配电系统中利用故障产生的高频暂态电压信号准确确定短路点的技术.docx
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配电系统中利用故障产生的高频暂态电压信号准确确定短路点的技术
配电系统中利用故障产生的高频暂态电压信号准确确定短路点的技术
概要：
一种关于准确确定架空线路和地下电缆故障的技术。
一种获得故障点产生的高频暂态电压信号而特殊设计的单元，高频元件的传输时间反映于故障点的位置。
这项技术不反映故障类型，故障电阻，故障相角和系统运行方式等，但对配电系统中故障点的位置的判定有很高的准确性。
1.介绍：
当今反映架空线路和地下电缆故障点的方法基本上可以分为两种：
一种是一测量后故障线路阻抗为基础；一种是测量故障产生传输波的元件。
然而，就象任何一种以电力频率为测量基础的方法，由于受到故障路径阻抗等各方面因素的影响，它们的作用都是有限的。
从而，在故障点达到的准确率被限制在整个线路长度的2—3%，而且，在最近几年中也不可能有较大的改进。
理论上，故障产生的行波的形式的方法包含可以正确反映故障点位置的信息，但是以此原理制成的设备仍有很大的缺点。
当电压角度接近零度时，故障不能产生大量传输信号的元件，对于一个很接近的信号，事件的到达和来自母线的它的影响的到达，时间的不同将是非常微小的，以至于不能很好的分开处理。
还有一种技术是使人工智能技术应用到故障的检测和定位，而且，以故障定位为基础的神经网络已得到了很大的发展。
特征的抽取在任何一个以神经网络为基础设计中都是及其重要的一环，研究发现，后故障电力频率信号中将含有更低频率的信号。
因此，象行波等任何一个高频元件都经过过滤。
以判别故障位置和以阻抗大小为基础的设计都是有相同点的。
一种传送线路保护的方法已取得了很大的进展。
这种方案是以发出故障产生的高频暂态电压信号为基础，实验表明这种技术可以获得很高的准确性，同时也证明了这种技术不受故障类型的影响，这和受故障类型影响的阻抗定位装置有明显的区别。
零电压故障对以行波为基础的定位装置是非常严重的。
而对保护由电流产生的故障发出的高频信号是没有影响的。
相似的技术已在行波现象经常出现的345KV输电线路的保护中应用。
抽取高频暂态电压信号的波动的使用已被介绍。
两个基本的系统：
一个使用来自线路末端的记录和来自全球定位卫星的同步记录；另一个是记录在任一条线路的末端。
本文中的这种技术已被应用于架空配电系统和电缆中故障的定位检测。
他依赖于保护故障产生的高频信号和避免长距离输送难以分辨母线和故障点位置的影响，其限制了其它行波技术的应用。
尤其是，使用这种技术，起始角度的故障已不在是问题，因为带有故障角度的高频信号与波上的故障点没有什么不同。
在这个方案中，一个高速的样品被用来捕获故障产生的高频暂态电压信号，为了达到系统中内在的高准确率，样品率是每秒20M个。
在110KV架空线路和地下电缆电路中使用加强电磁探头压力仿真软件模型在本文的结论中可以获得。
几个不同结构的配电系统和故障位置用来检测这种故障检测器的效果。
2.基本原理和检测器的设计
输电线或电缆上的系统电压突然改变将产生一个宽带的信号，这个信号包括所有频率范围。
在众多的因素中，这些波的最初价值依赖于线路上的故障点，故障路径的电阻等。
当故障发生时，这些信号到达电缆的另一个端，反映出故障点，在频率域内，个别信号将减少，同时，频率上升，行波速度增加。
图.1架空线路单相框图
2.1故障点的基本原理
输电线或电缆上故障产生的行波的特点方面的理论已有很好的报道。
这种技术可以用表一很直观的表现出来，同时考虑系统中曾用过的高频信号。
假设故障发生在距母线RX处发生，此时，旁波将开始向两条母线同时传播。
故障定位方法的基本原则是在安装处故障检测器能成功的分清。
母线上的高频信号的到达。
特别的最初的信号的时间涉及到最初信号被用来分辨故障位置。
看图一，观察母线R或S远端母线和故障点的反馈波是相对的极性，因此，两种波可以被判别。
图.2故障定位单元的框图
2.2故障检测单元
故障检测单元的框图如图二所示，三相电压由耦合电容来监测，模态混合量被用来抽取空气波形信号和地面波形信号。
这个过程提供一个固定的过滤，然后，数字带通过滤器抽取高频信号用来确定故障位置。
图三分别表示11KV架空线频率的增长，空气和地面波形信号的速率都达到光速。
虽然两侧波形实际上要慢于光速，但是两种速度之间之间的的差距在频率为1MHZ时，可以非常小。
表一.架空线数字样品率故障定位的准确率
a=准确,b=错误
中心频率（MHZ）
平均速度（km/s）
准确/错误（m）
样品频率
1MHZ
5MHZ
20MHZ
0.1
2.8760*105
a
±143.8
±28.76
±7.19
e
±16.68
±3.336
±0.843
1
2.9537*105
a
-
±29.52
±7.38
e
-
±1.245
±0.311
5
2.9771*105
a
-
-
±7.440
e
-
-
±0.145
表一和表二是关于理论上的故障定位方案的准确性，定位方法的准确率和检测器的数字样品率是均衡的。
在样品率为20MHZ时，架空线路的准确率可以达到+-10m。
对于底下电缆来讲，样品率为200MHZ时，准确率可以达到+-0.5m。
在这两种情况下，使用平均速率计算的错误是可以忽略不计的。
表二.地下电缆数字样品率故障定位的准确率
中心频率（MHZ）
平均速度（km/s）
准确/错误（m）
样品频率
5MHZ
20MHZ
200MHZ
1
2.8760*105
a
±16.168
±4.020
±0.402
e
±0.0348
±8.67*10-3
±8.67*10-4
5
2.9537*105
a
-
±4.055
±0.4055
e
-
±3.94*10-3
±3.94*10-4
10
2.9771*105
a
-
-
±0.4058
e
-
-
±2.80*10-4
A=准确,b=错误
在实际中，技术的准确性主要有两种方面的干扰，一种是电力传输线和电缆上的噪音，例如电晕和局部放电。
另一种是设备的噪音，例如EMC，过滤和光学隔离都能够减少背景噪音，而且，通过控制输入的故障位置准确率的最大值也能减小噪音，这是因为，实际上大量的保护都不是原始值。
鉴于当今检测器的发展，考虑到特殊信号的到达时间，信号的峰值可以被忽略。
1.仿真和结果
3.1系统模型和仿真
通过典型的数字模型的架空线路和地下电缆系统再加上故障检测单元来测试完整的系统，使用EMTP可以实现配电系统的仿真。
一个真实的非线性电弧模型也可以体现，这对本文所陈述的定位系统的成功是非常重要的。
这是因为当故障时，保护可以采用电弧产生的高频信号，最初故障产生的信号不能产生实质的高频干扰。
架空线路配电系统包括线路上的抽象的负荷，这些负荷由配电变压器供电，而且对定位技术有很大的影响，特别在频率范围的影响。
几千赫兹以上，常规的变压器就不能工作，在中的电容和电容耦合变得更重要。
实际上，在中等高频时，变压器的工作状态受它的电容支配。
为测量变压器的高频情况，特别是在故障情况下。
高频变压器已结合到仿真里了。
记录检测器在中心频率范围以外的调谐能力是很重要的。
作为从故障线路或电缆中抽取高频暂态电压信号的带宽过滤器是很有效的，而且这项技术还被证明了不受各种各样的故障类型和故障路径阻抗的影响。
这和受这些因素影响很大的阻抗保护是一个鲜明的对比，同时零电压故障起始的问题通过故障电弧产生的高频信号也可以解决。
3.2架空线路配电装置的故障定位
图四表示10KV架空线路配电系统的结构。
图四A是10KM双电源的供电线路系统的短路电流在母线S和R的末端是100MVA和50MVA。
图四B除了有一些负荷外，其他结构和图四A是一样的，这些负荷通过配电变压器与线路相连。
研究表明，在频率范围内检测器不受负荷的影响。
一种典型0.03…￥F的母线电容安装在母线的末端。
检测单元调谐1MHZ的中心频率，它对不同故障位置的反应是检查线路的两个末端，用于这个测试的样品频率是20MHZ。
3.2.1典型的故障回复
为了更简单的说明，图四A中的供电线路被用来证明这种技术。
图五和图六表示距线路末端S6.25KM处发生接地故障，很明显，大量的故障相电压高于其它非故障相电压，电力频率控制故障相和非故障相上产生.
图五b表示母线S的高频波形，VS1，VS2和VS3高频信号在S末端经过TS1，TS2和TS3可以看到到达。
第二个信号和第一个信号是相反的相位，暗示VS2从远端母线反馈，然而，第三个波和第一个波有着相同的相位，暗示VS3是从故障点反馈，因此，故障的距离可以用公式2测量。
图六表示检测器在R末端的反馈。
VR1和VR2是相同的，暗示这是从故障点的反馈，和VR1相对的相，暗示这是从远处母线的反馈，从而，故障位置通过使用公式1获得。
3.2.2母线附近的故障反应
对于以行波的基本原理为基础的探测器，证明适合母线附近的故障也是适合的是非常重要的。
图七所示为距母线R0.05KM处的故障。
在母线S末端探测器的反应如图7A所示。
由图可知，从母线R反馈的信号是多样的，并且相互作用，但是从故障点反馈的在TS3秒后可以很清晰的显示，它和TS1秒到达的信号具有相同的极性，所以，故障点位置可由公式1得出。
如图7B从母线R做和母线S是同样的，但是，从母线S的末端反馈的波在TR3秒是可以看见的，它的极性和最先到达的波的极性相反，所以，可以使用公式2计算故障位置。
3.2.3线路上的各个分支负荷的故障反应
线路上任何一个间断，将会在间断处产生一个行波，例如个别负荷，因此它对探测器的影响必须调查，图4B的系统可以用于这个调查，图八和图九所示与图五和图六所示的故障情况一样。
首先，检查图4B中带有电容的抽象变压器的影响，图8A中有很清晰的探测器输出，TS1和TS2间的脉冲波形为抽象负荷的反馈所引起的。
因为从抽象负荷所引起的反馈与母线和故障点的反馈和ts1从母线和ts3故障点是很小的，所以可以很清晰的看到。
图8B所示线路上有很大的负荷，图4B所有的变压器单元的电容容量都有所增加，并且高于实际上的值，故障情况和图8A一样，正象我们所预料的，抽象负荷的影响很大，他们的反馈信号高于先前的例子，从而，不能分辨故障点的位置。
为了改进这个问题，探测器调节到一个很高的中心频率，去有效的减少影响。
因此，可以很好的分辨每一个信号，图九和图八B所示为相同的故障，但中心频率调节到5MHZ，每一个反馈信号都可以在图中显示。
为了各种极端的故障情况，负荷的分支也被包含在故障定位系统，从分支负荷反馈的信号与最开始的故障信号之间的大小，到达时间的关系是确定的，这个事实可以用来提供图一所示的实际故障位置的信息，相同的原则可以用于多端线路的结构。
3.3地下电缆的故障定位
图十所示为典型的11KV三芯铝线的地下电缆系统。
此图用来分析问题，电缆总长为2KM，短路电流在R末端和S末端分别为10MVA和30MVA在这个应用中，探测器的固有频率定为5MHZ，用来适应短线路和电缆定位的高频准确率。
图十一和十二所示为距母线S末端1.25KM处发生接地短路的故障，探测器分别检测的样品率为20和200HZ，从图十一A和十一B中，在电缆两端可以清晰的看到故障位置，图十二为两种样品频率下探测器波形的比较，有刻度的波形可以清晰的显示在样品率为20MHZ和200MHZ时间为TD时，两种波有很大的不同，TD为0.035￥S，相当于0.00568KM，越高的样品频率，在时间间隔中越准确。
3.4母线电容的影响
调查故障产生的高频信号的波形不应受到母线电容的影响，但是，传输到母线的大量信号都是随母线电容的变化而变化的。
图十三所示为在1MHZ时，故障产生的信号受母线电容影响的曲线可以看到，对于一个给定的故障和系统来说，大量的故障产生的高频信号随着母线电容的增加而减小，一种母线电气优先的知识可以用到探测单元的输入优化中去。
2.结论
准确的确定配电系统故障位置的技术已经出现，特殊设计的故障探测器单元用于从配电系统中抽取故障产生的高频电压暂态信号，高频信号的运行时间用于决定故障位置。
这种方案不受故障类型等其它方面因素的影响。
研究表明，故障位置能够提供一个很高的高频信号，在这个方案中，故障位置的准确率与数字样品率成正比，仿真实验说明，200MHZ的样品率的电缆故障的准确率可以达到+-1m。
本文中，主要说明了故障检测器的工作原理和它的仿真实验，计算机硬件的细节设计将在以后做出报道。
3.参考文献
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