高压输电线路行波故障选相及测距研究

王国义，袁涛

高压输电线路行波故障选相及测距研究

王国义，袁涛

（安徽机电职业技术学院 互 联网与通信学院，安徽 芜湖 241002）

针对电力系统高压输电线路上故障相别和故障点测距问题，提出一种行波故障选相及单端测距分析法。通过提取输电线路在发生故障时暂态过程包含的大量故障特征信息，利用凯伦贝尔变换方法将三相电压、电流进行相模转换。根据不同短路故障下,, 0模分量之间的关系进行故障选相和输电线路故障点的定位。最后通过建立的双源电力系统短路故障仿真模型数据分析结果验证了所提方法的有效性。

短路故障；相模变换；故障选相；故障定位

由于输电线路距离远，输电线路裸露在复杂环境中等原因，增加了输电线路发生短路故障的概率[1-2]。一旦发生短路故障会造成电力网络的大面积停电，将严重危害经济生产以及人民生活安全。

在电力系统中，可能发生的短路类型有以下四种：单相接地短路，两相接地短路，两相相间短路和三相短路。产生短路的原因通常包括输电线路绝缘材料老化、设计缺陷、大风/冰冻等自然灾害、人员违规操作、鸟兽/树枝/塑料膜等物体跨接线路等[3]。因此，在故障发生时实现快速、精准的故障类型判断和故障定位，对于降低经济损失至关重要。

1 行波

1.1 行波基本概念

电力系统输电线路在电能传输过程中，电压加载在输电线路上，电流通过导线，输电线路导体周围空间同时存在磁场和电场。当输电线路电压随着时间变化时，其周围的电场和磁场也随着发生相应变化，类同电磁波传播一样，输电线路上的电流、电压同样以电磁波的形式在线路上传播。

电力系统输电线路正常工作时，线路上的电流和电压都呈现为正弦波形或余弦波形，但输电线路发生短路时，线路上的电流以及电压波形将发生变化[4-5]。由于输电线路中存在分布电容以及分布电感的关系，所以短路故障产生的电压和电流会以电磁场波形向线路两端传播形成电压/电流行波。这些故障行波中包含着一些故障分析所需要的信息如：故障距离、故障时间、故障类别、故障相路等。如果能够准确地提取线路故障状况下的电压、电流行波数据并进行分析，就可以准确快速地获得故障信息从而切除故障，维护电力系统的稳定[6]。

1.2 行波基本信息

如果将单根无损的分布参数线路上的电压和电流用线路上的位置和时间为变数的偏微分方程来表示，则可得出下列方程式：

式中，，为线路单位长度的电感和对地电容。

将其分别对和进行微分，经过变换得到波动方程：

对式(3)和(4)求解达朗贝尔（D’Alembert）解为

1.3 相模转换

在三相输电线路中，由于线路之间会发生互感以及相间分布电容和对地分布电容的关系，所以输电线路各个相路之间存在复杂的耦合现象，导致电力系统中各个相路的行波分量不能单独考虑，所以解除各相之间的电磁耦合关系十分必要。通过相模转换将相线上的三个互不独立的电压、电流相分量转换成独立的电压、电流模分量。通过Clarke变换或Karenbauer变换可以实现相模转换[7]。

若利用Clarke变换，则有：

若利用Karenbauer变换，则有：

2 电力系统短路故障仿真与分析

2.1 双源电力系统短路故障仿真模型

为了验证行波短路故障分析方法的有效性，建立如图1所示电力系统模型获得行波仿真数据。图中电源EM1、EM2选用三相电源模块，基准线电压设置为110kV，采用Yg型连接，频率设置为50Hz。输电线路L1, L2, L3, L4选用分布参数输电线路，其单位长度电阻设置为[0.02083 0.11480]，单位长度电感设置为[0.008984 0.022886]，N设置为3，L1和L2长度分别设置为100和200km，L3和L4长度设置为20km。变压器选用Three-Phase Transformer（Two Windings）模块，其变压比设置为110kV/11kV。负载load1，load2选用串联RLC负荷模块，其线电压设置为11kV，有功功率设为1MW。故障发生模块选用三相故障发生模块。求解算法选用ode23tb算法。To File模块和To File1模块用来测量A, B端的行波电流、电压数据并存储。

图1 双源电力系统短路故障模型

2.2 双源电力系统短路故障仿真分析

在双源电力系统模型中设置四类模拟短路故障：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路。故障仿真时间设置为[0.035 0.050]，选择故障点处的三相电压和电流波形为采样数据，观测到不同短路状态下电压、电流波形的变化如图2所示，图中三相电流和电压波形分别用A相、B相和C相表示。

图2 不同类型短路故障短路电压、电流波形图

从仿真结果可以看出，在0.035s以前，所有图形中电压波形均呈现标准的正弦波。在0.035s输电线路发生短路故障时，各种故障类型下短路电压波形发生不同变化，图2(a)中A, B, C三相的电压立刻降为0；图2(b)中A, B两相的电压幅值骤降为零，C相电压幅值增大呈正弦波形；图2(c)中A, B两相的电压立刻降低为零，C相电压波形几乎没有变化；图2(d)中A相的电压幅值骤降为零，B, C两相电压幅值基本不变。

在0.035s以前，短路故障未发生，所有仿真图形中三相电流的值均为0。在0.035s输电线路发生短路故障时，各种故障类型下短路电流波形发生不同变化，图2(a)中A, B, C三相电流幅值迅速升高，并呈现近乎正弦波的波形传播；图2(b)和(c)中故障点A, B两相电流幅值迅速升高并呈现近乎正弦波的波形传播；图2(d)中故障点A相线路电流发生变化，电流幅值迅速升高并呈现近乎正弦波的波形传播。

通过故障类型的模拟以及示波器波形的显示，可以看出短路时的暂态电流变得十分大，在实际线路中短路时短路电流由于热效应会产生巨大热量，这就要求线路中导体具有强大的耐热性。下文将以此采样数据为依据，进行短路故障选项和测距分析。

3 行波故障选相

3.1 选取行波的输入信号

电流，，线模和0模分量关系如下所示

3.2 故障选相的判别条件

表1 电力系统短路故障选相判别条件

4 结束语

本文通过MATLAB软件建立了一个双源电力系统仿真模型，模拟电力系统故障并对输电线路上的行波信号进行分析。通过提取输电线路上的电流故障行波，根据凯伦贝尔变换公式进行相模转换得到三相电流的,,和0模分量，以此作为故障选相的判别条件。同时编写实验程序进行故障选相，并根据单端行波测距法进行故障定位。仿真结果验证了行波分析法对电力系统短路故障选相以及故障测距具有较高的准确性。

表2 行波测距仿真结果

[1] 余泽轩，帕孜来，马合木提. 基于小波分析的输电线路多端电压行波故障定位[J]. 现代电子技术，2021, 44(20): 117-120.

[2] 高淑萍，邵明星，宋国兵，等. 一种适用于中压直流配电网单极故障的保护方法[J]. 湖南大学学报（自然科学版），2021, 48(08): 78-89.

[3] 梁馨予. 同塔多回输电线路故障选相研究[D]. 赣州：江西理工大学，2021.

[4] 王守鹏，赵冬梅，袁敬中，等. 一种用于同塔双回线故障定位的新相模变换法[J]. 西安理工大学学报，2020, 36(03): 432-438.

[5] 孔垂祥，杨岸，祝龙记. 基于小波变换的双端输电线路行波故障定位[J]. 重庆工商大学学报（自然科学版），2019, 36(05): 31-36.

[6] 齐郑，杭天琦，林健雄，等.含单相配电支路的配电网单相接地故障行波测距技术[J]. 电力系统自动化，2018, 42(20): 144-149, 176.

[7] 张礼得，李晓明，李磊，等. 接触网单端故障行波定位方法研究[J]. 武汉大学学报（工学版），2018, 51(06): 522-527.

[8] 闫红艳，高艳丰，王继选，等. 同杆双回线路行波故障测距的关键问题研究[J]. 电力系统保护与控制，2018, 46(04): 120-128.

Study on fault phase selection and fault location of traveling wave in transmission line

WANG Guo-yi，YUAN Tao

(School of Internet and Communication, Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering, Anhui Wuhu 241002, China)

In connection with the problem of fault phasing and fault location on high voltage transmission lines in power system, this paper proposes a traveling wave fault phase selection and single-ended location analysis method. By extracting a large amount of fault feature information contained in the transient process of the transmission line when a fault occurs, the three-phase voltage and current are converted into phase-mode using the Karen Bell transform method.According to the relationship between,and 0 mode components under different short-circuit faults, the fault phase selection and the location of the fault point of the transmission line are carried out. Finally, the effectiveness of the proposed method is verified by the data analysis results of the established dual-source power system short-circuit fault simulation model.

short circuit fault；phase mode transformation；fault selection；fault location

2022-02-17

安徽省高校自然科学研究项目（KJ2020A1113）；安徽机电职业技术学院科技创新团队项目（2021kjtd09）

王国义（1985-），男，安徽阜阳人，讲师，硕士，主要从事计算机控制技术与嵌入式应用研究，ahjdwgy@126.com。

TM75

A

1007-984X(2022)04-0020-05