CN101459334A - 电力***故障信息获取方法 - Google Patents

Abstract

电力***故障信息获取方法，利用空间电磁场感应获取架空线路故障信息，通过测量架空线路下方电场获取故障电压行波、故障暂态及稳态电压信息，通过测量磁场获取故障电流行波、故障暂态及稳态电流信息。利用电容式电场传感器感应空间电场获取架空线路故障电压行波、暂态及稳态信息。对于小电流接地***，利用电磁场感应获取的暂态故障信息在特征频段内的分量计算故障方向，对于输电线路和配电线路，利用电磁场感应获取的故障电压、电流行波信息计算故障距离。具有获取故障行波信息、暂态及稳态故障电压、电流信息容易，大大提高了安全性，降低成本等优点。

Description

电力***故障信息获取方法

技术领域

本发明涉及一种电力***输电及配电架空线路故障信息的获取方法。

本发明尤其涉及一种利用空间电磁场感应获取故障行波信息、故障暂态信息和故障稳态信息。

背景技术

我国中压配电***广泛采用中性点非有效接地(不接地或经消弧线圈接地)运行方式，称为小电流接地***。应用于小电流接地***的单相接地故障检测装置，大都是通过检测***零序电流及零序电压来实现的。目前电力***中普遍采用的提取零序电流的方法是在电缆出线的***中装设零序电流互感器(TA)，在架空出线***中装设三相电流互感器(TA)，再通过三相TA合成零序电流信号。零序电压则是通过母线或线路处安装的电压互感器(TV)获得。这些方法与装置虽然能够获得小电流接地故障电压、电流信息，但是价格昂贵，体积庞大，需要停电安装，特别是在故障区段定位中，如果在沿线每个检测点安装零序TV、TA或三相TA来获取零序电压、电流信号，不仅投资巨大而且给***带来安全隐患，不利于大面积推广。

利用电磁感应式的电压互感器(TV)、电流互感器(TA)分别获取线路电压、电流行波信息的方法，已经在输电线路和配电线路获得广泛的应用。作为未来发展方向的光纤TV和光纤TA虽然能够传变高频行波信号，但其在数字化时采样频率较低，不能满足行波测距的要求。因此，研究新的、易于安装的行波信号的获取方法对于行波测距技术未来的发展十分关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种适用于不同结构的架空线路、易于实现、安装方便、成本低廉的基于空间电磁场感应的电力***故障信息获取方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：在架空线路下方安装电场传感器与磁场传感器，根据空间电磁场感应原理，通过感应不同方向的电场和磁场，获取故障行波、暂态及稳态故障电压、电流信息。

利用电场传感器感应线路下方垂直地面方向电场，获取故障产生的以零模为主的行波电压、暂态电压以及稳态电压信息，

利用电场传感器感应线路下方水平方向电场，获取故障产生的以线模为主的行波电压、暂态电压以及稳态电压信息，

利用磁场传感器感应线路下方水平方向磁场，获取故障产生的以零模为主的行波电流、暂态电流以及稳态电流信息，

利用磁场传感器感应线路下方垂直地面方向磁场，获取故障产生的以线模为主的行波电流、暂态电流以及稳态电流信息。

1.确定平行于地面三相线路下方零模电压的最佳检测点的方法是：

$\left[\begin{array}{ccc}{T}_a& T_b& T_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{L}_a& L_b& L_c\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{11}{\mathrm{\λ}}_{12}{\mathrm{\λ}}_{13}\\ {\mathrm{\λ}}_{21}{\mathrm{\λ}}_{22}{\mathrm{\λ}}_{23}\\ {\mathrm{\λ}}_{31}{\mathrm{\λ}}_{32}{\mathrm{\λ}}_{33}\end{array}\right]}^{-1}$

其中： $L_k=\frac{1}{2{\mathrm{\π\ϵ}}_0}[\frac{y-Y_k}{{(x-X_k)}^2+{(y-Y_k)}^2}-\frac{y+Y_k}{{(x-X_k)}^2+{(y+Y_k)}^2}],$ k＝a，b，c，三相导线坐标(X_k，Y_k)，检测点坐标(x，y)，ε₀为空气的介电常数，λ为各导线的自电位系数及互电位系数矩阵。

将实际线路的导线坐标等参数代入，解方程T_a＝T_b＝T_c得零模电压的最佳检测点P_E(x，y)。

2.在零模电压的最佳检测点处，垂直地面方向电场与零模电压成比例关系，通过感应零模电压最佳检测点处垂直地面方向的电场即可获取零模电压行波、暂态及稳态零模电压信号；在线路正下方附近偏离零模电压的最佳检测点的一定区域内，垂直地面方向电场故障分量中虽含有电压线模分量，但是仍然以零模分量为主，通过感应该区域内各点处的垂直地面方向电场获取以零模分量为主的小电流接地故障行波电压、暂态及稳态电压信息。

3.确定平行于地面三相线路下方零模电流的最佳检测点的方法是：

$S_k=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\frac{Y_k-y}{{(X_k-x)}^2+{(Y_k-y)}^2},$ k＝a，b，c；μ₀为空气的磁导率，将实际线路的导线坐标(X_k，Y_k)代入S_k，解方程S_a＝S_b＝S_c得零模电流的最佳检测点P_B(x，y)。

4.在零模电流的最佳检测点处水平方向磁场与零模电流成比例关系，通过感应零模电流的最佳检测点处的水平方向磁场即可获取零模电流行波、暂态及稳态零模电流信号；在线路正下方附近偏离零模电流的最佳检测点的一定区域内，水平方向磁场故障分量中含有电流线模分量，但是仍然以零模分量为主，通过感应该区域内各点的水平方向磁场获取以零模分量为主的小电流接地故障电流行波、暂态及稳态电流信息。

5.利用本方法获取线模分量的实现过程为：

当检测点位于线路正下方时，水平方向电场与线模电压成比例关系，通过感应水平方向电场可获取故障线模电压行波、暂态及稳态电压线模分量。当检测点偏离线路正下方较小时，水平方向电场故障分量以线模分量为主，通过感应水平方向电场可以获取以线模分量为主的故障电压行波、暂态及稳态电压信息。

当检测点位于线路正下方时，垂直地面方向磁场与线模电流成比例关系，通过感应垂直地面方向磁场可获取故障线模电流行波、暂态及稳态电流线模分量；当检测点偏离线路正下方较小时，检测点处垂直地面方向磁场故障分量以线模分量为主，通过感应垂直地面方向磁场可以获取以线模分量为主的故障电流行波、暂态及稳态电流信息。

6.本方法所采用的电场传感器为电容式，磁场传感器则采用单个线圈。电容式电场传感器由金属电极和前置放大电路组成，利用金属薄板作为传感器的电极，利用电荷放大器作为前置放大电路，电荷放大电路的输出电压U_o与垂直于极板的电场E的关系为：

$U_o=-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{C_f}E.$

式中：A为极板面积；C_f为电荷放大电路反馈电容。

7.利用电场传感器及磁场传感器获取以零模为主的故障暂态电压、暂态电流信息实现小电流接地故障选线(故障线路选择)与区段定位；利用获取以零模分量为主的故障行波电压、行波电流信息实现小电流接地故障测距；利用获取以线模为主的故障行波电压、行波电流信息实现短路及小电流接地故障测距。

8.按照下述公式计算故障方向，实现故障选线与区段定位：

$Q_0=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{U}_B\left(t\right)\widehat{U_E}\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{\mathrm{\πT}}{\∫}_0^T{U}_B\left(t\right){\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{U_E\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τdt}$

式中：U_B(t)为磁场传感器的输出电压，反映以零模分量为主的小电流接地故障暂态电流信息；U_E(t)为电场传感器的输出电压，反映以零模分量为主的小电流接地故障暂态电压信息。

如果Q₀<0，则故障位于检测点下游；如果Q₀≥0则故障位于检测点上游或是其它出线。

与现有技术相比本发明的有益效果是：利用空间电磁场感应获取架空线路故障信息的方法，不仅可以有效获取故障行波信息、故障暂态及稳态信息，还可以兼顾成本和实用性，装置结构简单，体积小，感应装置与高压线路存在较大的电气安全距离，安装维护时不需停电，提高了安全性，降低了成本。

附图说明

图1为三相导线与电磁场测量点坐标***示意图；

图2为线路正下方5米处垂直地面方向电场与T₀u₀暂态仿真波形；

图3为线路正下方5米处水平方向磁场与S₀i₀暂态仿真波形；

图4为位于母线端检测点处的水平方向电场行波仿真波形；

图5为位于母线端检测点处的垂直地面方向磁场行波仿真波形；

图6为电容式电场传感器示意图；

图7为磁场传感器示意图；

图8为非接触式故障区段定位示意图；

图9为磁场传感器在故障选线中应用示意图；

图10为利用电磁场感应获取故障行波信息实现输配电线路故障测距示意图。

其中：Ey为垂直电场强度；C_f为积分电路用电容；Bx为水平方向磁场强度；S和R分别为两个测量端。

具体实施方式

下面结合附图对本方法作进一步说明。

本发明的电力***故障信息获取方法，可以应用在不同电压等级不同结构的架空线路中。可以用来实现小电流接地故障选线与区段定位以及输配电线路行波测距，下面分别叙述：

1.以零模分量为主的故障信息获取方法的实现过程为：

(1)以零模分量为主的故障电压信息获取方法实现过程为：

利用等效电荷法计算电场强度，设三相导线无限长并与地面平行，地面电位为0，在某一瞬间，A、B、C三相线路的电位为u_a、u_b、u_c，其单位长度等效电荷为τ_a、τ_b、τ_c，则：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&tau;}}_a\\ {\mathrm{\&tau;}}_b\\ {\mathrm{\&tau;}}_c\end{array}\right]={\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&lambda;}}_{11}{\mathrm{\&lambda;}}_{12}{\mathrm{\&lambda;}}_{13}\\ {\mathrm{\&lambda;}}_{21}{\mathrm{\&lambda;}}_{22}{\mathrm{\&lambda;}}_{23}\\ {\mathrm{\&lambda;}}_{31}{\mathrm{\&lambda;}}_{32}{\mathrm{\&lambda;}}_{33}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中： $\mathrm{\&lambda;}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&lambda;}}_{11}{\mathrm{\&lambda;}}_{12}{\mathrm{\&lambda;}}_{13}\\ {\mathrm{\&lambda;}}_{21}{\mathrm{\&lambda;}}_{22}{\mathrm{\&lambda;}}_{23}\\ {\mathrm{\&lambda;}}_{31}{\mathrm{\&lambda;}}_{32}{\mathrm{\&lambda;}}_{33}\end{array}\right]$ 为各导线的自电位系数及互电位系数矩阵，可由镜像法求得。

在与三相导线垂直的平面内建立直角坐标***，如附图1所示，设导线坐标为(X_k，Y_k)，k＝a，b，c；检测点P坐标为(x，y)，三相导线在P点产生的垂直地面方向电场强度为：

$E_y=\left[\begin{array}{ccc}{L}_a& L_b& L_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&tau;}}_a\\ {\mathrm{\&tau;}}_b\\ {\mathrm{\&tau;}}_c\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中： $L_k=\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&epsiv;}}_0}[\frac{y-Y_k}{{(x-X_k)}^2+{(y-Y_k)}^2}-\frac{y+Y_k}{{(x-X_k)}^2+{(y+Y_k)}^2}],$ k＝a，b，c；ε₀为空气的介电常数。将(1)式代入(2)式得垂直地面方向电场与三相电压关系为：

$E_y=\left[\begin{array}{ccc}{L}_a& L_b& L_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&tau;}}_a\\ {\mathrm{\&tau;}}_b\\ {\mathrm{\&tau;}}_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{T}_a& T_b& T_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中：[T_a T_b T_c]＝[L_a L_b L_c][λ]^-1    (4)

根据Karrenbauer变换，将(3)式变换为模分量***，变换矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -2& 1\\ 1& 1& -2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_0\\ u_1\\ u_2\end{array}\right]$

垂直地面方向电场与电压模分量的关系为：

E_y＝T₀u₀+T₁u₁+T₂u₂

式中：T₀＝T_a+T_b+T_c；T₁＝T_a-2T_b+T_c；T₂＝T_a+T_b-2T_c。

根据实际线路结构参数，将导线坐标等参数代入，解方程T₁＝T₂＝0，即T_a＝T_b＝T_c，得零模电压的最佳检测点P_E(x，y)，该点处E_y＝T₀u₀＝3T_au₀，即零模电压的最佳检测点处垂直地面方向电场与零模电压成比例关系，测量该点处的垂直地面方向电场即可获得零模电压行波、暂态及稳态零模电压信号。

在三相架空线路正下方附近偏离零模电压的最佳检测点的一定区域内，各点处 $E_y=T_0{u}_0+T_1{u}_1+T_2{u}_2=T_0{u}_0(1+\frac{T_1{u}_1}{T_0{u}_0}+\frac{T_2{u}_2}{T_0{u}_0}),$ T₁，T₂不为零，但是T₁，T₂相对于T₀很小，并且u₁、u₂相对于u₀较小，因此在线路正下方附近偏离零模电压的最佳检测点的一定区域内，垂直地面方向电场故障分量虽然含有电压线模分量，但是以故障电压零模分量为主导，可表示为E_fy≈T₀u₀，因此可通过感应该区域内各检测点处垂直地面方向电场获取以零模分量为主的电压行波、暂态及稳态电压信息，进一步实现故障选线与区段定位以及输配电行波测距。

在典型10KV架空线路中，三相导线成“正三角形”排列，底边离地面高度10m，三相导线两两间距1m，导体半径0.0033m，在此结构下零模电压的最佳检测点位于线路正下方离地面高度9.715m处，该点处E_y＝T₀u₀＝3T_au₀；在线路正下方离地面高度5m处， $\left|\frac{T_1}{T_0}\right|=0.22,$ $\left|\frac{T_2}{T_0}\right|=0.11,$ T₁，T₂相对于T₀很小，该点处E_fy≈T₀u₀。

在三相线路成“一字”排列，导线离地面高度10m，导线间距0.5m，导体半径0.0033m结构下，零模电压的最佳检测点位于线路正下方离地面高度7.8m处，该点处E_y＝T₀u₀＝3T_au₀；在线路正下方离地面高度5m处， $\left|\frac{T_1}{T_0}\right|=0.08,$ $\left|\frac{T_2}{T_0}\right|=0.04,$ T₁，T₂相对于T₀很小，该点处E_fy≈T₀u₀。

三相线路“一字”排列结构下，线路正下方5米处垂直地面方向电场与T₀u₀曲线如附图2所示。从中可见，二者间误差很小，完全可以满足工程应用的需求。

(2)以零模分量为主的故障电流信息获取方法实现过程为：

采用与电场相同的分析方法，平行于地面的三相线路下方，与三相导线垂直平面内水平磁场B_x与三相电流关系为：

$B_x=\left[\begin{array}{ccc}{S}_a& S_b& S_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

式中： $S_k=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{Y_k-y}{{(X_k-x)}^2+{(Y_k-y)}^2},$ k＝a，b，c；μ₀为空气的磁导率。

根据Karrenbauer变换，将***变为模分量***，水平磁场与电流模分量关系为：

B_x＝S₀i₀+S₁i₁+S₂i₂

式中：S₀＝S_a+S_b+S_c；S₁＝S_a-2S_b+S_c；S₂＝S_a+S_b-2S_c。

根据实际线路结构参数，将三相导线坐标参数代入，解方程S₁＝S₂＝0，即S_a＝S_b＝S_c得零模电流的最佳检测点P_B(x，y)，该点处B_x＝S₀i₀＝3S_ai₀，即零模电流的最佳检测点处水平方向磁场与零模电流成比例关系，感应该点处的水平磁场即可获得零模电流行波、暂态及稳态零模电流信号。在成“正三角形”排列的三相线路正下方，离地面高度 $y=\frac{{X_a}^2+{Y_a}^2-Y_a{Y}_b}{Y_a-Y_b}$ 处为零模电流的最佳检测点。

在三相架空线路正下方附近偏离零模电流的最佳检测点的一定区域内，各点处 $B_x=S_0{i}_0+S_1{i}_1+S_2{i}_2=S_0{i}_0(1+\frac{S_1{i}_1}{S_0{i}_0}+\frac{S_2{i}_2}{S_0{i}_0}),$ S₁，S₂不为零，但是S₁，S₂相对于S₀很小，水平方向磁场故障分量可近似表示为B_x≈S₀i₀，因此可通过感应该区域内的水平方向磁场获取以零模分量为主的故障电流行波、暂态及稳态电流信息，利用获得的故障信息进一步实现故障选线与区段定位以及输配电行波测距。

在三相线路成“正三角形”排列，底边高度10m，三相线路两两间距1m结构下，零模电流的最佳检测点位于线路正下方离地面高度9.711m处，该点处B_x＝S₀i₀＝3S_ai₀；在线路正下方离地面高度5m处， $\left|\frac{S_1}{S_0}\right|=0.097,$ $\left|\frac{S_2}{S_0}\right|=0.049,$ S₁，S₂相对于S₀很小，B_x≈S₀i₀。

在三相线路成“一字”排列，导线高度10m，导线间距0.5m结构下，线路正下方不存在零模电流的最佳检测点，在线路正下方离地面高度5m处， $\left|\frac{S_1}{S_0}\right|=0.0066,$ $\left|\frac{S_2}{S_0}\right|=0.0033,$ S₁，S₂相对于S₀很小，B_x≈S₀i₀。上述“一字”排列架空线路结构下，线路正下方离地面高度5米处水平方向磁场与S₀i₀波形如附图3所示。从中可见，二者间误差很小，完全可以满足工程应用的需求。

2.以线模分量为主的故障信息获取方法的实现过程为：

(1)以线模分量为主的故障电压信息获取方法的实现过程：

在附图1所示的***中，三相导线在P点产生的水平方向电场强度表示为：

$E_x=\left[\begin{array}{ccc}{Q}_a& Q_b& Q_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]$

式中：[Q_a Q_b Q_c]＝[H_a H_b H_c][λ]^-1； $H_k=\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&epsiv;}}_0}\left[\frac{x-X_k}{{(x-X_k)}^2+{(y-Y_k)}^2}\frac{x-X_k}{{(x-X_k)}^2+{(y+Y_k)}^2}\right]$

根据Karrenbauer变换，将***变为模分量***，水平电场表示为：

E_x＝Q₀u₀+Q₁u₁+Q₂u₂

式中：Q₀＝Q_a+Q_b+Q_c；Q₁＝Q_a-2Q_b+Q_c；Q₂＝Q_a+Q_b-2Q_c。

当检测点位于线路正下方即横坐标x＝0时，将线路结构参数代入，可得Q₀＝Q₁＝0，即E_x＝Q₂u₂，即线路正下方(x＝0)水平方向电场反映故障电压线模分量，感应线路正下方水平方向电场可获取故障线模电压行波、暂态及稳态线模电压信号。当检测点偏离线路正下方较小时(检测点坐标x≠0)， $E_x=Q_2{u}_2(1+\frac{Q_0{u}_0}{Q_2{u}_2}+\frac{Q_1{u}_1}{Q_2{u}_2}),$ Q₀，Q₁不等于零但是相对于Q₂很小，检测点处水平方向电场故障分量可近似表示为E_x≈Q₂u₂，通过检测水平方向电场可以获取以线模分量为主的故障电压行波、暂态及稳态电压信息。

位于母线处的检测点检测到的由两相短路故障产生的水平方向电场行波仿真波形如附图4所示。

(2)以线模分量为主的故障电流信息获取方法的实现过程：

在附图1所示的***中，三相导线在P点产生的垂直地面方向磁感应强度表示为：

$B_y=\left[\begin{array}{ccc}{W}_a& W_b& W_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

式中： $W_k=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{X_k-x}{{(X_k-x)}^2+{(Y_k-y)}^2}$

根据Karrenbauer变换，将***变为模分量***，垂直地面方向磁场表示为：

B_y＝W₀i₀+W₁i₁+W₂i₂

式中：W₀＝W_a+W_b+W_c；W₁＝W_a-2W_b+W_c；W₂＝W_a+W_b-2W_c。

当检测点位于线路正下方即坐标x＝0处时，将线路结构参数及检测点坐标x＝0代入W_k，可得W₀＝W₁＝0，B_y＝W₂i₂＝3W_ai₂，即线路正下方(x＝0)垂直地面方向磁场与故障电流线模分量成比例，通过感应垂直地面方向磁场可获取故障线模电流行波、暂态及稳态电流信号。当偏离线路正下方较小时，W₀，W₁不为零， $B_y=W_2{i}_2(1+\frac{W_0{i}_0}{W_2{i}_2}+\frac{W_1{i}_1}{W_2{i}_2}),$ 但是W₀，W₁相对于W₂很小，检测点处垂直地面方向磁场故障分量可近似表示为B_y≈W₂i₂，通过感应垂直地面方向磁场可以获取以线模分量为主的故障电流行波、暂态及稳态电流信息。

位于母线处的检测点检测到的由两相短路故障产生的垂直地面方向磁场行波仿真波形如附图5所示。

3、电磁场信号的测量

(1)利用电容式电场传感器感应不同方向的电场获取故障电压行波、暂态及稳态电压信息。

电容式电场传感器由金属电极和前置放大电路组成，如附图6所示。两块金属薄板作为电场传感器的电极，由于垂直于极板方向电场的变化引起极板上下表面的电荷量产生相应的变化，因此通过测量极板表面的电荷量可实现电场测量。电场传感器的频率特性、阻抗匹配以及抗干扰能力主要取决于前置放大电路，为解决输出电压受电极电容、连接电缆分布电容以及前置放大电路输入电容等的影响，采用电荷放大电路作为前置放大电路。

电荷放大电路的输出电压U_o与极板电荷q、垂直于极板的电场E的关系为：

$U_o=-\frac{q}{C_f}=-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_{0}A}{C_f}E$

式中：A为极板面积；C_f为电荷放大电路反馈电容。

(2)利用单个线圈感应线路下方单点处的不同方向磁场获取故障电流行波、暂态及稳态电流信息。

磁场传感器由圆柱型空心(或导磁材料内核)线圈及相应的信号处理电路组成，如附图7所示。当穿过线圈的磁场变化时引起线圈上感生的电动势变化，利用此特征实现对磁场的测量从而获得故障电流行波、暂态及稳态电流信息。

4.滤除获取的以零模分量为主的暂态故障信息中起干扰作用的分量而保留特征频段内分量，利用故障暂态信息在特征频段内的分量计算故障方向，实现过程为：

根据保护速度的要求，取故障后一固定时间段作为暂态数据时间窗口，选取故障后零模网络所有线路均成容性的低频段作为特征频段。对以零模分量为主的电场传感器、磁场传感器的输出信号进行滤波，保留特征频段分量，根据公式 $Q_0=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{U}_B\left(t\right)\widehat{U_E}\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;T}}{\&Integral;}_0^T{U}_B\left(t\right){\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}\frac{U_E\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{t-\mathrm{\&tau;}}\mathrm{d\&tau;dt}$ 计算故障方向，进一步实现小电流接地故障选线与区段定位。

式中：U_B(t)为磁场传感器的输出电压，反映以零模分量为主的小电流接地故障暂态电流信息；U_E(t)为电场传感器的输出电压，反映以零模分量为主的小电流接地故障暂态电压信息。

5.利用获取的以零模分量为主的故障行波信息计算故障距离，实现对小电流接地故障的行波测距；利用获取的以线模分量为主的故障行波信息实现对短路和小电流接地故障的行波测距。实现过程为：

设行波测距装置通过电磁场传感器记录下的故障初始行波波头到达线路两端检测点的时间分别为T_S和T_R，两端检测点S、R之间的距离为L，则故障点与检测点距离可由下式计算：

$X_S=\frac{(T_S-T_R)v+L}{2},$   $X_R=\frac{(T_R-T_S)v+L}{2}$

式中：v为波速度。

实施例1：

1、利用以零模分量为主的暂态故障信息实现小电流接地故障区段定位

利用本发明实现小电流接地故障区段定位可以是专一功能的故障指示器，也可以用FTU代替故障指示器作为核心处理单元，统称为故障指示装置。典型的故障自动定位***由三部分组成：分布于线路各个检测点处的故障指示装置，通信网络(如GPRS等)，故障自动定位***主站。故障指示装置采集电场、磁场传感器输出的故障电压、电流信息。发生故障后，利用故障信息在特征频段内的分量计算故障方向，故障指示装置通过通信***将故障信息上报故障自动定位主站。故障自动定位主站接收到各个故障指示装置上报的故障信息后确定故障区段并发出报警信号，实现故障自动定位，具体实现步骤如下：

故障指示装置：

1)根据实际的线路结构参数，确定电场、磁场检测点位置，

由于故障指示装置安装在杆塔上，位于线路正下方，忽略测量点偏离水平方向的误差，根据实际线路结构参数解方程T_a＝T_b＝T_c，确定在此线路结构下的零模电压的最佳检测点P_E(x，y)，

在三相导线成“正三角”排列的结构下，将实际线路结构参数代入 $y=\frac{{X_a}^2+{Y_a}^2-Y_a{Y}_b}{Y_a-Y_b},$ 确定零模电流的最佳检测点P_B(x，y)，

2)安装电场、磁场传感器，获取以零模分量为主的小电流接地故障暂态电压、电流信息，

3)根据暂态信号的主谐振频率确定特征频段范围，

4)对电场、磁场传感器输出信号滤波获得在特征频段内的分量，

5)根据 $Q_0=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{U}_B\left(t\right)\widehat{U_E}\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;T}}{\&Integral;}_0^T{U}_B\left(t\right){\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}\frac{U_E\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{t-\mathrm{\&tau;}}\mathrm{d\&tau;dt}$ 计算故障方向，故障指示装置通过通信网络将故障信息上报自动定位主站。非接触式故障区段定位示意图如附图8所示。

故障自动定位主站：

根据故障线路上不同检测点故障信息确定故障区段。故障点位于一侧故障检测节点Q₀<0而另一侧故障检测节点Q₀>0的两检测点之间。当发生接地故障后，如果所有检测节点Q₀>0，则故障点位于故障线路出口到第一个检测点区段上；如果某条线路上的所有检测节点Q₀<0，则故障点位于该线路最后一个检测点和线路末端区段上。

实施例2：

2、利用以零模分量为主的暂态故障信息实现小电流接地故障选线

故障选线装置安装在变电站内，利用安装在母线处的电压互感器(TV)即可获取零序电压信号，不需要额外安装电场传感器。对于电缆出线，可通过零序TA获得零序电流信号，对于不能获取零序电流的架空出线，可在架空出线穿墙套管附近墙上装设磁场传感器，如附图9所示；实现步骤如下：

1)根据实际的线路结构参数，确定磁场检测点位置，

2)在不能获取零序电流的架空出线穿墙套管附近墙上安装磁场传感器并接入小电流接地故障选线装置，获取以零模分量为主的故障暂态电流信息，

3)将零序电压接入小电流接地故障选线装置，获取故障暂态电压信息，

4)根据暂态信号的主谐振频率确定特征频段范围，

5)对暂态故障信号进行滤波获得特征频段分量，

6)根据 $Q_0=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{U}_B\left(t\right){\hat{u}}_0\left(t\right)\mathrm{dt}$ (安装磁场传感器线路)或 $Q_0=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{i}_0\left(t\right){\hat{u}}_0\left(t\right)\mathrm{dt}$ (安装零序电流互感器线路)计算故障方向，

7)比较各条出线故障方向确定故障线路，

故障线路的Q₀为负、而健全线路Q₀为正。利用本方法确定故障线路，在确定故障线路后以不同的形式提供选线结果和报警信号。并能根据需要将故障数据或分析结果上传上级主站或远方***。

实施例3：

3、利用以零模分量为主的行波信息实现小电流接地故障行波测距，利用以线模分量为主的行波信息实现短路及小电流接地故障行波测距

1)在线路两端正下方附近安装电场传感器和(或)磁场传感器检测空间电场和(或)磁场获取以零模分量或线模分量为主的故障电压和(或)电流行波信号，如附图10所示，

2)线路两端测距装置记录通过电磁场传感器获取的故障行波信息并将数据远传至控制中心PC工作站，

3)利用记录的以零模分量为主的故障初始行波到达线路两端检测点的时间，根据 $X_S=\frac{(T_S-T_R)v+L}{2}$ 与 $X_R=\frac{(T_R-T_S)v+L}{2}$ 计算故障距离或由操作人员在计算机辅助下分析行波数据确定故障距离，实现小电流接地故障测距，

4)利用记录的以线模分量为主的故障初始行波到达线路两端检测点的时间，根据 $X_S=\frac{(T_S-T_R)v+L}{2}$ 与 $X_R=\frac{(T_R-T_S)v+L}{2}$ 计算故障距离或由操作人员在计算机辅助下分析行波数据确定故障距离，实现短路及小电流接地故障测距。

Claims (9)

1、电力***故障信息获取方法，利用空间电磁场感应获取故障信息，其特征在于：在架空线路下方安装电场传感器与磁场传感器，通过感应不同方向的电场和磁场，获取故障产生的电压和电流的行波、暂态及稳态不同分量的故障信息。

2、根据权利要求1所述的电力***故障信息获取方法，其特征在于：

a 利用电场传感器感应线路下方垂直地面方向电场，获取故障产生的以零模为主的行波电压、暂态电压以及稳态电压信息；

b 利用电场传感器感应线路下方水平方向电场，获取故障产生的以线模为主的行波电压、暂态电压以及稳态电压信息；

c 利用磁场传感器感应线路下方水平方向磁场，获取故障产生的以零模为主的行波电流、暂态电流以及稳态电流信息；

d 利用磁场传感器感应线路下方垂直地面方向磁场，获取故障产生的以线模为主的行波电流、暂态电流以及稳态电流信息。

3、根据权利要求2所述的电力***故障信息获取方法，其特征在于：

a 确定平行于地面三相线路下方零模电压最佳检测点的方法为：

$\left[\begin{array}{ccc}{T}_a& T_b& T_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{L}_a& L_b& L_c\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&lambda;}}_{11}{\mathrm{\&lambda;}}_{12}{\mathrm{\&lambda;}}_{13}\\ {\mathrm{\&lambda;}}_{21}{\mathrm{\&lambda;}}_{22}{\mathrm{\&lambda;}}_{23}\\ {\mathrm{\&lambda;}}_{31}{\mathrm{\&lambda;}}_{32}{\mathrm{\&lambda;}}_{33}\end{array}\right]}^{-1}$

其中： $L_k=\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&epsiv;}}_0}[\frac{y-Y_k}{{(x-X_k)}^2+{(y-Y_k)}^2}-\frac{y+Y_k}{{(x-X_k)}^2+{(y+Y_k)}^2}],$ k＝a，b，c，(X_k，Y_k)为三相导线坐标，(x，y)为检测点坐标，ε₀为空气的介电常数，λ为各导线的自电位系数及互电位系数矩阵；

将实际线路的坐标等参数代入，解方程T_a＝T_b＝T_c得零模电压的最佳检测点P_E(x，y)；

b确定平行于地面三相线路下方零模电流最佳检测点的方法为：

$S_k=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{Y_k-y}{{(X_k-x)}^2+{(Y_k-y)}^2},$ k＝a，b，c；μ₀为空气的磁导率，将实际线路的导线坐标(X_k，Y_k)代入S_k，解方程S_a＝S_b＝S_c得零模电流的最佳检测点P_B(x，y)。

4、根据权利要求2或3所述的电力***故障信息获取方法，其特征在于：

a 在零模电压的最佳检测点处垂直地面方向电场与零模电压成比例关系，通过感应零模电压最佳检测点处垂直地面方向的电场获取零模电压信号的行波、暂态和稳态分量，在线路下方偏离零模电压最佳检测点的一定区域内，垂直地面方向电场中仍然以零模分量为主，通过感应该区域内各点处的垂直地面方向电场获取以零模分量为主的电压信号的行波、暂态和稳态分量；

b 在零模电流的最佳检测点处水平方向磁场与零模电流成比例关系，通过感应零模电流最佳检测点处的水平方向磁场获取零模电流信号的行波、暂态和稳态分量，在线路下方偏离零模电流最佳检测点的一定区域内，水平方向磁场中仍然以零模分量为主，通过感应该区域内各点的水平方向磁场获取以零模分量为主的电流信号的行波、暂态和稳态分量。

5、根据权利要求2所述的电力***故障信息获取方法，其特征在于：

a 线路正下方的水平方向电场与线模电压成比例关系，通过感应水平方向电场可获取线模电压信号的行波、暂态和稳态分量，在偏离线路正下方的一定区域内水平方向电场仍然以线模分量为主，通过感应水平方向电场获取以线模分量为主的电压信号的行波、暂态和稳态分量；

b 线路正下方的垂直地面方向磁场与线模电流成比例关系，通过感应垂直地面方向磁场可获取线模电流信号的行波、暂态和稳态分量，偏离线路正下方的一定区域内垂直地面方向磁场仍然以线模分量为主，通过感应垂直地面方向磁场获取以线模分量为主的电流信号的行波、暂态和稳态分量。

6、根据权利要求1或2所述的电力***故障信息获取方法，其特征在于：电场传感器采用电容式，磁场传感器采用单个线圈。

7、根据权利要求6所述的电力***故障信息获取方法，其特征在于：

电容式电场传感器由金属电极和前置放大电路组成，利用金属薄板作为传感器的电极，利用电荷放大器作为前置放大电路，电荷放大电路的输出电压U_o与垂直于极板的电场E的关系为： $U_o=-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_{0}A}{C_f}E,$

式中：A为极板面积；C_f为电荷放大电路反馈电容。

8、根据权利要求1或2所述的电力***故障信息获取方法，其特征在于：

a 利用电场传感器及磁场传感器获取以零模为主的故障暂态电压、暂态电流信息实现小电流接地故障选线(故障线路选择)与区段定位；

b 利用电场传感器及磁场传感器获取以零模为主的故障行波电压、行波电流信息实现小电流接地故障测距；

c 利用电场传感器及磁场传感器获取以线模为主的故障行波电压、行波电流信息实现短路及小电流接地故障测距。

9、根据权利要求8所述的电力***故障信息获取方法，其特征在于：小电流接地故障选线与区段定位方法是，

利用下述公式计算故障方向：

$Q_0=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{U}_B\left(t\right)\widehat{U_E}\mathrm{dt}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;T}}{\&Integral;}_0^T{U}_B\left(t\right){\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}\frac{U_E\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{t-\mathrm{\&tau;}}\mathrm{d\&tau;dt}$

式中：U_B(t)为磁场传感器的输出电压，反映以零模分量为主的小电流接地故障暂态电流信息；U_E(t)为电场传感器的输出电压，反映以零模分量为主的小电流接地故障暂态电压信息；

如果Q₀<0，则故障位于检测点下游；如果Q₀≥0则故障位于检测点上游或其它出线。

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