專利名稱：高壓架空線路在線故障測距方法及儀器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電故障探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在線探測高壓架空輸電線路故障點(diǎn)距離的方法及儀器裝置。
在電力架空輸電線路中，由于線路故障多，查找困難，故障查尋一直是電業(yè)運(yùn)行人員面對(duì)的一大難題。為解決這一問題相應(yīng)出現(xiàn)了一些故障測距方法及裝置。在本發(fā)明以前的現(xiàn)有技術(shù)中，常采用的方法有故障錄波法、脈沖反射法及電子電路構(gòu)成的以測量線路阻抗為目標(biāo)的檢測方法。故障錄波法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡單，但測量精度不高，且需要經(jīng)過人工計(jì)算方可定位；脈沖反射法是一種離線測距方法，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)低阻性故障和斷線有較好的效果，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，尤其是對(duì)高阻性故障和閃絡(luò)性故障不易取得明顯的反饋信號(hào)而無法做出判斷；電子電路構(gòu)成的阻抗法測距，其電路調(diào)試?yán)щy，易受干擾，精度不高。上述這些方法都只能在有限的范圍內(nèi)得到應(yīng)用。
電抗法是一種利用故障電壓和電流計(jì)算故障回路電抗值，從而標(biāo)定出故障距離的方法，這種方法不受過渡電阻的影響，可真實(shí)地反映故障和故障距離，適用于單端電源高壓架空線路的故障測試，因而近年來出現(xiàn)過電抗法故障測距的報(bào)導(dǎo)，如蘇聯(lián)SU1543354、*SU1590968、SU1661685等項(xiàng)專利申請(qǐng)。但這些專利中有的只能利用故障相電壓的高低進(jìn)行接地故障選線，估算故障距離，有的不具備測量接地回路電抗及準(zhǔn)確標(biāo)定故障距離的功能，有的只能檢測兩路出線，且誤差大、實(shí)用性差，尤其是對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相接地故障的在線測量，仍舊沒有提出更好的技術(shù)解決方案。
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)狀況，本發(fā)明的目的在于，以測量線路電抗值為基礎(chǔ)，提供一種既可在線準(zhǔn)確檢測和判斷各類線路故障，又能精確計(jì)算和顯示各類故障距離的方法和儀器裝置，尤其是可有效地解決其它方法不易檢測的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障的檢測和距離測量問題。同時(shí)，本發(fā)明的目的還在于提高故障時(shí)在線測量電網(wǎng)參數(shù)的準(zhǔn)確性、可靠性和抗干擾能力。
現(xiàn)將本發(fā)明構(gòu)思及技術(shù)解決方案敘述如下對(duì)于均勻傳輸線來說，其自身參數(shù)電阻、電抗與線路長度成正比，發(fā)生短路故障時(shí)，其短路回路的電阻、電抗值的大小就反映了故障回路的長度，從而也就反映了故障點(diǎn)的距離；但是，對(duì)于各種短路故障來說，有許多是非金屬性短路，會(huì)在故障點(diǎn)出現(xiàn)過渡電阻而造成測距不準(zhǔn)；然而，測量回路的電抗值來確定故障點(diǎn)距離就不會(huì)受到影響；此外，由于單相接地故障比率很大，而電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的10～35KV網(wǎng)絡(luò)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，一般方法無法測距，甚至連故障線路也無法確定；因此，本發(fā)明的基本思路是通過對(duì)軟硬件的設(shè)計(jì)，使得各類短路及接地故障均可得到準(zhǔn)確的測量，如在方法設(shè)計(jì)上，采用濾波效果好的快速傅立葉變換法，檢測時(shí)滯小的瞬時(shí)無功功率參數(shù)計(jì)算法以及可校正互感器角差的旋轉(zhuǎn)向量法；在儀器的硬件電路設(shè)計(jì)上對(duì)關(guān)鍵電路部分采用二選一加約束的冗余技術(shù)使各電路可互相調(diào)換，互不干擾，采用光電隔離措施，提高儀器的抗干擾能力，在儀器的配套裝置上，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的接地倒相開關(guān)電路，等等，很好地解決了故障的查找與測距難題；下面，先簡單敘述用電抗法進(jìn)行短路故障測距的原理由于故障電路中的電抗值不受過渡電阻的影響，則可根據(jù)傳輸線的線路電抗值與長度成正比原則，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，通過測量計(jì)算變電所(線路首端)至故障點(diǎn)的線路電抗，即可確定故障點(diǎn)的距離設(shè)短路時(shí)首端電壓為D，短路電流為
(如圖1所示)，則U.D=I.D(R+Rg)+jI.DX----(1)]]>
由(1)可得X=UDSinφID----(2)]]>式中
是D和
的相位差；X——短路時(shí)所測得的電抗值。
則距離L為L=XX1----(3)]]>式中X1-是線路單位長度的電抗，可由電力手冊(cè)中查出。
通過所測得的電壓、電流值可判斷出故障的類型，由換算出的電抗值，可準(zhǔn)確算出故障的距離。對(duì)于三相短路、兩相短路、單相短路以及中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相接地等各類故障的測量，其原理同上，區(qū)別僅在于所需測量參數(shù)為所構(gòu)成回路中的相間電壓和電流。
根據(jù)上述原理，本發(fā)明在線測量高壓架空線路故障距離的方法特征及步驟如下(參見圖2、圖3)1、變送器將引入的三相電壓、電流信號(hào)，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)變換后，送模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
2、采樣時(shí)，由單片機(jī)控制，將各路電壓和電流信號(hào)同時(shí)采樣保持，再由單片機(jī)控制多路開關(guān)將信號(hào)經(jīng)阻抗匹配后，送模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)光電隔離強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電路送往單片機(jī)子系統(tǒng)；由單片機(jī)根據(jù)下式(新的瞬時(shí)無功功率理論)進(jìn)行正常有效值計(jì)算U=23[uaSin(ωt)+ubSin(ωt-2π/3)+ucSin(ωt+2π/3)]]]>I=23[iaSin(ωt)+ibSin(ωt-2π/3)+icSin(ωt+2π/3)]]]>根據(jù)I值的大小來判斷是否發(fā)生短路故障，即當(dāng)I＞Imax時(shí)，有短路故障發(fā)生；故障發(fā)生時(shí)，單片機(jī)發(fā)出故障錄波命令，由單片機(jī)根據(jù)下式計(jì)算各相故障電流、電壓有效值I=1NK1ΣK=1N|i(KT1)|]]>U=1NK1ΣK=1N|u(KT1)|]]>其中K1為比例系數(shù)，T1為采樣周期，N為工頻周期的采樣點(diǎn)數(shù)，i為線路相電流的瞬時(shí)值，u為線路相電壓的瞬時(shí)值。
判斷故障類型IA＞Imax、IB＞Imax、IC＞Imax則為三相短路；IA＞Imax、IB＞Imax或三相中任意兩相大于Imax，則為兩相短路；IA＞Imax或三相中任意一相大于Imax，則為單相短路；UA＜Umin或三相中任意一相小于Umin，則為單相接地故障。
3、由單片機(jī)對(duì)故障相參數(shù)進(jìn)行傅立葉分析，并采用曲線擬合和旋轉(zhuǎn)矢量法進(jìn)行數(shù)值修正，根據(jù)下式得到故障相電壓、電流基波分量的實(shí)部和虛部Uan=1NΣu(KT1)Cos(ωKT1)]]>Ubn=1NΣu(KT1)Sin(ωKT1)]]>Ian=1NΣi(KT1)Cos(ωKT1)]]>Ibn=1NΣi(KT1)Sin(ωKT1)]]>旋轉(zhuǎn)矢量修正一、二互感器帶來的角誤差Ua＝UanCosθ-UbnSinθUb＝UbnCosθ+UanSinθIa＝IanCosθ-IbnSinθIb＝IbnCosθ+IanSinθ其中θ為互感器的角誤差。電抗值X=UbIa-UaIbIa2+Ib2]]>從而得到距離值L=Xx1]]>其中x1-該線路單位長度電抗值4、當(dāng)判斷為單相接地故障時(shí)，操作接地倒相開關(guān)閉合非接地相隔離開關(guān)和真空斷路器，使接地相與非接地相構(gòu)成相間回路，同時(shí)對(duì)各線路電流、電壓進(jìn)行錄波，然后根據(jù)錄波結(jié)果進(jìn)行故障選線并按上述3的方法進(jìn)行距離計(jì)算，在標(biāo)定故障距離時(shí)，采用單位長度的零序電抗值；選線方法當(dāng)某條線路的零序電流i0＝ia+ib+ic大于規(guī)定值時(shí)，則該線路為故障線路。
根據(jù)上述故障測試及測距方法，本發(fā)明所提供的儀器裝置具有變送器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、80C196單片機(jī)子系統(tǒng)、顯示、報(bào)警電路、插接結(jié)構(gòu)、雙層機(jī)殼，其特征在于還具有數(shù)字光隔強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電路、自調(diào)零電路、現(xiàn)場微調(diào)開關(guān)和安裝在變電所的接地倒相開關(guān)電路。數(shù)字光電隔離強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電路接于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出和單片機(jī)子系統(tǒng)之間，自調(diào)零電路、顯示、報(bào)警電路、現(xiàn)場微調(diào)電路與單片機(jī)連接，接地開關(guān)控制與單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)連接，測量信號(hào)經(jīng)變送器等送入單片機(jī)。數(shù)字光隔強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電路(如圖5所示)作用是提高系統(tǒng)檢測速度。由于短路時(shí)過渡過程變化較快，對(duì)儀器的采樣速度要求較高，單位時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)越多，計(jì)算出的結(jié)果越準(zhǔn)確。而采樣速度除了與單片機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等有關(guān)外，還受到光電隔離器件速度的制約，且往往是影響速度的主要因素，實(shí)驗(yàn)表明強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電路可使光電隔離器件的速度提高數(shù)倍。自調(diào)零電路的目的是提高數(shù)據(jù)檢測的準(zhǔn)確性。為了防止電路長時(shí)間工作及環(huán)境溫度變化工作點(diǎn)出現(xiàn)漂移而給數(shù)據(jù)測量帶來誤差，電路中設(shè)計(jì)了自調(diào)零電路(如6圖所示)，當(dāng)檢測到線路出現(xiàn)故障時(shí)，儀器開始錄波，錄波后通過調(diào)零電路將各路信號(hào)的“零點(diǎn)”讀入，這樣就可對(duì)錄波時(shí)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，避免儀器內(nèi)部工作點(diǎn)的漂移所帶來的誤差。現(xiàn)場微調(diào)開關(guān)用于現(xiàn)場校正測量精度，消除不同線路單位長度電抗值略有不同所帶來的誤差。接地倒相開關(guān)電路的目的是使中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相接地故障構(gòu)成測量回路，使電抗法能進(jìn)行故障測距。接地倒相開關(guān)連接于變電所的母線上(如圖7所示)，當(dāng)儀器判斷出單相接地故障發(fā)生時(shí)，控制另一相進(jìn)行一次瞬時(shí)接地，構(gòu)成兩相接地測量回路，由儀器檢測出故障點(diǎn)的距離。接地倒相開關(guān)電路中由于接入了限流電阻，且電路接通時(shí)間短，對(duì)電網(wǎng)不會(huì)造成影響。插接結(jié)構(gòu)便于儀器維修和測量線路數(shù)量的擴(kuò)充。雙層機(jī)殼屏蔽電場和磁場對(duì)儀器的影響。
現(xiàn)將


如下圖1電抗法測距等效線路原理示意2本發(fā)明軟件主程序框3本發(fā)明儀器裝置原理框4變送器圖5數(shù)字光電隔離強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電路圖6自調(diào)零電路圖7接地倒相開關(guān)電路圖8儀器裝置接線示意圖其中圖4中互感器及標(biāo)準(zhǔn)電阻和可調(diào)電阻是為了將輸入的三相電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閮x器可進(jìn)行處理的小電壓信號(hào)，其核心元件UA741集成運(yùn)算放大器各管腳與其它元件所構(gòu)成的電路形成一級(jí)射級(jí)電壓跟隨器，起阻抗變換作用。
圖5中的6N137芯片是完成光電隔離的主要部件，其16等腳與起強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)的光電三極管的基極相接，是為了增加光隔的頻率。
圖6是自調(diào)零電路，由單片機(jī)控制三極管的基極，從而控制調(diào)零繼電器動(dòng)作，對(duì)錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行零點(diǎn)修正。
圖7是接地倒相開關(guān)電路，該電路安裝在變電所，其上端與變電所的母線A、C相相接，GA、GC為單相隔離開關(guān)，DL為單相真空斷路器，LH為電流互感器，R為限流電阻，下端與變電所接地網(wǎng)連接。
圖8是本發(fā)明儀器PLTC-1與被測線路的接線示意圖，采用模塊化設(shè)計(jì)，插槽式結(jié)構(gòu)，每一條出線對(duì)應(yīng)一塊模板和相應(yīng)的變送通道，各隔板之間的作用是相互獨(dú)立的。
本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)越性在于(1)、可以在線檢測各種類型的故障，并準(zhǔn)確顯示故障點(diǎn)距離，不受過渡電阻和非金屬短路的影響。
(2)、可有效地解決中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相接地故障的測距難題。
(3)、在方法上采用了一系列措施，檢測時(shí)滯小、濾波效果好、檢測速度快。校正和修正了互感器的角差和比差，有效地提高了儀器裝置的測試精度。
(4)、采用了模塊化設(shè)計(jì)，互換性好，檢測線路數(shù)量不受儀器本身結(jié)構(gòu)的限制。
(5)、采用了冗余技術(shù)，提高了儀器裝置的可靠性。
本發(fā)明方法及儀器裝置對(duì)于我國廣泛使用的10～35KV單端電源高壓架空輸電線路的故障測距，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種在線探測高壓架空輸電線路故障測距方法，以測量線路電抗值為基礎(chǔ)，其特征在于(1)、變送器將引入的三相電壓、電流信號(hào)，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)變換后，送模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；(2)、采樣時(shí)，由單片機(jī)控制，將各路電壓和電流信號(hào)同時(shí)采樣保持，再由單片機(jī)控制多路開關(guān)將信號(hào)經(jīng)阻抗匹配后，送模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)光電隔離強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電路送往單片機(jī)子系統(tǒng)；由單片機(jī)根據(jù)下式(新的瞬時(shí)無功功率理論)進(jìn)行正常有效值計(jì)算U=23[uaSin(ωt)+ubSin(ωt-2π/3)+ucSin(ωt+2π/3)]]]>I=23[iaSin(ωt)+ibSin(ωt-2π/3)+icSin(ωt+2π/3)]]]>根據(jù)I值的大小來判斷是否發(fā)生短路故障，即當(dāng)I＞Imax時(shí)，有短路故障發(fā)生；故障發(fā)生時(shí)，單片機(jī)發(fā)出故障錄波命令，由單片機(jī)根據(jù)下式計(jì)算各相故障電流、電壓有效值I=1NK1ΣK=1N|i(KT1)|]]>U=1NK1ΣK=1N|u(KT1)|]]>其中K1為比例系數(shù)，T1為采樣周期，N為工頻周期的采樣點(diǎn)數(shù)，i為線路相電流的瞬時(shí)值，u為線路相電壓的瞬時(shí)值；(3)、由單片機(jī)對(duì)故障相參數(shù)進(jìn)行傅立葉分析，并采用曲線擬合和旋轉(zhuǎn)矢量法進(jìn)行數(shù)值修正，根據(jù)下式得到故障相電壓、電流基波分量的實(shí)部和虛部Uan=1NΣu(KT1)Cos(ωKT1)]]>Ubn=1NΣu(KT1)Sin(ωKT1)]]>Ian=1NΣi(KT1)Cos(ωKT1)]]>Ibn=1NΣi(KT1)Sin(ωKT1)]]>旋轉(zhuǎn)矢量修正一、二互感器帶來的角誤差Ua＝UanCosθ-UbnSinθUb＝UbnCosθ+UanSinθIa＝IanCosθ-IbnSinθIb＝IbnCosθ+IanSinθ電抗值X=UbIa-UaIbIa2+Ib2]]>從而得到距離值L=Xx1]]>其中x1-該線路單位長度電抗值；(4)、當(dāng)判斷為單相接地故障時(shí)，操作接地倒相開關(guān)閉合非接地相隔離開關(guān)和真空斷路器，使接地相與非接地相構(gòu)成相間回路，同時(shí)對(duì)各線路電流、電壓進(jìn)行錄波，然后根據(jù)錄波結(jié)果進(jìn)行故障選線并按上述(3)的方法進(jìn)行距離計(jì)算，在標(biāo)定故障距離時(shí)，采用單位長度的零序電抗值；選線方法當(dāng)某條線路的零序電流i0＝ia+ib+ic大于規(guī)定值時(shí)，則該線路為故障線路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在線探測高壓架空輸電線路故障測距方法，其特征在于故障判斷的標(biāo)準(zhǔn)為IA＞Imax、IB＞Imax、IC＞Imax則為三相短路；IA＞Imax、IB＞Imax或三相中任意兩相大于Imax，則為兩相短路；IA＞Imax或三相中任意一相大于Imax，則為單相短路；UA＜Umin或三相中任意一相小于Umin，則為單相接地故障。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在線探測高壓架空輸電線路故障測距方法而設(shè)計(jì)的儀器裝置，具有變送器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、80C196單片機(jī)子系統(tǒng)、顯示、報(bào)警電路，其特征在于還具有數(shù)字光隔強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電路、自調(diào)零電路、現(xiàn)場微調(diào)開關(guān)和安裝在變電所的接地倒相開關(guān)電路；數(shù)字光電隔離強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電路接于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出和單片機(jī)子系統(tǒng)之間，自調(diào)零電路、顯示、報(bào)警電路、現(xiàn)場微調(diào)電路與單片機(jī)連接，接地開關(guān)控制與單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)連接，測量信號(hào)經(jīng)變送器等送入單片機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種在線探測高壓架空傳輸線路或網(wǎng)絡(luò)故障測距方法而設(shè)計(jì)的儀器裝置，其特征在于標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中的核心元件UA741集成運(yùn)算放大器各管腳與其它元件所構(gòu)成的電路形成起阻抗變換作用的一級(jí)射級(jí)電壓跟隨器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種在線探測高壓架空傳輸線路或網(wǎng)絡(luò)故障測距方法而設(shè)計(jì)的儀器裝置，其特征在于強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)數(shù)字光隔電路中的6N137芯片的16等腳與光電三極管的基極相接。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種在線探測高壓架空傳輸線路或網(wǎng)絡(luò)故障測距方法而設(shè)計(jì)的儀器裝置，其特征在于接地倒相開關(guān)電路安裝在變電所，其上端與變電所的母線A、C相相接，下端經(jīng)限流電阻與變電所接地網(wǎng)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種在線探測高壓架空傳輸線路或網(wǎng)絡(luò)故障測距方法而設(shè)計(jì)的儀器裝置，其特征在于儀器中的硬件電路與被測線路采用模塊插槽式結(jié)構(gòu)，每一條出線對(duì)應(yīng)一塊模板和相應(yīng)的變送通道，各模板之間的作用相互獨(dú)立。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在線探測高壓架空輸電線路故障點(diǎn)距離方法及儀器,特征是測量線路電抗值,通過硬、軟件設(shè)計(jì),在單片機(jī)的控制下完成信號(hào)采樣、處理、數(shù)值計(jì)算和報(bào)警顯示;其儀器裝置包括變送器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字光隔強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)、自調(diào)零電路等和安裝在變電所的接地倒相開關(guān)電路;本發(fā)明方法及儀器裝置對(duì)于我國廣泛使用的10～35KV單端電源高壓架空輸電線路的故障測距,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01R31/08GK1191315SQ97108539
公開日1998年8月26日 申請(qǐng)日期1997年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月4日
發(fā)明者劉政波, 趙軍紅, 成曙, 陳祥初 申請(qǐng)人:中國人民解放軍第二炮兵工程學(xué)院技術(shù)開發(fā)中心