科汇行波测距技术讲座.pdf.pdf
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3主要内容主要内容概述概述输电线路行波过程输电线路行波过程行波测距原理行波测距原理行波信号的测量行波信号的测量行波波形分析行波波形分析概述概述4缩短故障修复时间,减少停电损失。
减轻人工巡线工作量。
发现造成线路瞬时故障的绝缘薄弱点、线路走廊下的树支等事故隐患碧口电厂送出线曾连续发生四次树枝碰线故障绝缘子滑闪曾在湖北发现线路对地放电点运行规程要求,线路出线跳闸必须找出故障原因及故障点,误差在3%以内。
故障测距的作用故障测距的作用6故障测距方法故障测距方法故障分析法:
根据故障时电压、电流录波图估算故障距离。
阻抗法:
通过测量阻抗来计算故障距离。
行波法:
通过测量电压、电流行波在线路上传播的时间,计算故障距离。
其他方法。
故障测距技术发展故障测距技术发展阻抗法:
测量故障回路阻抗换算故障距离误差经常在几公里、十几公里以上,不满足不满足快速查找故障点的要求。
不适用于不适用于直流输电线路、带串补电容线路、T接线路等不能解决不能解决配电线路小电流接地故障测距ZlVmImZm=Vm/Im=Rm+jLm=x.R0+x.L0x-故障距离R0,L0-单位长度电阻、电抗值8测距误差大,受多种因素影响,包括:
故障点弧光电阻电源阻抗电压、电流互感器变换误差线路不对称(换位)影响长线分布电容难以获得准确的零序参数,线路走廊地形变化,引起零序参数变化。
阻抗法测距误差大阻抗法测距误差大9不宜用于以下线路直流输电线路带串补电容线路T接线部分同杆架设双回线阻抗法适用性差阻抗法适用性差行波测距原理:
利用故障行波在线路上的传播时间测距早期行波装置:
上世纪50年代,美国、日本等开展过行波测距的研究。
有A、B、C三种型式的方法早期行波测距装置利用电压行波测距法,原理有缺陷,技术不成熟,成本高,可靠性达不到实用化要求,60年代被逐步放弃。
变电所行波测距技术的发展行波测距技术的发展行波测距技术的发展(续)行波测距技术的发展(续)1990年代初,行波测距技术研究取得突破暂态行波信号的高速采集、记录与分析发现电流互感器能够传变电流行波信号采用GPS对时,精度达到1us。
科汇公司致力于行波测距技术的开发与推广应用1995年开发出利用电流行波的输电线路故障测距系统,投入试运行。
2014年推出新一代行波测距系统11在国内推广应用2000多套,覆盖了全国50%以上的超高压输电线路三峡电力外送、西电东送交/直流输电线路大同-北京500kV带串补电容交流输电线路青藏铁路配电线路晋东南-荆门1000kV交流国内所有400kV及以上直流输电线路国内应用情况国内应用情况国际上推广应用国际上推广应用情况情况在国际上已发展成为主要的输电线路故障精确测距技术写入IEEE微机继电保护教程与故障测距导则国际大电网会议CIGRE最近成立故障测距工作组,调研行波测距技术。
已在美国、英国、俄罗斯、南非、阿根廷、马来西亚等40多个国家获得应用科汇公司已在国际上销售近300多套行波测距设备为阿根廷国家电网、马来西亚(东马)电网建设了行波测距系统正在承建法国电网的行波测距系统13最新技术发展与展望最新技术发展与展望最新技术发展广域行波测距技术故障、雷电与开关操作识别技术IEC61850标准的应用展望单端波形自动分析技术绝缘子闪络在线监测技术行波电子互感器技术14输电线路波过程输电线路波过程1516什么是行波?
什么是行波?
沿输电线路传播的电压、电流信号长线中的电磁现象,由电报方程来描述长线:
线路长度与信号波长相比不可忽略稳态行波系统正常运行时沿线路传播的系统正常运行时沿线路传播的行波行波由由系统的电源产生系统的电源产生的的暂态行波在系统运行过程中突然出现的行波在系统运行过程中突然出现的行波由由短路短路、断线、开关操作、雷击及、断线、开关操作、雷击及雷电等雷电等引起引起的的暂态暂态行波过程行波过程沿线路行进的电压或电流信号浪涌电压行波:
建立电流到达处的线路分布电容的电场的充电电流电流行波:
线路分布电容的充电电流正向行波:
前进方向与参考方向相同反向行波:
前进方向与参考方向相反线路上某点观测到的行波是多个行波浪涌的叠加18故障行波属于故障分量,可以看成由在故障点插入的虚拟电压源产生的。
虚拟电源电压源幅值等于故障点故障前电压,相位相反。
t=0故障行波故障行波1919故障电压、电流行波向线路两端传播故障电压、电流行波向线路两端传播t=0U,iU,i波阻抗波阻抗线路中一对正向或反向电压、电流波之间的幅值之比,而不是任一点电压、电流瞬间幅值之比与线路本身的结构、绝缘介质及导体材料有关,而与长短无关架空线路波阻抗300500左右电力电缆波阻抗在1040左右20000=uuLZCii21波速度波速度SCLv001取决于周围介质参数不考虑损耗,与导体面积、材料无关。
架空线路中在291294km/ms,一般选为292km/ms。
交联聚乙烯电缆约为170m/us22反射和透射反射和透射行波在阻抗不连续点产生反射和透射23反射系数反射系数电压、电流的反射系数相反电压、电流的反射系数相反1212ZZZZuiu24开路电压反射系数为1,电流反射系数为-1。
端点电压加倍,电流为零。
短路电压反射系数为-1,电流反射系数为1。
端点电压加零,电流加倍。
1u1u1i1i开路与短路的反射系数开路与短路的反射系数25透射系数透射系数1222ZZZu电压、电流透射系数相同iu彼得逊法则彼得逊法则波过程的戴维南定理用于计算单个入射波在某点产生的电压、电流线路等值为波阻抗,入射波等值为两倍的电动势。
26行波在故障点的反射行波在故障点的反射27Z1=ZcZ2=RfZc(Rf+Zc)电压反射系数:
电压反射系数:
=(Z2-Z1)(Z2+Z1)=-1/(1+2K)K=Rf/Z0彼得逊等值电路28线路电阻使行波在传输过程中幅值下降、上升速度变缓不同频率的行波分量衰减系数与传播速度不一样低频分量速度慢、衰耗小高频分量速度快、衰耗大速度随频率上升而上升,频率超过1kHz时趋于稳定。
线路损耗的影响线路损耗的影响29远端电压网格分析图网格分析图直流电源在t=0时接通行波测距原理行波测距原理3031SR行波测距系统行波测距系统通信网络通信网络主站主站TDUTDUTDU行波数据采集单元DD型双端测距原理型双端测距原理利用线路两端测量到的故障初始行波到达时间进行测距32TsTRSR故障点到母线S:
LvTTXRSS)(21LvTTXSRR)(21L线路长度V波速度故障点到母线R:
33TsTRSR双端法要求两侧装置实现1us时间精确同步,使测距分辨率达到150米GPSGPS时间精确同步技术时间精确同步技术装置接受全球定位系统(GPS)信号,给内部时钟精确对时,使装置记录电流行波到达时间的精度在1us以内。
双端双端DD型原理的评价型原理的评价简单、可靠需要在线路两侧安装行波采集装置需要从其他方法获知故障线路使用变电站S和R的行波到达时间可以计算获得实际故障点距离使用变电站R和T的行波到达时间计算获得的故障点位置在母线R34SRTFWW型广域行波测距原理型广域行波测距原理以最早检测到故障行波初始的变电站为参考变电站SubstationNSubstationN搜寻获得邻近变电站启动时间队列SubstationK,V,P,QSubstationK,V,P,Q35使用基于路径的双端测距公式,代入邻近变电站与参考变电站启动时间,获得可能的测距结果集LocationF(fromNvs.P&Nvs.M)andN(fromNvs.K&Nvs.V)由测距结果集搜寻故障初始行波传播到各变电站的可能传播路径模式与实际记录的各变电站启动时间匹配度最好的传播路径模式对应的故障点则是真正的故障点广域测距原理广域测距原理的的评价评价行波测距技术的最新研究成果可以同时识别故障线路和故障点位置具有更好的可靠性即使故障线路一侧装置异常,未能捕捉到故障行波3637Ts1Ts2ttSR)(212112SSSTTvtvX故障点到母线S的距离:
A型单端测距原理型单端测距原理只需要在线路一端安装装置,投资少波形分析困难,可靠性差可作为其他方法的补充3838可适用于线路断线故障通过测量重合闸脉冲在故障点的反射到达时间测距:
E型型单端测距原理单端测距原理tvXL21RSFttRS短路故障开路故障ttTT接线路的行波测距接线路的行波测距线路三端TDU启动时间两两计算可获得三个双端测距结果S1和S2S1和S3S2和S3如果故障点在T接点上三个双端测距结果都定位在T接点如果故障点不在T接点上两个双端测距结果定位在实际故障点一个双端测距结果定位在T接点3940架空、电缆混合线路行波测距架空、电缆混合线路行波测距总加各段等效线路长度,获得整条线路的等效长度使用双端测距原理计算等效后的线路故障距离将等效后的线路故障距离折算为实际故障距离等效线路长度:
分别将各架空、电缆段折算为标准波速度(300km/ms)的等效线路长度svxl41架空、电缆混合线路行波架空、电缆混合线路行波测距(续)测距(续)41等效线路全长是115.32km实际故障距离是60km等效故障距离是68.39km当标准波速度=300km/ms时各段的等效线路长度波速度290km/ms的50km架空线段的等效长度是51.72km波速度180km/ms的20km电缆线段的等效长度是33.3km波速度297km/ms的30km架空线段的等效长度是30.3kmsv行波信号的测量行波信号的测量4243行波测量要求行波测量要求500m测距精度要求行波检测延迟不大于3s行波信号3s上升速度对应大致100kHz带宽行波信号传感器带宽不小于100kHz行波信号检测门槛值44传统行波测量方法传统行波测量方法长期以来人们认为PT、CT不能传变行波信号。
早期行波装置采用电容分压器测量电压行波成本高安装不方便出线多时母线电压幅值小,上升慢。
45电流互感器能够传变行波信号电流互感器能够传变行波信号1980年代末发现CT能够传变行波信号,上升速度达1us,满足行波测距要求。
CT具有安装方便、成本低的优点测量电流行波具有更高的灵敏度测量电流行波具有更高的灵敏度有1条其他出线,电压、电流等于入射波。
有2条其他出线,电流是入射波的1.33倍,电压是入射波的0.667。
母线出线多时,母线阻抗接近零,电流加倍,电压为零。
4622()1121FmFcmFunniInznuun47母线电容加快电流上升,延缓电压上升母线电容加快电流上升,延缓电压上升48单出线母线电压的测量单出线母线电压的测量单出线母线上没有其他出线,母线电容产生的电流信号很小,持续时间很短。
需要利用电压行波测距以保证灵敏度49电压信号测量方法电压信号测量方法电磁型PT可以传变行波信号CVT不能传变行波信号扼流圈电感阻挡了高频行波信号利用卡式CT测量CVT电容电流间接测量电压行波C1C2iuF扼流圈50电容电流与母线电压波形电容电流与母线电压波形2电容电流:
母线电压:
2
(1)=tmctmCEiezuEeZC51直流线路中通过测量电容电流测量电压行波直流线路中通过测量电容电流测量电压行波电压型与电流型行波测距比较电压型与电流型行波测距比较电流电流型型电压型电压型优点优点电流电流行波适用于母线行波适用于母线有两条及两条以上线有两条及两条以上线路的情况路的情况波形波形上升快,波形拐上升快,波形拐点明显点明显,电流电流信号抗干扰能力信号抗干扰能力强强应用应用较多,相对成熟。
较多,相对成熟。
适用于母线上只有一条线路的情况适用于母线上只有一条线路的情况不足不足不适用于母线上只有一不适用于母线上只有一条线路的情况条线路的情况母线母线上线路多时,不适用上线路多时,不适用波形波形上升缓慢,误差上升缓慢,误差大大电压电压信号更容易受干扰信号更容易受干扰需加装需加装CT测量测量CVT电容电流电容电流行波波形分析问题行波波形分析问题53故障产生的行波故障产生的行波-三相短路三相短路对于500kV线路,故障瞬间故障点电压值按最大值考虑,线路波阻抗取300,故障点行波电流幅值为:
54P500*2=1.363300fCUikAZ故障产生的行波故障产生的行波-单相接地单相接地55500kV线路,故障瞬间故障点电压值按最大值考虑,线路零序波阻抗取500,线模波阻抗300,故障电阻100,故障点行波电流幅值为:
0fP01233*=1.64(/2/2/23)ffiiUkAZZZR线路中行波电流为0.82kA短路电流波形短路电流波形5657典型双端波形典型双端波形-1-1陕西罗敷变电站110kV罗张线故障波形及测距结果58湖北双河变电站500kV双玉线故障波形及测距结果典型双端波形典型双端波形-2-259柳州洛埠变电站110kV屯秋线故障波形及测距结果典型双端波形典型双端波形-3-3602002年2月6日7时,葛上直流线路故障,距离南桥86km。
典型双端波形典型双端波形-4-4故障点在线路中点以内,第二个行波脉冲是故障点反射波。
ti(t)故障初始行波故障点反射波TS1TS2TS3F单端波形单端波形分析分析6262甘肃天水陇西变电站330kv陇秦线于98-03-18/09:
59:
42C相接地故障采集的故障电流行波数据。
故障点反射典型单端波形典型单端波形-1-163四川乐山九里变电站220kv龚九线于98-04-28/20:
35:
48,C相接地故障采集的故障电流行波数据故障点反射典型单端波形典型单端波形-2-264典型单端波形典型单端波形-3-32002年1月19日8时,葛上线故障,距离麦元站124.3km。
65典型单端波形典型单端波形-4-4RSFt故障初始行波故障点反射波TS1TS2TS3对端反射波第二个行波脉冲是对端反射波在故障点的透射。
故障点反射波与一般对端母线反射波极性相反。
单端波形单端波形分析分析远端故障存在透射波远端故障存在透射波识别出故障点反射波计算故障点到本端母线的距离;识别出故障点反射波计算故障点到本端母线的距离;识别出对端母线反射波计算故障点到对端母线距离;识别出对端母线反射波计算故障点到对端母线距离;两种方法得到的结果相加是线路全长,据此验算测距结果。
两种方法得到的结果相加是线路全长,据此验算测距结果。
单端波形单端波形分析分析68典型单端波形典型单端波形-5-569典型波形典型波形-6-67070广州花甲线故障典型单端波形典型单端波形-7-771阿根廷一条349公里线路上的故障典型单端波形典型单端波形-8-8串串补电容的影响补电容的影响串补电容等值电路为一杂散电感与电容串联杂散电感产生影响波头信号振荡产生引起反射72串补线路的数据串补线路的数据波形波形-1-1串补线路的数据串补线路的数据波形波形-2-275串补线路的数据串补线路的数据波形波形-3-376762002年6月3日20时21分24秒,大房双回线之大房二线发生故障,测出故障点位置距大同二电厂和房山变分别为171.9km和116km,与实际故障点位置的误差不超过400m。
串补线路的数据串补线路的数据波形波形-4-4有些单端波形是让人看不懂的有些单端波形是让人看不懂的77马来西亚(东马220kV线路故障波形)故障行波穿过母线透射到其他健全线路上,行波在健康线故障行波穿过母线透射到其他健全线路上,行波在健康线路对端被反射回来,影响故障点反射脉冲的识别。
路对端被反射回来,影响故障点反射脉冲的识别。
当母线上运行的线路较多时(如当母线上运行的线路较多时(如4条线路时),母线行波条线路时),母线行波阻抗接近零,故障行波在其他健全线路上的透射很小,可阻抗接近零,故障行波在其他健全线路上的透射很小,可以认为母线呈短路状态,可以不考虑其他线路的影响。
以认为母线呈短路状态,可以不考虑其他线路的影响。
其他出线的影响其他出线的影响健康线路健康线路故障线路健康线路健康线路故障线路比较故障线路及健全线路脉冲极性可以区分来自故障线路及健全线路的行波。
单端波形分析(续)单端波形分析(续)电压过零问题电压过零问题在电压相角过零或接近零时发生故障,产生的电压、电流在电压相角过零或接近零时发生故障,产生的电压、电流行波比较微弱,会造成保护或测距装置失败行波比较微弱,会造成保护或测距装置失败。
实际上实际上,绝大部分线路故障是绝缘击穿故障,电压过零或,绝大部分线路故障是绝缘击穿故障,电压过零或接近零故障的几率相当小。
接近零故障的几率相当小。
电压过零时,故障点一般呈永久金属性短路性质,利用重电压过零时,故障点一般呈永久金属性短路性质,利用重合闸脉冲在故障点的反射仍然可以测出故障距离。
合闸脉冲在故障点的反射仍然可以测出故障距离。
母线上无其他线路的问题母线上无其他线路的问题没有其他健康线路,在故障行波到达母线后,线路上只能没有其他健康线路,在故障行波到达母线后,线路上只能测量到由母线分布电容产生的持续时间比较短、幅值较小测量到由母线分布电容产生的持续时间比较短、幅值较小的电流脉冲信号,影响测量电流行波的测距方法应用效果的电流脉冲信号,影响测量电流行波的测距方法应用效果通过降低行波脉冲检测门槛值来提高检测灵敏度,这样做通过降低行波脉冲检测门槛值来提高检测灵敏度,这样做的同时也牺牲了装置的抗干扰能力;的同时也牺牲了装置的抗干扰能力;另外一种方案是加装电压行波传感器,测量电压行波脉冲另外一种方案是加装电压行波传感器,测量电压行波脉冲雷电波的影响雷电波的影响雷电波波头在几十致数百微秒之间,雷击在线路上产生电雷电波波头在几十致数百微秒之间,雷击在线路上产生电流行波,会造成行波测距装置启动。
流行波,会造成行波测距装置启动。
在行波装置两次启动之间要有一段等待(死区)时间,如在行波装置两次启动之间要有一段等待(死区)时间,如在雷击后造成装置一次启动记录后,紧接着又发生一次故在雷击后造成装置一次启动记录后,紧接着又发生一次故障,会出现漏记故障行波现象。
障,会出现漏记故障行波现象。
行波测距装置行波测距装置采用采用“无死区无死区”记录技术,避免雷击干扰造成记录技术,避免雷击干扰造成漏记故障行波现象。
漏记故障行波现象。
雷电波的影响(续)雷电波的影响(续)不要简单地将雷电记录作为不要简单地将雷电记录作为“废物废物”丢掉,对于线路防雷研丢掉,对于线路防雷研究是十分有意义的。
究是十分有意义的。
如果雷电波引起两端装置启动,可以利用双端故障测距原如果雷电波引起两端装置启动,可以利用双端故障测距原理,定位雷击点。
理,定位雷击点。
从波形上可以分辨所记录的是故障电流行波还是雷击线路从波形上可以分辨所记录的是故障电流行波还是雷击线路引起的电流行波。
雷击线路引起的三相电流幅值接近,波引起的电流行波。
雷击线路引起的三相电流幅值接近,波形同极性,且一般为正极性。
形同极性,且一般为正极性。
雷电波的影响(续)雷电波的影响(续)线路上出现过电压,造成避雷器放电时,行波测距系统感线路上出现过电压,造成避雷器放电时,行波测距系统感受到的效果和避雷器安装点出现短路故障一样,应注意识受到的效果和避雷器安装点出现短路故障一样,应注意识别。
别。
法国里昂400kV线路雷击波形85雷电波形雷电波形86雷电波形雷电波形87故障故障波形波形雷电波的影响雷电波的影响雷击造成线路故障时,雷电电流波与故障点短路电流相混雷击造成线路故障时,雷电电流波与故障点短路电流相混迭,行波波形复杂,增加了分析单端行波波形确定故障点迭,行波波形复杂,增加了分析单端行波波形确定故障点位置的难度。
位置的难度。
89雷电雷电波与故障波与故障波形的叠加波形的叠加绝缘子滑闪监测绝缘子滑闪监测20072007年年66月月33点点3333分分5252秒秒88毫秒记录到的波形毫秒记录到的波形扰动点距离花都站扰动点距离花都站102.5km102.5km绝缘子滑闪引起的?
绝缘子滑闪引起的?
90双端波形单端波形绝缘子滑闪监测绝缘子滑闪监测20072007年年66月月33点点3333分分5252秒秒6464毫秒记录到的波形毫秒记录到的波形扰动点距离花都站扰动点距离花都站102.4km102.4km91双端波形单端波形自恢复闪络波形自恢复闪络波形2007年6月6号广州花博线(全长137km)113公里处闪络第一个反射(23.5km)是远端反射,第二个反射(135.3km)是本侧母线的反射在对端的反射。
故障点立即恢复,没有反射。
9293谢谢!
谢谢!
Thankyou!
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