利用暫態行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法

許文杰，蔣道宇，王劍英，李錄照

（1.中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣州510663；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東淄博255087）

利用暫態行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法

許文杰1，蔣道宇1，王劍英1，李錄照2

（1.中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣州510663；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東淄博255087）

分析架空線—海底電纜混合線路發生故障后行波的傳播特點，并在此基礎上提出一種利用暫態行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法，以架空線與海底電纜連接點處發生故障后暫態行波傳播到混合線路兩端母線的時間差值為整定值序列，當架空線—海底電纜混合線路發生故障后，通過所測得的故障暫態行波傳播到混合線路兩端母線的時間差值與整定值序列進行比較確定故障區段，再通過相應測距公式進行測距計算。PSCAD仿真結果表明，本方法可以準確可靠地測出故障點。

架空線—海底電纜；混合線路；暫態行波；測距

0 引言

為了解決輸電線路跨越大水道和海峽的特殊問題，一般在陸地上采用架空線輸電，跨越海峽或大水道時采用海底電纜輸電，這就出現了許多高壓架空線—海底電纜—架空線混合輸電線路。比如，海南聯網工程采用了500 kV高壓架空線—海底電纜—架空線三段混合輸電線路［1］。由于這種線纜混合線路各段參數分布極不均勻，當混合輸電線路發生故障后，應用何種故障測距方法定位故障點對于提高供電可靠性具有重要的意義。

行波測距法由于不受線路分布電容、故障類型、過渡電阻等因素的影響，是目前公認的輸電線路使用范圍最寬、最為準確的故障測距方法。行波故障測距方法利用故障時產生故障電流或電壓行波在故障點和測量點往返一次的時間差或者初始故障電流或電壓行波到達線路兩端測量點的時間差值來進行測距計算［2-5］。目前，對于普通架空線—電纜兩段混合線路（一段電纜與一段架空線交替連接的混合線路）已經提出了多種行波測距方法，并取得了較好的測距結果［6-11］。而對于架空線—海底電纜混合線路（兩段架空線和一段電纜交替連接的混合線路，且電纜線路在中間）的暫態行波測距方法很少有學者研究。

文獻［12］提出了一種基于時間中點法的500 kV海底電纜—架空線混合線路行波測距方法，但此方法首先需要確定時間中點以及故障搜索方法，確定故障點的時間距離后再根據時間距離計算故障點位置。在分析海底電纜—架空線混合線路傳播特點的基礎上提出一種利用暫態行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法，無需確定時間中點和故障搜索方向，通過暫態行波第一次到達線路兩側的時間差值來區分故障發生區段，再通過測距公式給出測距結果。

1 混合線路暫態行波傳播過程

由于海底電纜與架空線的波阻抗不同，因而行波在兩者中的傳播速度也不同，海底電纜與架空線連接點處為波阻抗不連續點，故障行波會在此處發生復雜的折、反射。如圖1所示以架空線—海底電纜混合輸電線路為例來分析行波在混合線路中的傳播特性。

圖1 混合輸電線路故障后行波折、反射示意

圖1中，F表示輸電線路故障點，Q和P分別表示架空線路與電纜線路的連接點，L1、L2、L3分別表示架空線MQ段、電纜QP段和架空線段總長度，LMF、LNF分別表示故障點F到母線M端和N端的距離，tM1和tN1分別表示故障行波第一次傳播到線路M側和線路N側的時間。

從圖1中可以看出，當混合輸電線路發生故障時，故障行波浪涌從故障點同時向母線M端和N端傳播，向母線M端傳播的暫態行波經過電纜與架空線的連接點Q，并在連接點Q發生一次折射和反射，折射行波繼續向M端傳播，故障行波首次到達母線M側并在母線M側發生折射和反射；向母線N端傳播的行波經過電纜與架空線的連接點P，并在連接點P發生一次折射和反射，折射行波繼續向N端傳播，故障行波首次到達母線N側并在母線N側發生折射和反射。由于只用到故障行波第一次到達雙端母線側的時間差，其他折射反射過程不再贅述。

2 利用暫態行波的混合線路故障定位原理

2.1 故障區段的確定

故障行波第一次到達母線M側和N側的時間差值作為整定值序列

式中：ΔT1、ΔT2分別為連接點Q以及連接點P發生故障時故障初始行波到達母線兩側的時間差值；vO和vC分別為故障行波在架空線和海底電纜中的傳播速度。

在混合線路兩端裝設行波測距系統來采集故障行波傳播到線路兩端的時間tM1和tN1，記Δt=tM1-tN1，若Δt＜ΔT1，則故障發生在架空線路MQ段；若Δt＝ΔT1，則架空線路與海底電纜線路的連接點Q處發生故障；若ΔT1＜Δt＜ΔT2，則故障發生在海底電纜線路QP段；若Δt＝ΔT2，則海底電纜線路與架空線路的連接點P處發生故障；若Δt＞ΔT2，則故障發生在架空線路NP段。

2.2 給定測距結果

若故障發生在架空線路與海底電纜線路的連接點Q處，則測距公式為

若故障發生在海底電纜線路與架空線路的連接點P處，則測距公式由式（6）給出

3 仿真驗證

3.1 仿真模型參數

利用電磁暫態仿真軟件PSCAD建立如圖2所示500 kV架空線—海底電纜混合線路模型，其中，M端和N端的系統電抗均為0.031 4 Ω，L1為124.411 km，L2為31.4 km，L3為13.468 km，F1點到M端的距離40 km，F2點到M端的距離140.411 km，F3點到N端的距離5.468km，距離M端的距離163.811 km，仿真頻率為1 MHz。

圖2 500kV架空線—海底電纜混合輸電線路

圖3 架空輸電線路結構

圖4 電纜幾何參數分布

模型中水平布置的不換位架空輸電線路結構如圖3所示。導線選用LGJQ－300×4，直徑23.7 mm，4分裂，裂相距離45 cm，直流電阻0.108 Ω／km。地線選用2×LHGJJ－90（分段接地），直徑14.84 mm，直流電阻0.374 Ω／km。根據架空線依頻特性參數可求得故障行波在架空線路中的傳播速度為294 km／ms。

電纜的幾何參數如圖4所示。根據電纜依頻特性參數可求得行波在電纜線路中的傳播速度為192 km／ms。

由公式（1）~（2）可得：ΔT1=213.8μs、ΔT2=540.9 μs。

3.2 故障仿真

3.2.1 F1點故障

設t＝0時，單相經60 Ω過渡電阻接地故障在混合線路F1點發生，故障初始角為90°。混合線路兩端采集的故障電流與故障電壓行波波形如圖5所示。

通過對M端和N端接收到的故障相電流與電壓暫態波形的分析，可得故障行波浪涌到達M端和N端的時刻分別為tM1=135 μs，tN1=494 μs。可計算出Δt=tM1-tN1=-359 μs，顯然Δt<ΔT1，因而故障發生在架空線MQ段，代入公式（3）可得LMF=40.207 km，測距誤差為207 m。

圖5 F1點故障時M和N端的故障相電流與電壓行波

圖6 F2點故障時M和N端的故障相電流與電壓行波

3.2.2 F2點故障

設t＝0時，單相經60 Ω過渡電阻接地故障在混合線路F2點發生，故障初始角為90°。混合線路兩端采集的故障電流與故障電壓行波波形如圖6所示。

通過對M端和N端接收到的故障相電流與電壓暫態波形的分析，可得故障行波浪涌到達M端和N端的時刻分別為tM1=505 μs，tN1=126 μs。可計算出Δt＝tM1-tN1=379 μs，顯然ΔT1<Δt<ΔT2，因而故障發生在電纜QP段，代入公式（5）可得：LMF=140.269 km，測距誤差為142 m。

3.2.3 F3點故障

設t＝0時，單相經60 Ω過渡電阻接地故障在混合線路F3點發生，故障初始角為90°。混合線路兩端采集的故障電流與故障電壓行波波形如圖7所示。

圖7 F3點故障時M和N端的故障相電流與電壓行波

通過對M端和N端接收到的故障相電流與電壓暫態波形的分析，可得故障行波浪涌到達M端和N端的時刻分別為tM1=615 μs，tN1=19 μs。可計算出Δt＝tM1-tN1＝596 μs，顯然Δt＞ΔT2，因而故障發生在架空線NP段，代入公式（7）可得：LNF=5.368 km，LMF=163.911 km，測距誤差為100 m。

架空線—海底電纜混合線路5個不同點發生單相接地故障時，雙端行波測距方法所得到的測距結果與誤差如表1所示。

表1 架空線—海底電纜混合線路不同位置故障時的測距結果

從表1中的測距結果中可以看出，所提出的利用暫態行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法測距的誤差一般在250 m以內。可見所提出的混合輸電線路行波測距方法可簡單方便、準確可靠地判斷架空線—電纜混合線路故障點所在的具體位置。

4 結語

在分析架空線—海底電纜混合線路故障后暫態行波的折、反射現象的基礎上，提出一種利用暫態行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法，該方法不需要研究混合線路故障行波復雜的傳播過程，只需提取初始故障行波到達雙端母線側的時間差值，大大簡化了計算過程。仿真結果表明，所提出方法可以給出準確測距結果，誤差在允許范圍以內。

所提出的利用暫態行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法，能夠可靠、準確地定位故障點的位置，縮短了故障修復的時間，對于電網的穩定和經濟運行十分重要的意義，具有良好的工程應用前景。

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Fault Location Method of Overhead Line-Submarine Cable Mixed Lines Used Transient Traveling Waves

XU Wenjie1，JIANG Daoyu1，WANG Jianying1，LI Luzhao2
（1.Guangzhou Bureau，EHV Transmission Company of China Southern Power Grid，Guangzhou 510663，China；2.Shandong Kehui Power Automation Co.，Ltd.，Zibo 255087，China）

Traveling wave propagation characteristics of the overhead line-submarine cable are analyzed after faults，and a fault location method based on transient travelling wave is proposed.The time difference of the transient traveling waves arrived buses of the overhead line and the submarine cable after the fault occurred at the connection point of the overhead line and the submarine cable is set to the setting value sequence.The preliminary fault location is given after comparing the time different with the setting value sequence.Then the fault location is decided using corresponding distance formula.PSCAD simulation shows the proposed method is feasible and the accuracy of fault location is improved obviously.

overhead lines-submarine cables；mixed lines；transient traveling wave；measure the distance

TM721

A

1007－9904（2016）12－0015－05

2016-06-24

許文杰（1985），男，主要從事變電檢修、繼電保護、變電運行管理方面的工作。