專利名稱：基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)保護(hù)領(lǐng)域和高壓測試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位方法及裝置。
背景技術(shù)：
輸電網(wǎng)故障點(diǎn)位置的精確定位，長期以來得不到較好的解決，直接影響故障線路的供電恢復(fù)時(shí)間，也給線路運(yùn)行維護(hù)人員帶來了沉重的負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)有的故障定位方法包括利用故障穩(wěn)態(tài)量的常規(guī)故障定位方法、利用故障暫態(tài)行波的故障行波定位方法。
基于故障穩(wěn)態(tài)量的故障定位方法，在電力線路兩端安裝電流互感器和電容式電壓互感器進(jìn)行電流、電壓穩(wěn)態(tài)量檢測，利用線路故障后的故障穩(wěn)態(tài)量計(jì)算故障阻抗等，求解故障距離。該方法故障定位精度較低，受系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化等因素的影響較大，其中包括(1)電壓、電流互感器的傳變特性的影響；(2)受線路參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)整定誤差的影響；(3)線路參數(shù)隨氣候、運(yùn)行年限、受污染程度等因素變化的影響；(4)受故障暫態(tài)諧波的影響。通?；诠收戏€(wěn)態(tài)量的常規(guī)故障定位裝置在現(xiàn)場運(yùn)行并不理想。申請?zhí)?2115506.2名稱為“輸電線路故障點(diǎn)定位方法和裝置”的發(fā)明專利申請公開了一種利用在變電站電容元件上串接的小電抗，提取行波信號進(jìn)行故障定位的方法；上述兩種方法需要改變系統(tǒng)高壓設(shè)備的接線，不利于電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，難以在我國的電力系統(tǒng)推廣。申請?zhí)?0131128.X名為“電力線路保護(hù)方法及用于該方法的行波傳感器”的發(fā)明專利，公開了一種在CVT地線上套接一行波傳感器，記錄故障行波到達(dá)時(shí)間進(jìn)行故障定位的方法，該系統(tǒng)復(fù)雜，安裝點(diǎn)僅選擇CVT，受到一定的局限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種容易實(shí)施、定位精度高的基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高的基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位裝置。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明方法包括如下步驟(1)并聯(lián)在電壓互感器開口三角形繞組的分壓式行波傳感器獲取電網(wǎng)突變信號；(2)記錄每個(gè)突變信號出現(xiàn)的精確時(shí)刻，(3)定位計(jì)算機(jī)收集各變電站記錄的突變信號到達(dá)時(shí)刻；(4)定位計(jì)算機(jī)計(jì)算非故障線路的實(shí)際長度和故障點(diǎn)精確位置；上述步驟(1)中還包括在變壓器套管末屏或穿墻套管末屏接地線上套接穿芯式行波傳感器獲取電網(wǎng)突變信號。
實(shí)現(xiàn)上述方法的基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位裝置，包括分壓式行波傳感器，并接于電壓互感器開口三角形繞組，用于檢測電壓互感器開口三角形繞組電壓的突變信號，第二高頻屏蔽電纜，耦接分壓式行波傳感器和前置模塊，用于將分壓式行波傳感器的輸出信號送到前置模塊的輸入端；前置模塊，其輸入端與第二高頻屏蔽電纜耦接，用于進(jìn)行突變信號檢測，測量信號的變化陡度和大小，把故障行波信號的波頭變成一個(gè)一定幅值、一定寬度的脈沖信號；GPS計(jì)時(shí)模塊，其輸入端與前置模塊的輸出端耦接，用于鎖定前置模塊的輸出脈沖信號突變時(shí)刻的絕對時(shí)間；通信模塊，分別與GPS計(jì)時(shí)模塊、定位計(jì)算機(jī)耦接，用于將行波到達(dá)時(shí)間送至定位計(jì)算機(jī)；定位計(jì)算機(jī)，用于接收通信模塊發(fā)送的信號，并完成故障定位計(jì)算、顯示及打印等功能。
上述基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位裝置，還包括穿芯式行波傳感器，套接于電網(wǎng)電容性設(shè)備接地線上，用于檢測電網(wǎng)電容性設(shè)備接地線上入地電流的突變信號；第一高頻屏蔽電纜，耦接穿芯式行波傳感器和前置模塊，用于將穿芯式行波傳感器的輸出信號送到前置模塊的輸入端。
本發(fā)明具有下述優(yōu)點(diǎn)(1)本定位方法可以用于環(huán)形線路的故障定位，并且不用高速A/D，而是利用硬件電路直接確定行波及到達(dá)時(shí)間，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大為簡化，降低了成本；(2)穿芯式行波傳感器由環(huán)形高頻鐵氧體鐵心上單層繞制5-50匝線圈組成，并安裝在一個(gè)由非磁性材料制成有開口的環(huán)形屏蔽盒中，線圈輸出接瞬態(tài)電壓抑制器和分壓器，分壓器輸出電阻上并聯(lián)壓敏電阻、控制輸出電壓在10-500V以下；穿芯式行波傳感器能抑制工頻信號，只傳輸10KHz以上的高頻突變信號；穿芯式行波傳感器與一次設(shè)備無直接的電聯(lián)系，安裝時(shí)不在變電站運(yùn)行設(shè)備接地線上串接任何元器件，對電力系統(tǒng)運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生任何影響；(3)電壓互感器開口三角形繞組交流輸出，這樣分壓式行波傳感器可獲取電網(wǎng)的突變信號，提高了定位精度，本發(fā)明的定位誤差＜120m；(4)第一、二高頻屏蔽電纜均采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)，一層屏蔽的大電纜內(nèi)部含有兩根單屏蔽電纜，信號線兩端分別連接傳感器與前置模塊，內(nèi)層屏蔽與前置模塊的地相連，外層屏蔽與傳感器的地相連，提高行波信號傳輸?shù)目垢蓴_能力；(5)母線電壓互感器輸出的三相電壓信號經(jīng)波形變換模塊轉(zhuǎn)換方波后，輸入到前置模塊，可以記錄電壓波形過零時(shí)刻的絕對時(shí)間，用于檢測故障定位裝置運(yùn)行是否正常，也可以用于電網(wǎng)電壓向量的相角測量。


圖1本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2穿芯式行波傳感器及其接線。
圖2(a)為圖2中穿芯式行波傳感器的屏蔽盒的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3分壓式行波傳感器及其接線。
圖4本發(fā)明的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試主接線。
圖5高阻接地故障實(shí)驗(yàn)行波傳感器輸出波形。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由定位計(jì)算機(jī)1、通信模塊2、GPS計(jì)時(shí)模塊3、前置模塊4、第一高頻屏蔽電纜5、穿芯式行波傳感器6、第二高頻屏蔽電纜7、分壓式行波傳感器8、波形變換模塊9等組成。套接在電容性設(shè)備(電容式電流互感器CT末屏、變壓器套管末屏、穿墻套管末屏等)接地線上的穿芯式行波傳感器1把故障行波波頭準(zhǔn)確、無時(shí)延的變換成10-500V以下的信號，經(jīng)第一高頻屏蔽電纜5送至前置模塊4的輸入端；同時(shí)連接在電壓互感器開口三角形繞組的分壓式行波傳感器8也把故障行波波頭準(zhǔn)確、無時(shí)延的變換成10-500V以下的信號，經(jīng)第二高頻屏蔽電纜7送至前置模塊4的輸入端；前置模塊4進(jìn)行突變信號檢測，把故障行波信號的波頭變成一個(gè)一定幅值、一定寬度的脈沖信號，輸出到高精度的GPS計(jì)時(shí)模塊3，鎖定脈沖信號突變時(shí)刻的絕對時(shí)間，高精度的GPS計(jì)時(shí)模塊3采用大規(guī)?？删幊踢壿嬰娐稦PGA實(shí)現(xiàn)，對一塊GPS接收板輸出的授時(shí)精度不小于50ns的1pps(一秒一次脈沖)信號和100MHz的恒溫晶振信號進(jìn)行比對，產(chǎn)生分辨率達(dá)10ns誤差小于100ns的高精度時(shí)鐘。行波到達(dá)時(shí)間由通信模塊2送至定位計(jì)算機(jī)1，定位計(jì)算機(jī)1完成故障定位計(jì)算、顯示及打印等功能；通信模塊2和定位計(jì)算機(jī)1之間的數(shù)據(jù)交換可以通過光纖/微波/載波/電話線中任一介質(zhì)實(shí)現(xiàn)。波形變換模塊9將母線三相電壓波形轉(zhuǎn)換為方波輸出到前置模塊4，實(shí)時(shí)測量三相電壓波形過零點(diǎn)絕對時(shí)間，由線路兩端測量的時(shí)間差進(jìn)行相角計(jì)算。
上述定位計(jì)算機(jī)1完成故障定位計(jì)算過程為(1)線路AB非故障時(shí)，利用線路兩側(cè)變電站A和B測量的突變信號到達(dá)時(shí)間差ΔT0＝|tA0-tB0|和行波傳輸速度V，精確標(biāo)定該線路的實(shí)際長度
LAB＝ΔT0·VV接近光速，可取2.98×108m/s；(2)線路AB故障時(shí)，故障產(chǎn)生行波的起始波頭以接近光速V向線路兩側(cè)傳播，到達(dá)A、B兩側(cè)變電站時(shí)間為tA、tB。則故障點(diǎn)距A側(cè)距離LA為LA＝[ΔT0+(tA-tB)]V/2如圖2所示，穿芯式行波傳感器由環(huán)形高頻鐵氧體鐵心上單層繞制5-50匝線圈，線圈N輸出接瞬態(tài)電壓抑制器TVS以及由R1和R2構(gòu)成的分壓器，分壓器輸出電阻R2上并聯(lián)壓敏電阻Ym，限制輸出電壓在10-500V以下，線圈N電壓分壓器與電纜波阻抗匹配，即R1//R2＝Zc，Zc為高頻屏蔽電纜波阻抗.穿芯式行波傳感器安裝在一個(gè)由非磁性材料(鋁，銅，不銹鋼)制成有開口的環(huán)形屏蔽盒中，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。圖中11為環(huán)形屏蔽盒，12為鐵芯，13為線圈；穿芯式行波傳感器能抑制工頻信號，只傳輸10KHz以上的高頻突變信號，傳感器輸出時(shí)延Δtf如下當(dāng)電流波頭時(shí)間tf＜0.5μs，輸出電壓波頭時(shí)延Δtf＝50ns；當(dāng)電流波頭時(shí)間0.5μs＜tf＜＝5μs，輸出電壓波頭時(shí)延Δtf＜15％tf。時(shí)延Δ為輸出電壓波頭時(shí)間減電流波頭時(shí)間，tf為電流波頭時(shí)間。
安裝時(shí)，穿芯式行波傳感器6與一次設(shè)備無直接的電位聯(lián)系，不在變電站運(yùn)行設(shè)備接地線上串接任何電感、電容或其組合的元器件，對電力系統(tǒng)運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生任何影響。如圖3所示，分壓式行波傳感器并接于電壓互感器開口三角形繞組上，電阻R1和R2構(gòu)成分壓器，分壓輸出電阻R2兩端并聯(lián)有壓敏電阻Ym、瞬態(tài)電壓抑制器TVS。對于高壓原邊A，B，C三相對稱的電壓，電壓互感器開口三角形繞組輸出電壓0，而任何不對稱的電壓，開口三角形繞組總是有輸出電壓的。輸電網(wǎng)的故障80％以上是單相故障，高壓原邊的電壓，無論是故障暫態(tài)電壓還是故障穩(wěn)態(tài)電壓都是三相不對稱的。三相故障卻不同，它的故障穩(wěn)態(tài)電壓是三相對稱的，但由于三相故障是由單相故障發(fā)展而成的.故障發(fā)生的時(shí)刻是有時(shí)差的.因此，三相故障時(shí)故障暫態(tài)電壓尤其是起始部分卻是三項(xiàng)不對稱的.這樣，無論單相故障，二相故障，還是三相故障.故障行波總是三相不對稱的.開口三角形繞組必然有反映故障行波的電壓突變輸出，采用高額電阻分壓器把它變換成10-500V信號。圖2和3中，高頻屏蔽電纜采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)，一層屏蔽的大電纜內(nèi)部含有兩根單屏蔽電纜，信號線兩端分別連接傳感器與前置模塊，內(nèi)層屏蔽與前置模塊的地相連，外層屏蔽與傳感器的地相連，提高行波信號傳輸?shù)目垢蓴_能力。
如圖4所示一電網(wǎng)故障定位實(shí)例，穿芯式行波傳感器套接在電容性設(shè)備接地線上，如電容式電壓互感器CVT地線、電容式電流互感器CT末屏接地線和變壓器套管末屏接地線上等，分壓式行波傳感器連接在母線電壓互感器開口三角形繞組上，對線路進(jìn)行高阻接地故障實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)測試波形如圖5所示，圖中ch2為電容式電壓互感器CVT A相地線上套接的穿芯式行波傳感器輸出波形，ch4為B相電流互感器CT末屏地線上套接的穿芯式行波傳感器輸出波形，ch5為變壓器A相電流互感器CT末屏地線上套接的穿芯式行波傳感器輸出波形。圖中穿芯式行波傳感器輸出波形均能反映故障行波波頭到達(dá)變電站的突變信號，且故障相(A)測量的波形要大于非故障相(B)波形；由于CVT對地電容大于變壓器套管對地電容和電容式電流互感器CT套管對地電容，故電容式電壓互感器CVT地線上測量的波形突變最大，最易于測量；分壓式行波傳感器輸出的波形也具有較大的幅值，便于測量，且分壓式傳感器制作和安裝方便，在設(shè)計(jì)故障行波定位網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)優(yōu)先選擇安裝分壓式行波傳感器。
在該電網(wǎng)故障接地實(shí)驗(yàn)中，安排了兩個(gè)故障點(diǎn)(圖4中X點(diǎn)和Y點(diǎn))進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，分別測量了高阻接地故障和低阻接地故障。故障定位結(jié)果顯示定位誤差均小于120米；行波傳感器測量波形顯示接地故障電阻對暫態(tài)行波信號影響較小，故障行波定位能夠?qū)Χ搪贰⒔拥?、斷線、雷電等各種類型故障進(jìn)行定位。
由于電網(wǎng)突變信號很少出現(xiàn)，為了實(shí)時(shí)檢測故障定位系統(tǒng)運(yùn)行是否正常，圖1中設(shè)計(jì)了一裝置監(jiān)測回路，將母線三相電壓波形轉(zhuǎn)換為方波，實(shí)時(shí)測量三相電壓波形過零點(diǎn)絕對時(shí)間，由線路兩端測量的時(shí)間差進(jìn)行相角計(jì)算。該故障定位裝置已經(jīng)在220kV輸電線路上試運(yùn)行6個(gè)月，運(yùn)行結(jié)果顯示相電壓波形過零點(diǎn)絕對時(shí)間測量誤差小于為1μS，相角測量誤差小于0.018°，表明該電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高精度的相角測量。
權(quán)利要求
1.一種基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位方法，包括以下步驟(1)由傳感器獲取電網(wǎng)突變信號；(2)記錄每個(gè)突變信號出現(xiàn)的精確時(shí)刻，(3)定位計(jì)算機(jī)收集各變電站記錄的突變信號到達(dá)時(shí)刻；(4)定位計(jì)算機(jī)計(jì)算非故障線路的實(shí)際長度和故障點(diǎn)精確位置；其特征在于步驟(1)中由并聯(lián)在電壓互感器開口三角形繞組的分壓式行波傳感器獲取電網(wǎng)突變信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位方法，其特征在于所述步驟(1)中還包括在變壓器套管末屏或穿墻套管末屏接地線上套接穿芯式行波傳感器獲取電網(wǎng)突變信號。
3.一種基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位裝置，其特征在于，包括分壓式行波傳感器，并接于電壓互感器開口三角形繞組，用于檢測電壓互感器開口三角形繞組電壓的突變信號，第二高頻屏蔽電纜，耦接分壓式行波傳感器和前置模塊，用于將分壓式行波傳感器的輸出信號送到前置模塊的輸入端。前置模塊，其輸入端與第二高頻屏蔽電纜耦接，用于進(jìn)行突變信號檢測，測量信號的變化陡度和大小，把故障行波信號的波頭變成一個(gè)一定幅值、一定寬度的脈沖信號；GPS計(jì)時(shí)模塊，其輸入端與前置模塊的輸出端耦接，用于鎖定前置模塊的輸出脈沖信號突變時(shí)刻的絕對時(shí)間；通信模塊，分別與GPS計(jì)時(shí)模塊、定位計(jì)算機(jī)耦接，用于將行波到達(dá)時(shí)間送至定位計(jì)算機(jī)；定位計(jì)算機(jī)，用于接收通信模塊發(fā)送的信號，并完成故障定位計(jì)算、顯示及打印等功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位裝置，其特征在于還包括穿芯式行波傳感器，套接于電網(wǎng)電容性設(shè)備接地線上，用于檢測電網(wǎng)電容性設(shè)備接地線上入地電流的突變信號；第一高頻屏蔽電纜，耦接穿芯式行波傳感器和前置模塊，用于將穿芯式行波傳感器的輸出信號送到前置模塊的輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位裝置，其特征在于所述的穿芯式行波傳感器在環(huán)型磁性材料鐵芯上繞制線圈，線圈輸出接瞬態(tài)電壓抑制器和分壓器，線圈電壓分壓器與電纜波阻抗匹配，即R1//R2＝Zc，Zc為第一高頻屏蔽電纜波阻抗，穿芯式行波傳感器外部設(shè)有屏蔽盒，屏蔽盒為由非磁性材料制成有開口的環(huán)形盒。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位裝置，其特征在于所述的穿芯式行波傳感器的分壓器輸出電阻上并聯(lián)壓敏電阻。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位裝置，其特征在于所述的穿芯式行波傳感器的鐵芯為環(huán)形高頻鐵氧體。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位裝置，其特征在于所述的穿芯式行波傳感器是在環(huán)形高頻鐵氧體鐵芯上單層繞制5-50匝線圈。
9.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位裝置，其特征在于所述的第一高頻屏蔽電纜和第二高頻屏蔽電纜均采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)，一層屏蔽的大電纜內(nèi)部含有兩根單屏蔽電纜，信號線兩端分別連接傳感器與前置模塊，內(nèi)層屏蔽與前置模塊的地相連，外層屏蔽與傳感器的地相連；
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的故障定位裝置，其特征在于還包括波形變換模塊，分別與母線電壓電壓互感器、前置模塊耦接，用于將電壓互感器輸出的三相電壓信號變換為方波信號輸出到前置模塊的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于行波時(shí)差的輸電網(wǎng)故障定位方法及裝置，在電網(wǎng)各變電站中任一電容性設(shè)備地線上套接穿芯式行波傳感器或在電壓互感器開口三角側(cè)并接分壓式行波傳感器獲取電網(wǎng)突變信號，記錄每個(gè)突變信號出現(xiàn)的精確時(shí)刻，由定位計(jì)算機(jī)收集各變電站記錄的突變信號到達(dá)時(shí)刻；定位計(jì)算機(jī)計(jì)算非故障線路的實(shí)際長度和故障點(diǎn)精確位置。同時(shí)波形變換模塊將母線三相電壓波形轉(zhuǎn)換為方波輸出到前置模塊，可用于電網(wǎng)相角測量。本發(fā)明容易實(shí)施、可靠性高，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障的高精度定位。
文檔編號G01R31/08GK1553208SQ200310110670
公開日2004年12月8日 申請日期2003年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月18日
發(fā)明者曾祥君, 周延齡, 林干 申請人:湖南湘能許繼高科技股份有限公司