CN106940413A - 高压长电缆线路的短路故障区段判断方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压长电缆线路的短路故障区段判断方法，用于判断高压长电缆线路中短路故障发生于哪一电缆交叉互联段中，每个电缆交叉互联段均包括若干段线芯直接相连构成三相电缆线路、金属护层交叉相连构成三段护层连接通路的电缆段，短路故障区段判断方法为：分别检测每个电缆交叉互联段中的三段护层连接通路两端的电流方向，若某一电缆交叉互联段中任意一段护层连接通路两端的电流方向相反，则该电缆交叉互联段中发生短路故障。本发明以电缆交叉互联段两端的电流方向作为判据来判断该电缆交叉互联段内是否发生短路故障，其可以实现在线监测，能够在故障发生后快速及时地找出故障区段。

Description

高压长电缆线路的短路故障区段判断方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于对高压长电缆线路中短路故障发生于哪一所述电缆交叉互联段中进行判断的方法和装置。

背景技术

距离保护在高压输电线路中应用广泛，基于参数识别的保护原理采用故障后***变化的参数构成保护判据。而高压长电缆线路具有输电距离长、输送容量大、分布参数特性明显、包含多个完整的电缆交叉互联段、线路通道环境复杂的特点，将显著影响距离保护算法的动作性能。由于测量阻抗与故障距离不再呈正比关系，传统距离保护算法的保护范围将缩小。在实际应用中，利用线路阻抗的距离保护还存在着线路阻抗计算不准确、线路长度信息不完整的情况。

行波法是另一种被广泛用于架空线路或电缆线路的故障测距的方法。该方法通过检测故障线路上的暂态行波在母线与故障点之间的传播时间进行故障测距，由于暂态行波的传播速度接近光速，基于行波法的故障定位模式存在噪声消除和波头时刻提取的问题，另外，多个交叉互联段和复杂的线路通道环境造成长电缆线路的波速度不统一、波阻抗不连续，这类方法难以应用于实际的长电缆线路中。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于高压长电缆线路中，能够快速、方便地判断出短路故障发生于其中哪一电缆交叉互联段的高压长电缆线路的短路故障区段判断方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高压长电缆线路的短路故障区段判断方法，用于判断由若干电缆交叉互联段构成的高压长电缆线路中短路故障发生于哪一所述电缆交叉互联段中，每个所述电缆交叉互联段均包括若干段线芯直接相连构成三相电缆线路、金属护层交叉相连构成三段护层连接通路的电缆段，所述短路故障区段判断方法为：分别检测每个所述电缆交叉互联段中的三段所述护层连接通路两端的电流方向，若某一所述电缆交叉互联段中任意一段所述护层连接通路两端的电流方向相反，则该所述电缆交叉互联段中发生短路故障。

优选的，采集每个所述电缆交叉互联段中的三段所述护层连接通路两端的电流信号，对所述电流信号做快速傅里叶变换而得到所述电流信号的相角；再对每段所述护层连接通路两端的电流信号的相角进行相位差运算，从而判断每段所述护层连接通路两端的电流方向是否相反。

优选的，任意一段所述护层连接通路两端的电流信号的相角之差在以±180°为中心的相位允许范围之内时，则判断该段所述护层连接通路两端的电流方向相反。

优选的，所述相位允许范围为(120°，240°)∪(-240°，-120°)。

本发明还提供了一种采用上述高压长电缆线路的短路故障区段判断方法的短路故障区段判断装置，所述短路故障区段判断装置包括分别检测各所述电缆交叉互联段中各段所述护层连接通路两端的电流信号的若干个电流互感器、与各所述电流互感器相连接并判断各所述电缆交叉互联段中是否发生短路故障的主机，所述主机与监控中心远程通信连接。

优选的，每段所述护层连接通路的两端均连接接地箱，所述电流互感器设置于所述接地箱处。

优选的，所述主机通过天线经由GPRS/3G/4G网络与所述监控中心进行远程通信。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明以电缆交叉互联段两端的电流方向作为判据来判断该电缆交叉互联段内是否发生短路故障，其可以实现在线监测，能够在故障发生后快速及时地找出故障区段。

附图说明

附图1为电力***的机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：如附图1所示的简单电力***，它由电源——传输线——负载组成，其中，传输线采用高压长电缆线路。高压长电缆线路由若干相连接的若干电缆交叉互联段，每个电缆交叉互联段中又包括若干电缆段。在每个电缆交叉互联段中，电缆段分别线芯直接相连构成三相电缆线路，金属护层交叉相连构成三段护层连接通路。在附图1所示的具体实例中，该高压长电缆线路包括三个完整的电缆交叉互联段，分别为交叉互联段1、交叉互联段2和交叉互联段3。而每个完整的电缆交叉互联段又由九段电缆段构成。以交叉互联段1为例，其所包括的九段电缆段分别为A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3。这九段电缆段均分为三组，其中A1、A2、A3的线芯依次直接相连接构成A相电缆线路，B1、B2、B3的线芯依次直接相连接构成B相电缆线路，C1、C2、C3的线芯依次直接相连接构成C相电缆线路。而各电缆段的金属护层则采用以下方式交叉相连：A1、B2、C3的金属护层依次连接而构成第一段护层连接通路，B1、C2、A3的金属护层依次连接而构成第二段护层连接通路，C1、A2、B3的金属护层依次连接而构成第三段护层连接通路。两段电缆段的金属护层之间通过交叉互联箱J1、J2实现交叉互联。交叉互联段2和交叉互联段3的结构与交叉互联段1的结构类似，参见附图1，这里不再赘述。

以各个电缆交叉互联段为对象，判断整个高压长电缆线路中短路故障发生于哪一电缆交叉互联段采用以下方法：分别检测每个电缆交叉互联段中的三段护层连接通路两端的电流方向，若某一电缆交叉互联段中任意一段护层连接通路两端的电流方向相反，则该电缆交叉互联段中发生短路故障。

对于交叉互联段1，其三段护层连接通路两端的共计六个电流信号分别为：A1—B2—C3两端的I_1a、I_2c；B1—C2—A3两端的I_1b、I_2a；C1—A2—B3两端的I_1c、I_2b。对于交叉互联段2，其三段护层连接通路两端的共计六个电流信号分别为：A4—C5—B6两端的I_3a、I_4b；B4—A5—C6两端的I_3b、I_4c；C4—B5—A6两端的I_3c、I_4a。对于交叉互联段3，其三段护层连接通路两端的共计六个电流信号分别为：A7—B8—C9两端的I_5a、I_6c；B7—C8—A9两端的I_5b、I_6a；C7—A8—B9两端的I_5c、I_6b。

附图1所示的电缆线路，当其中任意一段出现电缆线路击穿故障时，线芯对金属护层形成短路，线芯电流直接通过金属护层从两端的接地点流入大地，引起故障的电缆段及其所在的电缆交叉互联段的金属护层电流升高，金属护层电流接近故障电流。同时由于电磁感应效应，故障线路临近的线路也会感应产生一个较大电流。基于此，本发明将根据故障下护层电流的变化进行故障定位。

对于图1所示的长电缆线路，电缆的金属护层因线芯感应的电流幅值有限，发生故障时，故障电流从故障点线芯经过金属护层至两端接地点流入大地，故障段护层电流很大，两端传感器监测到护层电流方向相反；非故障段由于故障相线路线芯电流很大(靠近电源方向)或缺失(靠近负载方向)导致三相不平衡严重，非故障段的护层电流也会升高，但由于是故障电流感应的结果，非故障段护层电流幅值小于故障段，非故障段两端护层电流方向相同。为使故障区段判据更加显著，本发明主要使用故障区段(电缆交叉互联段)两端护层电流方向相反作为判据。

由于故障时电缆金属护层电流存在暂态过程，故障电流主要为工频电流，因此需要通过FFT(Fast Fourier Transformation：快速傅里叶变换)的方法提取电流的工频信号。即采集每个电缆交叉互联段中的三段护层连接通路两端的电流信号，对电流信号做快速傅里叶变换而得到电流信号的相角。由于在长电缆线路中线芯任何一点接地故障发生时，故障电流都会沿金属护层从两端接地点流入大地，因此两端护层电流方向相反。两端电流工频信号的相位差接近180°，由于一个完整交叉互联段内的电缆线路一般不超过1500m，故障时两端护层电流信号的相位差不会因故障点距离两端长度不相等有很大差别。故再对每段护层连接通路两端的电流信号的相角进行相位差运算，从而判断每段护层连接通路两端的电流方向是否相反。

本发明中用B(I)表示电流信号I的工频相位(单位为角度)，P(section)表示对应电缆交叉互联段的护层电流相位差(section∈[“C1”“C2”“C3”]，其中“C1”“C2”“C3”分别表示完整的交叉互联段1、交叉互联段2、交叉互联段3)。

则交叉互联段1内的三段护层连接通路的相位差分别为：

P(C1A)＝B(I_2c)-B(I_1a)

P(C1B)＝B(I_2a)-B(I_1b)

P(C1C)＝B(I_2b)-B(I_1c)

对交叉互联段2、交叉互联段3则有：

P(C2A)＝B(I_4b)-B(I_3a)

P(C2B)＝B(I_4c)-B(I_3b)

P(C2C)＝B(I_4a)-B(I_3c)

P(C3A)＝B(I_6c)-B(I_5a)

P(C3B)＝B(I_6a)-B(I_5b)

P(C3C)＝B(I_6b)-B(I_5c)

通常，任意一段护层连接通路两端的电流信号的相角之差在以±180°为中心的相位允许范围之内时，则判断该段护层连接通路两端的电流方向相反。由于故障下的故障区段和非故障区段的相位差区别较大，因此在制定故障区段判据时可以留较大的裕度，则相位允许范围为(120°，240°)∪(-240°，-120°)，即相角之差在上述范围内时则认为发生故障。一般非故障段的相位差很小，在±30°之内，因此可以通过上述方法进行判断。即对于附图1所示的典型长电缆线路结构在故障时， 则认为故障发生在第一个电缆交叉互联段， 则认为故障发生在第二个电缆交叉互联段，则认为故障发生在第三个电缆交叉互联段。

上述短路故障区段判断方法通过短路故障区段判断装置来实现。短路故障区段判断装置包括多个电流互感器和主机。各个电流互感器用于分别检测各电缆交叉互联段中各段护层连接通路两端的电流信号。通常每段护层连接通路的两端均连接接地箱(如G1-G6)，电流互感器设置于接地箱处。主机与各个电流互感器相连接，从而电流互感器所检测到的电流信号传输给主机，主机据此采用上述相位方法判断各电缆交叉互联段中是否发生短路故障。主机还通过天线经由GPRS/3G/4G网络与监控中心进行远程通信，从而将判断结果远程上传给监控中心。

首先在上述接地箱位置处(G1-G6)安装各个电流互感器，从而分别检测I_1a、I_1b、I_1c、I_2a、I_2b、I_2c、I_3a、I_3b、I_3c、I_4a、I_4b、I_4c、I_5a、I_5b、I_5c、I_6a、I_6b、I_6c。

电流互感器实时采集到的数据传输到附近的主机，主机对电流互感器采集到的数据进行实时处理，对采集到的信号做FFT(Fast Fourier Transformation：快速傅里叶变换)，得到各监测点护层电流的工频幅值和相角，并对所有区段两端监测点进行相位差运算。对数据的处理具体包括：

(1)FFT运算：

其中，为旋转因子；x(n)为一个长度为N的有限长序列，即电流互感器采集到的原始信号；X(k)为频域N点的有限长序列。

(2)计算区段两端监测点相位差：

P(C1A)＝B(I_2c)-B(I_1a)

P(C1B)＝B(I_2a)-B(I_1b)

P(C1C)＝B(I_2b)-B(I_1c)

P(C2A)＝B(I_4b)-B(I_3a)

P(C2B)＝B(I_4c)-B(I_3b)

P(C2C)＝B(I_4a)-B(I_3c)

P(C3A)＝B(I_6c)-B(I_5a)

P(C3B)＝B(I_6a)-B(I_5b)

P(C3C)＝B(I_6b)-B(I_5c)

其中，B(I)表示电流信号I的工频相位(单位为角度)，P(section)表示对应电缆区段的护层电流相位差(section∈[“C1”“C2”“C3”]，其中“C1”“C2”“C3”分别表示第一、二、三个完整的交叉互联段)。

(3)故障区段判定

1)则认为故障发生在第一个电缆交叉互联段。

2)则认为故障发生在第二个电缆交叉互联段。

3)则认为故障发生在第三个电缆交叉互联段。

经过上述处理后主机通过架设天线经由GPRS/3G/4G进行通讯，最终故障定位的判断结果上传到终端监控中心。

上述方法主要应用于对110kV及以上长电缆线路的短路故障区段判断。一旦高压长电缆线路发生短路故障，可快速判断出故障区段。与现有技术相比，本发明可实现高压长电缆线路的故障区段判断，该方法可实现在线监测，故障发生后能及时找出故障区段。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高压长电缆线路的短路故障区段判断方法，用于判断由若干电缆交叉互联段构成的高压长电缆线路中短路故障发生于哪一所述电缆交叉互联段中，每个所述电缆交叉互联段均包括若干段线芯直接相连构成三相电缆线路、金属护层交叉相连构成三段护层连接通路的电缆段，其特征在于：所述短路故障区段判断方法为：分别检测每个所述电缆交叉互联段中的三段所述护层连接通路两端的电流方向，若某一所述电缆交叉互联段中任意一段所述护层连接通路两端的电流方向相反，则该所述电缆交叉互联段中发生短路故障。

2.根据权利要求1所述的高压长电缆线路的短路故障区段判断方法，其特征在于：采集每个所述电缆交叉互联段中的三段所述护层连接通路两端的电流信号，对所述电流信号做快速傅里叶变换而得到所述电流信号的相角；再对每段所述护层连接通路两端的电流信号的相角进行相位差运算，从而判断每段所述护层连接通路两端的电流方向是否相反。

3.根据权利要求2所述的高压长电缆线路的短路故障区段判断方法，其特征在于：任意一段所述护层连接通路两端的电流信号的相角之差在以±180°为中心的相位允许范围之内时，则判断该段所述护层连接通路两端的电流方向相反。

4.根据权利要求3所述的高压长电缆线路的短路故障区段判断方法，其特征在于：所述相位允许范围为(120°，240°)∪(-240°，-120°)。

5.一种采用权利要求1-5中任一项所述的高压长电缆线路的短路故障区段判断方法的短路故障区段判断装置，其特征在于：所述短路故障区段判断装置包括分别检测各所述电缆交叉互联段中各段所述护层连接通路两端的电流信号的若干个电流互感器、与各所述电流互感器相连接并判断各所述电缆交叉互联段中是否发生短路故障的主机，所述主机与监控中心远程通信连接。

6.根据权利要求5所述的短路故障区段判断装置，其特征在于：每段所述护层连接通路的两端均连接接地箱，所述电流互感器设置于所述接地箱处。

7.根据权利要求5所述的短路故障区段判断装置，其特征在于：所述主机通过天线经由GPRS/3G/4G网络与所述监控中心进行远程通信。