架空线-海底电缆混合线路组合行波测距方法

梁凤强, 陈平, 徐林, 韩铭雪

(山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博　255049)



架空线-海底电缆混合线路组合行波测距方法

梁凤强, 陈平, 徐林, 韩铭雪

(山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博255049)

分析了架空线-海底电缆混合输电线路在发生故障后行波的折、反射过程,并在此基础上提出一种架空线-海底电缆混合输电线路组合行波测距方法，首先通过故障初始行波浪涌到达线路两侧测量装置的时间差来判定故障区段，再由单端原理给出准确的测距结果，本方法消除了双端测距方法测距精度受给定线路长度误差以及双端时间不精确同步问题的影响。PSCAD仿真表明，所提方法可以准确的给出测距结果，具有良好的现场应用价值。

架空线；海底电缆；混合输电线路；组合行波；测距方法

0　引　言

与架空线相比，电缆线具有输电可靠性高、节省可用空间以及美化城市等优点，从而在我国城市输电网络中得到广泛的应用，在原有的架空线输电网络中逐步发展为电缆—架空线两段混合输电线路输电网络)[1-3]。而且为了解决供电线路跨越海峡和大水道的特殊问题，出现了许多高压架空线-电缆-架空线三段混合输电线路。例如，海南联网工程就采用了500 kV架空线-海底电缆-架空线三段混合输电线路。由于存在两种不同波阻抗的输电线路，从而使得故障行波在输电线路中的传播过程更加复杂。当混合输电线路发生故障后，测距方法的测距精度越高，更有利于提高供电可靠性和减少经济损失。

目前,许多学者针对于普通架空线-电缆混合输电线路已经提出了多种测距方法，大致可以分为阻抗法以及行波法。阻抗法受故障初始角、线路故障类型以及过渡电阻等因素的影响较大，测距精度相对较低[4-7]。而行波测距方法则是利用混合输电线路发生故障后故障行波波头到达输电线路两侧的时间通过测距算法来给出测距结果，行波法的优势在于不受故障初始角、过渡电阻、故障类型以及线路参数沿走廊分布不均匀等因素的影响[8-13]。对于架空线-海底电缆-架空线三段混合的输电线路故障定位的方法，目前很少有学者研究。

文献[14]针对海南联网500 kV混合输电线路提出了一种基于时间中点的双端行波故障测距算法,但此方法需要确定时间中点以及搜索方向，而且确定的是故障的空间距离，受双端时间同步误差的影响。文献[15]提出了利用分段补偿原理来进行混合输电线路故障测距的方法，但此方法测距误差受双端线路给定长度误差以及双端时间同步误差的影响。

提出一种适用于架空线-海底电缆混合输电线路的组合行波测距方法，首先通过故障初始行波到达线路两侧的时间差来判定故障区段，再由单端原理给出准确的测距结果。

1　混合输电线路故障行波传播特性

图1　混合输电线路故障行波传播示意图

图1中，F表示输电线路故障点，Q和P分别表示架空线路与电缆线路的连接点。LO1、LC、LO2分别表示架空线MQ段、电缆QP段和架空线NP段总长度，LMF表示故障点到母线M端的距离。tM和tN表示故障行波到达混合线路母线M端和N端的绝对时刻,tMi和tNi(i=1,2,3)为线路M与N端测量装置接收到第i个波形的时刻。

2　架空线-海底电缆混合输电线路组合行波测距方法

2.1故障区段的确定

分别计算当架空线MQ段中点A处、海底电缆与架空线的连接点Q处、海底电缆QP段中点B处、海底电缆与架空线的连接点P处以及架空线NP段中点C处发生故障时故障初始行波到达母线两侧的时间差来作为整定值序列，即：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5、分别表示架空线MQ段中点A、电缆与架空线的连接点Q处、电缆QP段中点B、电缆与架空线的连接点P处以及架空线NP段中点C处发生故障时故障初始行波到达母线两侧的时间差值,故障行波在海底电缆以及架空线中的传播速度分别用vC和vO来表示。

当混合输电线路发生故障时，故障行波第一次、第二次以及第三次到达母线M端和N端的时间分别记为tM1和tN1、tM2和tN2。令Δt=tM1-tN1，若Δt<ΔT1时，判定故障点位于架空线MA段且线路M端第二次接收到的波形为故障点的反射波；若Δt=ΔT1时，判定故障点位于架空线MQ段的中点A处；若ΔT1<Δt<ΔT2时，判定故障点位于架空线AQ段且M端第二次接收到的波形为架空线与海缆的连接点Q的反射波；若Δt=ΔT2时，判定故障点位于海缆与架空线的连接点Q处；若ΔT2<Δt<ΔT3，判定故障点位于海底电缆QB段且M端第二次接收到的波形为故障点反射波；若Δt=ΔT3时，判定故障点位于海底电缆QP段的中点B处；若ΔT3<Δt<ΔT4，判定故障点位于海底电缆BP段且M端第二次接收到的波形为故障点反射波；若Δt=ΔT4时，判定故障点位于海底电缆与架空线的连接点P处；若ΔT4<Δt<ΔT5时，判定故障点位于架空线PC段且M端第二次接收到的波形为故障点反射波；若Δt=ΔT4时，判定故障点位于架空线NP段的中点C处；若Δt>ΔT5时，判定故障点位于架空线NC段且M端第二次接收到的波形为N端母线的反射波。

2.2故障测距结果的给定

若故障点位于架空线MA段，故障点F到母线M侧的距离由单端原理给出：

(6)

若故障点位于架空线AQ，故障点F到母线M侧的距离由单端原理给出：

(7)

若故障点位于电缆QB段，故障点F到母线M侧的距离由单端原理给出：

(8)

若故障点位于电缆BP段，故障点F到母线M侧的距离由单端原理给出：

(9)

若故障点位于架空线PC段，故障点F到母线M侧的距离由单端原理给出：

(10)

若故障点位于架空线NC段，故障点F到母线M侧的距离由单端原理给出：

(11)

3　仿真验证

3.1仿真模型参数

利用电磁暂态仿真软件PSCAD建立如图2所示500 kV架空线-海底电缆混合线路模型，其中，M端和N端的系统电抗均为0.031 4 Ω，电源初始角为30°，L1为124.411 km，L2为31.4 km，L3为13.468 km，F1点距离M端的距离30 km,F2点距离M端的距离139.411 km，F3点距离M端的距离161.811 km，仿真频率为1 MHz，仿真模型如图2所示。

图2　500 kV架空线-海底电缆混合输电线路电路图

图3　500 kV架空输电线路结构图

模型中架空线的参数为：水平布置的不换位架空输电线路结构如图3所示。图中，C1、C2分别表示架空地线，C3、C4、C5分别表示架空输电线路A、B、C三相导线，导线选用LGJQ-300×4，直径23.7 mm，4分裂，裂相距离45 cm，直流电阻0.108 Ω/km。地线选用2×LHGJJ-90(分段接地)，直径14.84 mm，直流电阻0.374 Ω/km。

根据架空线依频特性参数可求得故障行波在架空线路中的传播速度为294 km/ms。

电缆的依频特性参数如图4所示。

图4　500 kV电缆依频特性参数分布图

图中，Conductor表示导体层，Insulator1表示绝缘层，Sheath表示金属屏蔽层，Insulator2表示绝缘屏蔽层，Armour表示铠装层，Insulator3表示外护层，根据电缆依频特性参数可求得行波在电缆线路中的传播速度为192 km/ms。

将所给参数代入公式(1)-(5)可求得：ΔT1=-209.4 μs，ΔT2=213.8 μs，ΔT3=377.4 μs，ΔT4=540.9 μs，ΔT5=586.7 μs。

3.2F点故障

设t=0时，在F1点发生A相接地短路故障，过渡电阻为80 Ω，故障初始角为90度。混合线路两端采集的故障电流与故障电压行波波形如图5所示。

图5　F1点故障时M和N端的故障相电流与电压行波波形

通过对M端和N端接收到的故障相电流与电压暂态波形的分析，可得故障行波浪涌到达M端和N端的时刻分别为tM1=102 μs，tM2=306 μs，tN1=530 μs。可计算出Δt=tM1-tN1=-428 μs，显然Δt<ΔT1，故判定故障点位于架空线MA段，由式(6)可计算出故障点F到母线M端的距离：LMF=29.988 km，测距误差为12 m。

表1给出了500 kV架空线-海底电缆混合线路6个不同点发生单相接地故障时，双端行波测距方法所得到的测距结果与误差。

表1　 500 kV架空线-海底电缆混合线路故障仿真的测距结果

从表1中的测距结果中可以看出，在500 kV架空线-海底电缆混合线路中用双端行波测距方法测距的误差一般在150 m以内。可见本文所提出的架空线-海底电缆混合输电线路组合行波测距方法可准确可靠地判断架空线—电缆混合线路故障点所在的具体位置。

4　结束语

分析了架空线-海底电缆混合线路故障后暂态行波的折、反射现象，提出一种适用于合输电线路的组合行波测距方法，该方法消除了双端测距方法测距精度受给定线路长度误差以及双端时间不精确同步问题的影响，PSCAD仿真表明，测距精度明显提高，具有良好的现场应用价值。

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A Locating Method through the Combined Traveling Wave of the Overhead line-submarine Cable Hybrid Line

LIANG Feng-qiang, CHEN Ping, XU Lin, HAN Ming-xue

(College of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255049, China)

After analyzing refraction and reflection processes of the traveling wave on the overhead line - submarine cable hybrid transmission line after fault occurrence, this paper presents a locating method through combined traveling wave. First, the difference between arrival times of the initial fault traveling wave surge at the measuring devices arranged at the two sides of the line is used to judge the fault section. Then, an accurate locating result is given in the single-end principle. This approach eliminates the influence of locating accuracy by the length error of the given line and by inaccurate time synchronization between the two ends in the case of double-end locating. PSCAD simulation results show that the proposed approach can give an accurate locating result and has a good value of application in the field.

overhead line; submarine cable; hybrid transmission line; combined traveling wave;locating method

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.024

TM721

A

1000-3886(2016)02-0076-04

梁凤强(1990-)，男，山东临沂人，硕士生，研究方向：电网故障检测与定位。

陈平(1969-)，男，重庆丰都人，教授；主要研究方向：电力系统继电保护。

定稿日期: 2015-09-06