输电线路故障测距的研究注入了新的活力，加速了故障测距实用化的进程。而随着微机型故障录波器的发展，完全可以在不增加硬件设备而只增加部分软件的情况下实现故障测距。这样就使故障测距技术和故障录波技术有机的结合起来，从而赋予了故障录波器新的功能。近年来，基于微机或微处理装置的故障测距方法研究在国内外都非常活跃，已经成为最热门的研究课题之一。但微机故障测距技术出现的时间毕竟不长，无论在理论上还是实际应用中都有不少改进之处。过去甚至于目前，大量故障测距的方法仍是根据故障录波器记录的短路电流，对照事先已经计算好的某一种最接近运行方式下的短路电流曲线，以此