專利名稱：電力線的故障檢測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測(cè)電力線中故障的出現(xiàn)的故障檢測(cè)裝置，特別是，但不限于，多相地下電纜電力線和包括地下電纜電力線的復(fù)合線。
已知的故障檢測(cè)裝置中被檢測(cè)故障的電線被簡(jiǎn)單地模擬成串聯(lián)的電感和電容元件，忽略了電線和其他電線或地之間任何的旁路電容。這種電線一般是架空電力線。
圖1示出這種情況，其中認(rèn)為電線10有一集總阻抗Z，它包括對(duì)應(yīng)于電感分量L的感抗XL，和電阻R，并在電線的一端根據(jù)電壓Vr和電流Ir檢測(cè)。電線的另一端可連接至負(fù)載，它可以是另一個(gè)交流電力連接。
電壓Vr(稱為”中繼電壓”)與電流Ir(稱為”中繼電流”)的關(guān)系表示為Vr＝IrZ(1)由于可通過(guò)測(cè)量得到中繼電壓和電流，Z的值可計(jì)算得到，如果已知每單位長(zhǎng)度的電線的電感參數(shù)，則可導(dǎo)得一個(gè)關(guān)于中繼裝置監(jiān)視的電線的特定一段中是否有故障的指標(biāo)。
離散信號(hào)處理方法使用一下方程式根據(jù)R和L計(jì)算Zvr=Rir+Ldirdt---(2)]]>使用微分方程式(2)而不是相方程式(1)不再需要中繼輸入信號(hào)vr和ir具X有特定頻率。這樣方程式(2)用于50赫茲或60赫茲的系統(tǒng)可同樣有效，使R和L可基本上在中繼輸入vr和ir的離散時(shí)間一信號(hào)頻率的范圍中解出。
架空電線中出現(xiàn)的旁路電容的值在電力系統(tǒng)頻率下是足夠低的，可以忽略，使得方程式(2)可用于確定R和L的值。但是，電容的出現(xiàn)引起在故障發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的高頻行波從而引起R和L的計(jì)算誤差。因此需要在使用方程式(2)計(jì)算R和L之前從信號(hào)vr和ir中消除行波頻率。由于這些頻率相對(duì)于電力系統(tǒng)頻率是較高的，它們可用短窗數(shù)字路波器消除而不會(huì)引起中繼運(yùn)作時(shí)間延長(zhǎng)超出一個(gè)電力頻率循環(huán)。
在電纜電路中，旁路電容的值非常大而行波噪聲的頻率非常低，使得它的影響較難通過(guò)濾波消除。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)方程式(2)計(jì)算出的R和L不再準(zhǔn)確地表示故障的位置。
根據(jù)本發(fā)明，提供用于電力線的中繼設(shè)備，其特征在于故障檢測(cè)裝置包括信號(hào)導(dǎo)出裝置，用于導(dǎo)出第一和第二信號(hào)，分別表示所述電線的第一端處的電壓和電流；計(jì)算裝置，用于從所述第一和第二信號(hào)和所述電線的串聯(lián)和旁路參數(shù)的定義值計(jì)算與沿所述電線在所述第一端和所述電線的第二端之間的一點(diǎn)相關(guān)的電壓和電流的值，和故障位置確定裝置，用于從所述計(jì)算的電壓和電流值確定故障線是否位于所述第一端和所述中間點(diǎn)之間。
該計(jì)算裝置可以使用所述第二信號(hào)對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)的一個(gè)值計(jì)算所述中間點(diǎn)的電壓和電流值，最好采用矩陣關(guān)系v1i1=1-(R0+L0ddt)-C0ddt1v0i0]]>其中v1，i1是所述中間點(diǎn)的所述電壓和電流，v0，i0為電線的所述第一端的所述電壓和電流，R0和L0為電力線的所述串聯(lián)參數(shù)和C0為電線的旁路參數(shù)。
計(jì)算裝置可以將所述電線模型化為由p段串聯(lián)的各自帶有不同串聯(lián)和旁路參數(shù)的分段，所述矩陣關(guān)系是v1i1=Πm=1p1-(R0m+L0mddt)-C0mddt1v0i0]]>所述電力線各分段的相應(yīng)參數(shù)可以有基本相同的值。
電線可以由串聯(lián)的各自帶有串聯(lián)和旁路參數(shù)的q段組成，組成所述q段中的每一段又由帶有各自串聯(lián)和旁路參數(shù)的p分段組成，所述矩陣關(guān)系是vqiq=Πn=0q-1Πm=1p1-(Rnm+Lnmddt)-Cnmddt1v0i0]]>至少所述段的旁路參數(shù)可以不是所有都有實(shí)際上相同的值。這些段可以對(duì)應(yīng)電線各自不同的形式，包括至少一個(gè)架空線段和至少一個(gè)電纜段。
每個(gè)所述電線或電線部分最好由所述計(jì)算裝置模型化為一個(gè)Γ-網(wǎng)絡(luò)，雖然也可以采用π-網(wǎng)絡(luò)。
該故障位置確定裝置可包括用于檢測(cè)所述中間點(diǎn)處的所述電壓是否相對(duì)參考量為零、正或負(fù)的裝置，零結(jié)果表示在所述中間點(diǎn)有故障，正結(jié)果表示在所述點(diǎn)與所述電線的一端之間有故障，負(fù)結(jié)果表示在所述點(diǎn)和所述電線的另一端之間有故障。參考量可以是與所述中間點(diǎn)相關(guān)的電流。
計(jì)算裝置可以包括從所述計(jì)算的電壓和電流計(jì)算所述第一端和所述中間點(diǎn)之間的復(fù)合阻抗的裝置，和所述故障位置確定裝置可包括計(jì)算所述復(fù)合阻抗的符號(hào)的裝置。計(jì)算裝置可通過(guò)以下方程式計(jì)算所述復(fù)合阻抗的值v=Ri+Ldidt]]>其中v和i分別是所述中間點(diǎn)的電壓和電流值，R和L所述復(fù)合阻抗的分量。
負(fù)結(jié)果可表示在所述中間點(diǎn)和所述電線的所述第一端之間有故障，正結(jié)果可表示所述中間點(diǎn)和所述電線的所述第二端之間有故障。
中間點(diǎn)一般位于沿所述電線從電線的所述第一端大約80％處。
信號(hào)導(dǎo)出裝置可用于在所述電線發(fā)生故障之前和之后導(dǎo)出所述第一和第二信號(hào)，所述計(jì)算裝置可用于從所述故障前和故障后第一和第二信號(hào)和從所述參數(shù)和從所述電線的所述第二端的源電抗的值計(jì)算與所述中間點(diǎn)的電壓和電流的值的變化和從所述變化計(jì)算存在于所述中間點(diǎn)和一個(gè)參考點(diǎn)之間的復(fù)合阻抗的值，所述故障位置確定裝置可用于確定所述復(fù)合阻抗的虛數(shù)部分的符號(hào)和從所述符號(hào)推斷相對(duì)所述中間點(diǎn)所述故障的位置。
根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，用于確定電力線的特定區(qū)域中是否有故障的方法包括以下步驟
在發(fā)生故障之前和之后計(jì)算所述電線第一端的電壓和電流；計(jì)算所述電線上在所述第一端和電線的第二端之間的一點(diǎn)和參考點(diǎn)之間復(fù)合阻抗，所述復(fù)合故障位置計(jì)算利用測(cè)量出的電壓和電流值和與電線的參數(shù)相關(guān)的值和與電線的所述第二端的源阻抗相關(guān)的值。
確定所述復(fù)合阻抗的虛數(shù)部分的符號(hào)，并從所述符號(hào)推斷所述電線上所述故障相對(duì)所述中間點(diǎn)的位置。
所述故障位置的推論可以根據(jù)以下規(guī)則，負(fù)號(hào)表示在所述端之一與所述電線的所述中間點(diǎn)之間有故障，正號(hào)表示在所述端的另一個(gè)和所述電線的所述中間點(diǎn)之間有故障，零虛數(shù)部分表示在所述中間點(diǎn)自身處有故障。
計(jì)算復(fù)合阻抗的步驟可包括使用以下方程計(jì)算所述中間點(diǎn)的電壓和電流v1i1=1-(R0+L0ddt)-C0ddt1v0i0]]>其中v0，i0是電力線的所述第一端的電壓和電流，v1，i1是所述中間點(diǎn)的電壓和電流和R0，L0是串聯(lián)參數(shù)和C0所述電線的旁路參數(shù)。
電線可以分成q段并且所述計(jì)算復(fù)合阻抗步驟可以包括使用以下方程式計(jì)算所述中間點(diǎn)的電壓和電流vqiq=Πn=0q-11-(Rn+Lnddt)-Cnddt1v0i0]]>其中v0，i0是電力線的所述第一端的電壓和電流，vq，iq是所述中間點(diǎn)的電壓和電流，Rn，Ln是串聯(lián)參數(shù)而Cn是電力線不同段的旁路參數(shù)。
電力線或所述的段可以概念上再分成有不同電線參數(shù)的p個(gè)電線部分，而所述計(jì)算復(fù)合阻抗步驟可包括使用以下方程式計(jì)算中間點(diǎn)的電壓和電流的步驟vqiq=Πn=0q-1Πm=1p1-(Rnm+Lnmddt)-Cnmddt1v0i0]]>中間點(diǎn)可以位于沿電線距所述第一端大約80％處。
以下參考附圖僅以舉例的方式說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1是被監(jiān)控故障的一段電力線的等效電路；圖2是如圖1的等效電路，但帶有旁路電容；圖3是復(fù)合電力線的等效電路；圖4是圖3的復(fù)合電力線的一個(gè)段的等效電路，該段被分為子段；圖5是對(duì)于電線上不同故障位置電壓對(duì)電線長(zhǎng)度的特性的示圖；圖6是可用于本發(fā)明的中繼特性的第一類型的示圖；圖7是可用于本發(fā)明的中繼特性的第二類型的示圖；圖8是可用于本發(fā)明的極化特性；圖9是示出中繼性能的強(qiáng)烈的遠(yuǎn)端橫切的作用的示圖；圖10(a)，(b)和(c)是說(shuō)明與根據(jù)本發(fā)明的第二方面的重疊方向確定技術(shù)相關(guān)的三個(gè)電路狀態(tài)的等效電路；圖11是應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的故障檢測(cè)裝置的三相電力線在其重疊狀態(tài)的等效電路；和圖12是示出本發(fā)明的第二方面中的重疊方向技術(shù)所達(dá)到的特性的示圖。
本發(fā)明考慮到存在于電纜電路中的較高的旁路電容并采用了以下中繼電壓和電流信號(hào)間的關(guān)系VrIr=ABCDVfIf---(3)]]>其中A，B，C和D表示直到故障點(diǎn)的電路常數(shù)而Vf和If分別表示電線上的故障點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電壓，參考點(diǎn)一般是地但也可是其它相，和通過(guò)故障分支的電流。常數(shù)A，B，C和D一般按雙曲導(dǎo)出以達(dá)到最大精度。
解出方程式(3)的基本的難點(diǎn)在于涉及的變量的額外的個(gè)數(shù)。雖然直接解出不是不可能，它包括了非常復(fù)雜的實(shí)時(shí)處理。相反，如果假設(shè)故障在一個(gè)已知的位置-所謂的“到達(dá)點(diǎn)” (見(jiàn)以后)-故障點(diǎn)的電壓和電流(即“到達(dá)點(diǎn)”的電壓和電流)的計(jì)算是相當(dāng)容易的。這時(shí)方程式(3)可以重新修改為VfIf=ABCD-1VrIr---(4)]]>參考圖2，它示出了被監(jiān)控的電線或電纜的一段的“gamma”(Γ)電路模型，但也可同樣有效地使用“pi”(π)模型。在該段的右手端的電壓和電流的值，v1，i1，可利用已知的該段的左手端的電壓和電流v0，i0由以下方程式計(jì)算v1i1=1-(R0+L0ddt)-C0ddt1v0i0---(5)]]>其中R0，C0和L0是電路段的電阻，電容和電感的值。同樣，該方程式的微分形式允許在一定頻率范圍內(nèi)計(jì)算但并不只限于電力系統(tǒng)頻率。
本發(fā)明還適合包括不同參數(shù)的電線的組合形式；例如，電線是在一個(gè)地點(diǎn)是架空線形式，接著在另一個(gè)地點(diǎn)是電纜段和在第三個(gè)地點(diǎn)又是架空線，等。圖3示出這種情形。在這種條件下，使用以下方程式計(jì)算右手側(cè)的電壓和電流信號(hào)v3i3=1-(R2+L2ddt)-C2ddt11-(R1+L1ddt)-C1ddt11-(R0+L0ddt)-C0ddt1v0i0--(6)]]>為了達(dá)到正確的運(yùn)行帶寬和通過(guò)更接近雙曲電路形式保持精度，本發(fā)明的最佳實(shí)施例將每個(gè)電路段分成幾個(gè)以方程式(5)和(6)形式的級(jí)聯(lián)矩陣。因此，例如，在方程式(6)的右手側(cè)的第一個(gè)矩陣可以表達(dá)為(假設(shè)將第一個(gè)架空電線段想象地分為三個(gè)子段)
這種情形在圖4中說(shuō)明，其中第二個(gè)架空線部分(電線2)由三個(gè)串聯(lián)的子段組成，每個(gè)子段有指定的參數(shù)名稱。
與矩陣項(xiàng)(7)連接的具有方程式(6)形式的方程式可以精確離散時(shí)間計(jì)算“到達(dá)點(diǎn)”的電壓和電流。該計(jì)算根據(jù)其中的子段的個(gè)數(shù)在一定的頻率范圍內(nèi)有效。實(shí)際應(yīng)用中，四或五個(gè)子段對(duì)于大多數(shù)ehv(超高壓)復(fù)合電路是足夠的，并可到達(dá)幾百赫茲的工作帶寬。由于該計(jì)算不再需要在工作帶寬上濾波，只需要較小的總體濾波。
以下是這種情形的一般的表達(dá)式，其中采用了q個(gè)電線段(例如，架空線，電纜)，為了模型化，每一個(gè)分成p個(gè)部分或子段vqiq=Πn=0q-1Πm=1p1-(Rnm+Lnmddt)-Cnmddt1v0i0---(8)]]>每個(gè)段中，即特定段的p個(gè)部分中的參數(shù)R，L，C一般都相同。分為部分不僅適用于由多個(gè)物理上分開(kāi)的段組成的電線，還適用于電線是一個(gè)整體的情況，即q＝1時(shí)。
現(xiàn)參考圖3說(shuō)明上述的“到達(dá)點(diǎn)”。圖3中，電壓和電流v3，i3對(duì)應(yīng)于電線上差一些未到達(dá)電線右手端的某一點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中該電線一般是由中繼設(shè)備100監(jiān)視的位于電線段的一端22的一個(gè)電線段。中繼設(shè)備100帶有本發(fā)明的故障檢測(cè)裝置，它由基于微處理器的計(jì)算裝置并帶有以下算法的程序?qū)崿F(xiàn)。電線的其它段可連接至端20并被其它中繼裝置監(jiān)控。因此，雖然相關(guān)段的一端示為20，中繼設(shè)備中進(jìn)行的計(jì)算與電線上的點(diǎn)21相關(guān)。它是“到達(dá)點(diǎn)”其典型位置在總線段長(zhǎng)度的80％附近。
在本發(fā)明中，可以區(qū)分發(fā)生在到達(dá)點(diǎn)上的故障，在到達(dá)點(diǎn)21和段的端點(diǎn)20之間發(fā)生的故障和段的中繼端22和到達(dá)點(diǎn)21之間發(fā)生的故障。參考圖5，假設(shè)在點(diǎn)A，點(diǎn)B或到達(dá)點(diǎn)21發(fā)生一個(gè)緊密故障(solidfault)(即，基本上零電阻的故障)。對(duì)于到達(dá)點(diǎn)處的故障，計(jì)算的電壓等于零。對(duì)于超過(guò)到達(dá)點(diǎn)的故障，例如，點(diǎn)B，到達(dá)點(diǎn)的計(jì)算是正確的并且電壓有一個(gè)較小的正值。對(duì)于區(qū)域內(nèi)故障，例如，點(diǎn)A，到達(dá)點(diǎn)的計(jì)算是錯(cuò)誤的(因?yàn)槠浣Y(jié)果不再必定反映真正的到達(dá)點(diǎn)條件)，但是該電壓將有一個(gè)小的負(fù)值。在無(wú)故障條件下，到達(dá)點(diǎn)值將被正確計(jì)算出。
由該方法計(jì)算的到達(dá)點(diǎn)電壓含有比采用串聯(lián)R-L模型計(jì)算時(shí)所能達(dá)到的比例小得多的行波頻率部分。于是小的濾波允許采用相量技術(shù)以確定到達(dá)點(diǎn)電壓的正/負(fù)性質(zhì)。用于此目的的一個(gè)適合的參考相量是到達(dá)點(diǎn)的電流。在故障從到達(dá)點(diǎn)的一邊移動(dòng)到另一邊時(shí)將有一個(gè)到達(dá)點(diǎn)電壓的相位反轉(zhuǎn)。這一相位變化可以在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)使用例如解方程式(2)計(jì)算到達(dá)點(diǎn)的電阻來(lái)確定。因此，如果設(shè)想v1，i1分別表示圖2中的到達(dá)點(diǎn)電壓vr和電流ir，將這些量作為由例如方程式(8)導(dǎo)出的值，R和L的值可從方程式(2)導(dǎo)出以產(chǎn)生復(fù)合電阻Z。Z的負(fù)虛數(shù)值將表示區(qū)域內(nèi)故障，而正虛數(shù)值將表示區(qū)域外故障。
已經(jīng)假設(shè)故障的阻抗是可忽略的。但并不是總是如此，在故障阻抗主要是由電線段的遠(yuǎn)端20來(lái)的電流提供的情況下，可引起故障電壓和電流的錯(cuò)誤指示。因此需要采用某種形式的中繼“特征”，以下將對(duì)此進(jìn)行描述。
參考圖6說(shuō)明中繼特征的概念。在此示圖中，故障的阻抗Z(比較圖1)由位于復(fù)數(shù)R-X平面的線24表示并且它的起點(diǎn)是對(duì)應(yīng)于中繼點(diǎn)22的點(diǎn)25。阻抗在中繼點(diǎn)等于零，這也是所希望的，并在對(duì)應(yīng)于電線段的一端20的點(diǎn)26增加到最大，經(jīng)過(guò)相應(yīng)于到達(dá)點(diǎn)值的值27。由于故障阻抗接近零，Z將位于沿電線24的一處。但是，當(dāng)故障有有限的電阻值時(shí)，總阻抗值將從線24偏移，取沿線28的值，例如，當(dāng)故障位于中繼點(diǎn)和到達(dá)點(diǎn)之間并有純電阻和可忽略的電線段遠(yuǎn)端供入時(shí)便會(huì)這樣。其它線29，30與更接近到達(dá)點(diǎn)的類似故障相關(guān)。
在故障電阻和遠(yuǎn)端供入是不可忽略的情況下，在故障通路中的電流和由中繼測(cè)量的電流之間引入相移，因此線28，例如，帶有一個(gè)虛部，假設(shè)方向由虛線28’或28″示出。前者是從中繼端22到遠(yuǎn)端20的功率流，后者是反方向的功率流。在所有情況下，采取步驟以保證當(dāng)阻抗的計(jì)算值超過(guò)圓31所形成的軌跡的范圍時(shí)中繼不跳開(kāi)相關(guān)的電路斷路器。組成這一特征的X-R值僅僅提供給中繼處理器，使它采用適合的算法以產(chǎn)生這些特征值的計(jì)算值之間的比較。
由于采用了圓特征值31限制可容忍的可認(rèn)為是故障和因此可跳開(kāi)斷路器的故障電阻值(參考與電線28比較缺少電線30)，可能采用非圓特征以估計(jì)更統(tǒng)一的故障電阻值。一個(gè)適合的特征是四邊形軌跡(見(jiàn)圖7)，帶有一個(gè)作為它的基本元素直線上邊40，通過(guò)到達(dá)點(diǎn)阻抗值27和基本平行于線24的右手邊。這樣線28和30可以有相同的長(zhǎng)度并且還用于發(fā)出真實(shí)的故障信號(hào)。
對(duì)于發(fā)生在接近中繼的故障，電壓輸入將接近零。在這種條件下，中繼不能區(qū)分它必須在其中運(yùn)行的保護(hù)區(qū)內(nèi)的故障，和需要中繼阻止的中繼位置以后的故障。為克服這些困難，中繼帶有故障前電壓信號(hào)相位的估計(jì)使得故障的方向得以確定；這被稱為“極化”。
可使用故障中不包含的相的電壓而實(shí)現(xiàn)極化-所謂“可靠的(即，好的)相極化”-它被予以矢量處理以給出有故障相位的故障前電壓的估計(jì)值?；蛘撸褂么鎯?chǔ)器極化，其中故障前信號(hào)的采樣被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。測(cè)量的和極化信號(hào)的組合在方向元素中形成，如圖8的四邊形的下線所示。對(duì)于這些方案的任一個(gè)，用于方向元素的信號(hào)將基于接近母線的中繼點(diǎn)的信號(hào)(即測(cè)量信號(hào))而不是由例如方程式(8)計(jì)算的到達(dá)點(diǎn)的值。
在實(shí)際電力線系統(tǒng)中，可能有電線自身固有的串聯(lián)和旁路參數(shù)以外的抗性元件。這些附加的抗性元件包括電容，它故意包含在串聯(lián)中以補(bǔ)償電線的串聯(lián)電感L，和在電線和地/相關(guān)電線之間被旁路的電感，使得在電線較長(zhǎng)時(shí)補(bǔ)償電線的旁路電容C。位于中繼的保護(hù)區(qū)內(nèi)的這些元件將趨向影響到達(dá)點(diǎn)的計(jì)算精度，除非它們包含在以上描述的模型中。因此，這些元件最好是按這個(gè)方式考慮。
如前所述，當(dāng)故障有很大的電阻性分量時(shí)，在電線段的遠(yuǎn)端的任何供入會(huì)引起相移，它對(duì)到達(dá)點(diǎn)的電壓和電流的計(jì)算精度有不好的影響。特別是在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)故障發(fā)生在正在討論的中繼保護(hù)的區(qū)域以外的另一個(gè)區(qū)域時(shí)，負(fù)載變化的影響可使中繼出錯(cuò)(即發(fā)出故障信號(hào))。參考圖9對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明，其中電阻性故障位于保護(hù)區(qū)以外和不包括如線50，而在一個(gè)方向上功率輸送中的相同的故障如線51所示和另一個(gè)方向上的如線52所示。雖然故障位于相關(guān)區(qū)域以外，由于線52穿過(guò)了四邊形特征53，此時(shí)的中繼將發(fā)出故障在區(qū)域內(nèi)的信號(hào)。
為了補(bǔ)償供入對(duì)故障檢測(cè)功能可靠性的影響，過(guò)去已建議通過(guò)采用基于對(duì)稱順序網(wǎng)絡(luò)特別是負(fù)順序網(wǎng)絡(luò)的模型以近似故障阻抗中的電流。但是，這種模型的缺點(diǎn)是僅隈于基本系統(tǒng)頻率。
本發(fā)明通過(guò)最佳實(shí)施例中采用的改進(jìn)的到達(dá)點(diǎn)方向元素來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明。
“重疊”技術(shù)的基本原理在本申請(qǐng)人1997年9月24日授權(quán)的英國(guó)專利GB 2286088B中討論。參考圖10討論該專利中采用的這一技術(shù)與本申請(qǐng)中的不同，即確定故障在電力線上的精確位置。圖10a表示在相a和地之間出現(xiàn)故障的條件下的三相電線，圖10b表示同樣的三相電在故障出現(xiàn)前的情況和圖10c表示在“重疊”狀態(tài)的相同的電線，即突出在出現(xiàn)故障時(shí)已經(jīng)改變的那些量。在中繼端(圖的左手側(cè))測(cè)量的電壓和電流在所有三個(gè)狀態(tài)有以下關(guān)系ΔVrx＝Vrx-Vsrx(9)其中x＝a，b或c對(duì)應(yīng)于有關(guān)的相。
故障通路的阻抗表示為Zf，重疊電路(圖10(c))由故障點(diǎn)的故障前電壓emf-Vsfa供電。
本發(fā)明采用如圖11所示的重疊原理。圖11中，假設(shè)故障點(diǎn)是到達(dá)點(diǎn)，如前所述，它使得大約80％的線阻抗位于到達(dá)點(diǎn)和中繼端之間和20％位于到達(dá)點(diǎn)和電線的遠(yuǎn)端之間。與20％線阻抗一起包含的是遠(yuǎn)端電源的源阻抗，它在圖10中示為阻抗Zsa，Zsb，Zsc。圖11示出重疊狀態(tài)，不同的重疊電壓和電流參數(shù)有“Δ”標(biāo)號(hào)。
重疊電壓由以上的方程式(9)給出；相似地，重疊電流由以下方程式給出ΔIrx＝Irx-Isrx(10)到達(dá)點(diǎn)重疊電壓和電流值可同樣的地使用故障值和故障前值從方程式(6)，(7)或(8)計(jì)算出。用代數(shù)方法，相a的到達(dá)點(diǎn)的重疊電壓是ΔVfa＝Vfa-Vsfa(11)
對(duì)于其它各相，作必要修改后的公式相似。至于重疊電流，有以下方程式ΔIfa＝Ira-IsraΔIfb＝Irb-Isrb(12)ΔIfc＝Irc-Isrc圖11中未知的量是Zf，Zsq和ΔIaa。Zf從以下方程式計(jì)算Zf=ΔVfa+VsfaΔIZf=ΔVfa+VsfaΔIfa-ΔIaa---(13)]]>假設(shè)遠(yuǎn)端電源的源阻抗Zsq是已知的，ΔIaa可從以下方程式計(jì)算ΔIaaΔIfbΔIfc=ZsZsubmZmZmZsZmZmZmZs-1ΔVfaΔVfbΔVfc---(14)]]>其中Zs和Zm是到達(dá)點(diǎn)和遠(yuǎn)端之間的電路段的自阻抗和互阻抗并包括遠(yuǎn)端源阻抗的假設(shè)值。由于高阻值的地故障一般只出現(xiàn)在到達(dá)點(diǎn)在架空線上而不是電纜的情況，ΔIaa的離散時(shí)間計(jì)算可通過(guò)只將Zs，Zm作為串聯(lián)的電阻和電感元件表示而達(dá)到，即使用方程式(2)形式的模型而不是方程式(6)或(8)。Zf通過(guò)將為ΔIaa導(dǎo)出的值從方程式(14)替換到方程式(13)而計(jì)算出。
Zf的表現(xiàn)可假設(shè)為以下<
因此，可能使用Zf的虛部的符號(hào)的變化作為方向確定的基礎(chǔ)，即故障是否在區(qū)域內(nèi)或外。進(jìn)一步，由于重疊網(wǎng)絡(luò)不受故障前負(fù)載的影響，到達(dá)點(diǎn)的區(qū)別將不受故障電阻的影響，而在先前所述的方向確定的傳統(tǒng)的方法中將受影響。因此不需要進(jìn)行對(duì)重疊到達(dá)點(diǎn)電阻的任何檢查，或完全不對(duì)它進(jìn)行計(jì)算。研究表明，對(duì)于ehv應(yīng)用，遠(yuǎn)端源阻抗的假設(shè)值上數(shù)量級(jí)的變化不會(huì)對(duì)中繼精度造成顯著影響。進(jìn)一步，方程式(14)中，量ΔIfb，ΔIfc，ΔVfa，ΔVfb和ΔVfc從到達(dá)點(diǎn)的計(jì)算中是已知的。因此方程式(1 4)可解出Zs和Zm(圖11中故障右側(cè)的阻抗)。在實(shí)際應(yīng)用中，中繼處理的精度可通過(guò)使用的Zs和Zm的計(jì)算值而不是上述的假設(shè)值來(lái)改進(jìn)。
上述的重疊技術(shù)的作用是為了提供圖12所示的特征，在此沒(méi)有了一般用來(lái)限制故障電阻的允許值的右手線。
雖然已經(jīng)結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的特定的電線保護(hù)裝置說(shuō)明了重疊到達(dá)點(diǎn)技術(shù)，可以想象，也可以采用如在本說(shuō)明書(shū)開(kāi)始部分描述的其它更常規(guī)的中繼技術(shù)。
還有，雖然根據(jù)本發(fā)明所述的重疊方向確定技術(shù)所涉及的故障假設(shè)為電線到地的故障，但原則上該方法還可用于相之間的故障。
權(quán)利要求
1.一種用于電力線的中繼設(shè)備(100，圖3)，其特征在于故障檢測(cè)裝置包括信號(hào)導(dǎo)出裝置，用于導(dǎo)出第一和第二信號(hào)，分別表示所述線的第一端處的電壓和電流；計(jì)算裝置，用于從所述第一和第二信號(hào)和所述電線的串聯(lián)和旁路參數(shù)的定義值計(jì)算與沿所述電線在所述第一端和所述電線的第二端之間的一點(diǎn)相關(guān)的電壓和電流的值，和故障位置確定裝置，用于從所述計(jì)算的電壓和電流值確定故障線是否位于所述第一端和所述中間點(diǎn)之間。
2.如權(quán)利要求1的中繼裝置，其中所述計(jì)算裝置使用所述第二信號(hào)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)的一個(gè)值計(jì)算所述中間點(diǎn)的電壓和電流值。
3.如權(quán)利要求2的中繼裝置，其中所述計(jì)算裝置基于以下矩陣關(guān)系進(jìn)行所述計(jì)算v1i1=1-(R0+L0ddt)-C0ddt1v0i0]]>其中v1，i1是所述中間點(diǎn)的所述電壓和電流，v0，i0是所述線的第一端的所述電壓和電流，R0和L0是線的所述串聯(lián)參數(shù)，C0是線的旁路參數(shù)。
4.如權(quán)利要求3的中繼裝置，其中所述計(jì)算裝置用于將所述線模型化為多個(gè)有各自串聯(lián)和旁路參數(shù)的串聯(lián)的線部分p，所述矩陣關(guān)系是v1i1=Πm=1p1-(R0m+L0mddt)-C0mddt1v0i0]]>
5.如權(quán)利要求4的中繼裝置，其中所述線部分的相應(yīng)參數(shù)有基本上相同的值。
6.如權(quán)利要求4或5的中繼裝置，其中所述線模型化為q個(gè)帶有不同串聯(lián)和旁路參數(shù)的串聯(lián)的段，而所述q個(gè)段中的每一個(gè)又由p個(gè)有各自串聯(lián)和旁路參數(shù)的串聯(lián)的線段組成，所述矩陣關(guān)系是vqiq=Πn=0q-1Πm=1p1-(Rnm+Lnmddt)-Cnmddt1v0i0]]>
7.如權(quán)利要求6的中繼裝置，其中至少所述段的旁路參數(shù)不都是基本相同的值。
8.如權(quán)利要求7的中繼裝置，其中所述段相應(yīng)于線的各自不同形式，包括至少一個(gè)架空線段和至少一個(gè)電纜段。
9.如上述權(quán)利要求的任一個(gè)所述的中繼裝置，其中所述線或線段的每一個(gè)由所述計(jì)算裝置模型化為Γ網(wǎng)絡(luò)。
10.如權(quán)利要求1-9的任一個(gè)所述的中繼裝置，其中所述線或線部分的每一個(gè)由所述計(jì)算裝置模型化為π網(wǎng)絡(luò)。
11.如權(quán)利要求1-8的任一個(gè)所述的中繼裝置，其中所述故障位置確定裝置包括用于檢測(cè)所述中間點(diǎn)處的電壓相對(duì)參考量是否為零、正或負(fù)的裝置，零結(jié)果表示在所述中間點(diǎn)有故障，正結(jié)果表示在所述點(diǎn)與所述電線的一端之間有故障而負(fù)結(jié)果表示在所述點(diǎn)和所述電線的另一端之間有故障。
12.如權(quán)利要求11所述的中繼裝置，其中所述參考量是與所述中間點(diǎn)相關(guān)的電流。
13.如權(quán)利要求1-8的任一個(gè)所述的中繼裝置，其中所述計(jì)算裝置包括從所述計(jì)算的電壓和電流計(jì)算所述第一端和所述中間點(diǎn)之間的復(fù)合阻抗的裝置，而所述故障位置確定裝置可包括確定所述復(fù)合阻抗的符號(hào)的裝置。
14.如權(quán)利要求13的中繼裝置，其中所述計(jì)算裝置通過(guò)以下方程式計(jì)算所述復(fù)合阻抗的值v=Ri+Ldidt]]>其中v和i分別是所述中間點(diǎn)的電壓和電流值，而R和L為所述復(fù)合阻抗的分量。
15.如權(quán)利要求11或12的中繼裝置，其中負(fù)結(jié)果表示在所述中間點(diǎn)和所述電線的所述第一端之間有故障而正結(jié)果可表示所述中間點(diǎn)和所述電線的所述第二端之間有故障。
16.如權(quán)利要求4-15中的任一個(gè)所述的中繼裝置，其中所述中間點(diǎn)一般位于沿所述電線從電線的所述第一端大約80％處。
17.如權(quán)利要求1的中繼裝置，其中所述信號(hào)導(dǎo)出裝置用于在所述電線發(fā)生故障之前和之后導(dǎo)出所述第一和第二信號(hào)，所述計(jì)算裝置可用于從所述故障前和故障后第一和第二信號(hào)和從所述參數(shù)和從所述電線的所述第二端的源電抗的值計(jì)算對(duì)應(yīng)于所述中間點(diǎn)的電壓和電流的值的變化和從所述變化計(jì)算存在于所述中間點(diǎn)和一個(gè)參考點(diǎn)之間的復(fù)合阻抗的值；和所述故障位置確定裝置可用于確定所述復(fù)合阻抗的虛數(shù)部分的符號(hào)和從所述符號(hào)推斷相對(duì)所述中間點(diǎn)所述故障的位置。
18.一種用于確定電力線的特定區(qū)域中是否有故障的方法其特征在于以下步驟在發(fā)生故障之前和之后測(cè)量所述電線第一端的電壓和電流；計(jì)算所述電線上在所述第一端和電線的第二端之間的一點(diǎn)和參考點(diǎn)之間復(fù)合阻抗，所述復(fù)合故障位置計(jì)算利用測(cè)量的電壓和電流值和與電線的參數(shù)相關(guān)的值以及與電線的所述第二端的源阻抗相關(guān)的值。確定所述復(fù)合阻抗的虛數(shù)部分的符號(hào)，和從所述符號(hào)推斷所述電線上所述故障相對(duì)所述中間點(diǎn)的位置。
19.如權(quán)利要求18的方法，其中所述故障位置的推論根據(jù)以下規(guī)則負(fù)號(hào)表示在所述端之一與所述電線的所述中間點(diǎn)之同有故障，正號(hào)表示在所述端的另一個(gè)和所述電線的所述中間點(diǎn)之間有故障，而零虛數(shù)部分表示在所述中間點(diǎn)本身處有故障。
20.如權(quán)利要求18或19的方法，其中所述計(jì)算復(fù)合阻抗的步驟包括使用以下方程計(jì)算所述中間點(diǎn)的電壓和電流v1i1=1-(R0+L0ddt)-C0ddt1v0i0]]>其中v0，i0是電線的所述第一端的電壓和電流，v1，i1是中間點(diǎn)的電壓和電流而R0，L0是串聯(lián)參數(shù)，C0為所述電線的旁路參數(shù)。
21.如權(quán)利要求18或19的方法，其中所述電力線分成q個(gè)段而所述計(jì)算復(fù)合阻抗步驟包括使用以下方程式計(jì)算所述中間點(diǎn)的電壓和電流vqiq=Πn=0q-11-(Rn+Lnddt)-Cnddt1v0i0]]>其中v0，i0是電線的所述第一端的電壓和電流，vq，iq是所述中間點(diǎn)的電壓和電流，Rn，Ln是串聯(lián)參數(shù)，Cn是不同的電線的段的旁路參數(shù)。
22.如權(quán)利要求20或21的方法，其中電力線或所述的線段可概念上再分成有不同電線參數(shù)的p個(gè)線部分，而所述計(jì)算復(fù)合阻抗步驟包括使用以下方程式計(jì)算中間點(diǎn)的電壓和電流vqiq=Πn=0q-1Πm=1p1-(Rnm+Lnmddt)-Cnmddt1v0i0]]>
23.如權(quán)利要求8-22任一個(gè)所述的方法，其中所述中間點(diǎn)位于沿電線距所述第一端大約80％處。
全文摘要
電力線上的故障通過(guò)測(cè)量電力線一端的電壓和電流并使用這些測(cè)定和電線的串聯(lián)和旁路參數(shù)值一起計(jì)算電線的中間點(diǎn)的電壓和電流值。至少計(jì)算出的電壓被用于確定故障是否位于的電線的特定區(qū)域。該計(jì)算利用所述測(cè)量電流對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)值并能夠考慮將電線對(duì)應(yīng)于例如架空段和電纜段分成不同長(zhǎng)度的離散段。為增加精度,線或線的每個(gè)分立的段在概念上分可為有自己的參數(shù)值的子段。
文檔編號(hào)H02H3/40GK1261672SQ00100978
公開(kāi)日2000年8月2日 申請(qǐng)日期2000年1月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月13日
發(fā)明者P·J·莫雷 申請(qǐng)人:阿爾斯托姆英國(guó)有限公司