ABSTRACT

After analyzing the propagation characteristics of the traveling wave after the failure of the submarine cable-overhead line hybrid line, a fault location method through traveling wave for the hybrid transmission line is proposed. First, the original B type hybrid transmission line is decomposed into two hybrid transmission lines of type A. Then the time difference between the two monitoring device located in the endpoints of each A type hybrid line is used to make a preliminary judgment of the fault section. Finally an accurate fault location result is made according to the principle of single-end method. This method eliminates the difficult problem of the identification of the second wave heads in the single-end fault location method, and it also eliminates the influence of the out-sync of time and the influence of the line length which is given of the two double-end fault location method. PSCAD simulation experiments show that the presented the Fault Location Method through Traveling Wave for the Submarine Cable-Overhead Line Hybrid Line is reliable, and the accuracy of fault location has been effectively improved.

Keywords:Submarine Cable, Overhead Line, Hybrid Transmission Line, Fault Location, PSCAD

海底电缆–架空线B型混合线路行波故障测距新方法

刘辉¹，谭博学^1*，孙懿君¹，任鹏飞¹，孟超²

¹山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博

²临沂正信工程勘察设计有限公司，山东 临沂

收稿日期：2016年9月5日；录用日期：2016年10月7日；发布日期：2016年10月10日

摘 要

分析了海底电缆–架空线混合线路发生故障以后行波的传播特性，并提出了一种针对海底电缆–架空线B型混合输电线路的行波测距方法。首先把原有的B型三段混合输电线路分解组合成两段A型混合输电线路，先利用每段A型混合线路两端监测装置监测到的故障初始行波浪涌到达监测点的时间差与整定时间进行比较，对故障区段初步判断，依据监测点接收行波的时间再根据单端原理得出准确的测距结果。此方法不但可以消除单端测距方法故障区段判别中对第二个波头性质的识别的难题，并且可消除双端测距方法计算故障距离时两端间不能精确同步和线路长度对测距结果的影响。PSCAD仿真实验表明，本文所提出的关于海底电缆–架空线混合输电线路故障行波测距方法是可靠的，且测距精度得到了有效提高。

关键词 :海底电缆，架空线，混合输电线路，故障测距，PSCAD

1. 引言

随着现代社会的快速发展、经济持续增长与工业的迅猛发展，对电力需求的增长也在持续走高，这对电力供应是严峻的挑战。同时，随着对海洋资源的开发，向海上钻井平台供电、跨海峡的区域电网互联和各国电网跨海域互联技术等区别于一般输电工程的出现，使得海底电缆–架空线混合输电线路而到了快速发展。因此，当海底电缆–架空线混合输电线路发生故障时，由于海底电缆的特殊性，对障点快速、准确的定位对于提高供电可靠性的和减少经济损失有着重要的现实意义 [1] 。

架空线–电缆混合输电线路就结构组成来看，包含A型混合输电线路和B型混合输电线路。A型混合输电线路是由一段架空线和一段电缆线路组成的，而B型混合输电线路则是由两边的两段架空线路和中间的电缆线路组成，由于结构的复杂性，所以对B型混合输电线路故障点的准确定位就显得尤为重要。阻抗测距法和行波测距法是目前对于输电线路的主要的测距方法，其中，阻抗法受故障电阻、电源阻抗、线路不对称(换位)的影响；而行波法不但不受上述因素的影响，且与阻抗法相比行波法投资少，可靠性高，测距准确等优点，行波测距是目前公认的电力线路测距最为精确、适用范围最广的一种故障测距方法 [1] - [8] 。而对于故障行波测距方法，目前为止，国内外专家学者已经提出了多种对于普通A型混合输电线路故障测距方法 [9] - [14] ，并且在工程应用中已经得到成功应用，如已经成功应用到行波测距装置中的双端行波原理的架空线–电缆混合线路故障测距方法 [9] 。文献 [9] 采用的是双端行波原理的架空线–电缆混合线路故障测距方法，但是因为采用的是双端测距法，测距精度会受到线路长度和线路两端监测装置不能精确同步的影响。文献 [10] 采用的是双端行波的到达时间中点的逐段搜索算法，但需要先确定线路的时间中点，而且混合输电线路架空线与电缆线路的参数有较大差异，此方法最终确定的是故障点的空间距离，测距精度有待进一步提高。文献 [11] 提出的是波速度归一算法，通过输电线路长度的折算，将架空线和电缆上的两种不同波速度折算为架空线的波速度或是电缆的波速度，将混合输电线路等效为单一线路进行测距，它采用的是双端测距原理，同样存在受到线路长度以及两端时间不能精确同步的问题。

上述几种测距方法主要是针对A型混合输电线路的测距方法，但工程中跨海峡输电线路多为B型混合输电线路，所以对海底电缆–架空线混合输电线路故障测距的研究很有现实意义。本文提出的一种基于海底电缆–架空线B型混合输电线路故障行波测距方法，在线路的端点M、N处和线缆连接点P、Q处分别装设故障行波监测装置，采用区段组合的形式。把原有的B型混合线路分解成两段A型混合线路，先对故障进行故障区段的判定，再根据单端测距原理计算出准确的行波测距结果。

2. 基于海底电缆–架空线混合线路行波测距方法

海底电缆–架空线混合输电线路某一点发生故障时，故障行波的折返射特性如图1所示，MP为架空线输电线路、PQ为海底电缆输电线路、QN为架空线输电线路，P、Q分别为架空线与海底电缆的连接点，如图A、B、C分别为MP、PQ、QN段线路的中点，F为故障点。架空线MP段线路长度为，海底电缆

PQ段线路长度为，架空线QN段线路长度为，、、和分别为发生故障后故障行波浪涌到达混合线路四个线路故障监测点M、P、Q和N点的绝对时刻，当混合线路发生故障后，各监测端接收到的第i个故障行波波头的时间分别记为、、和。

3. 故障区段的判定及其故障测距结果的计算

本方法采用区段组合的形式，把原有的B型混合线路分解成两段A型混合线路，即架空线MP段与海底电缆PQ段组合，海底电缆PQ段与架空线QN段组合。先对故障进行故障区段的判定，判断出故障在那个区段，再根据该线路两端点接收到故障行波的时间差判断出故障点是在本段线路的中点前或是中点后，以选择出适合的测距方法。

设整定值，，式中、分别表示故障行波在架空线及海底电缆中的传播速度。令，，具体的判别方法如下：

1) 当，则可判断故障点在架空线MP段，此时进一步计算：

①若，则可判断故障点在MA段，而且线路M端接收到的第二个故障行波信号为故障点反射波，则根据单端测距原理得到故障点F到母线端M侧的距离：；

②若，则可判断故障点在MP段架空线路的中点A处，所以故障点到M端的距离为；

③若，则可判断故障点在AP段，而且线路M端接收到的第二个故障行波信号为线缆连接点P的反射波，则根据单端测距原理得到故障点F到母线端M侧的距离：。

2) 当，则故障点在连接点P处，所以故障点到M端的距离为；

3) 当，而且，则故障点在架空线PQ段，此时则进一步计算：

①若，则可判断故障点在PB段，而且线路M端接收到的第二个故障行波信号为故障点

图1. 海底电缆–架空线混合线路故障行波传播示意图

反射波，则根据单端测距原理得到故障点F到母线端M侧的距离：；

②若，则可判断故障点在PQ段海底电缆线路的中点B处，所以故障点到M端的距离为：；

③若，则可判断故障点在BQ段，而且线路M端接收到的第二个故障行波信号为线缆连接点P的反射波，则根据单端测距原理得到故障点F到母线端M侧的距离：。

4) 当，且，则故障点在连接点Q处，所以故障点到M端的距离为；

5) 当，且，则故障点在架空线QN段，此时则进一步计算：

①若，则可判断故障点在QC段，而且线路M端接收到的第二个故障行波信号为故障点反射波，则根据单端测距原理得到故障点F到母线端M侧的距离：；

②若，则可判断故障点在QN段架空线路的中点C处，所以故障点到M端的距离为：；

③若，则可判断故障点在CN段，而且线路M端接收到的第二个故障行波信号为线缆连接点P的反射波，则根据单端测距原理得到故障点F到母线端M侧的距离：。

4. 仿真验证

4.1. 仿真模型的搭建及参数设置

本文选用的线路模型为海南联网工程的线缆混合输电线路，其主要参数有，电压等级为500 kV，线路M、N端的系统电抗均设置为0.0314 Ω，混合线路的长度分别为广东湛江侧124.411 km的500 kV架空线路，中间是长度为31.4 km的海底电缆线路，海南福山站至林诗岛终端站架空线约为13.468 km，海南联网工程是一条典型的海底电缆–架空线混合输电线路。本文选用的是PSCAD电磁暂态仿真软件，主要设置了四个故障点，分别为故障点F1距离线路首端M的距离为30 km，故障点F2距离线路首端M的距离为139.411 km，故障点F3距离线路首端M的距离为155.811 km，故障点F4距离线路首端M的距离为163.811 km。为了提高仿真精度，设置仿真频率为10 MHz，搭建的仿真模型如图2。

仿真模型中故障行波在海底电缆中的传播速度根据电缆的依频特性参数可求得为189 km/ms，根据架空线的参数特征求得行波在架空线中的波速度为300 km/ms。根据线路的参数可求得整定值，。

4.2. 线路故障点的设置

故障点仿真：假设在时刻，在F1点发生A相接地短路故障。故障初始角设置为30˚，海底电缆–架空线混合线路的四个监测点第一次接收到故障行波波形图如图3所示。

图2. 500 kV海底电缆–架空线混合输电线路仿真模型

图3. F1点故障时各监测点的电流和电压行波波行

表1. 500 kV海底电缆–架空线混合输电线路PSCAD仿真测距结果及与其他测距方法比较

通过对各个监测点测得的故障行波暂态波形可知，M端测得的故障行波浪涌第一次和第二次到达M端的时刻分别为，；P端测得的故障行波浪涌第一次到达P端的时刻为 =314.8 ；Q端测得的故障行波浪涌第一次到达Q端的时刻为；N端测得的故障行波浪涌第一次到达N端的时刻为。计算有，。因为，所以可判断出故障点在混合线路的MP段，又，进一步判断出故障点在MA段，得出故障点距离M端的距离为，测距误差为0m。同理，计算得出故障点F2、F3和F4在不同的距离时的侧距结果，如下表所示。

故障点F2距离线路首端M的距离为139.411 km，故障点F3距离线路首端M的距离为137.411 km，故障点F4距离线路首端M的距离为163.811 km。

表1给出了海底电缆–架空线混合输电线路6个不同故障点，用本文所述方法得到的故障测距结果及测距误差。

从表1的测距结果分析中可以得到，在电压等级为500 kV的海底电缆–架空线混合输电线路中，采用这种把原有的B型混合线路分解成两段A型混合线路的行波测距方法，误差一般在50 m以内，且测距误差明显小于传统的测距方法。由此可以得出本文所提出的海底电缆–架空线混合输电线路行波测距方法是准确可靠的，对于故障点定位的精确度高于单独的双端测距原理。

5. 结语

本文根据故障行波在混合输电线路中的折、返射的传播特性，提出了一种海底电缆–架空线混合输电线路故障行波测距的新方法，主要通过PSCAD进行分析仿真，能够迅速准确的对故障点位置进行确定，并且消除了两端时间不能精确同步以及线路长度的影响。通过对不同故障点的仿真分析，验证了此种方法提高了测距精度，能可靠的确定故障点位置，具有良好的应用价值。

文章引用

刘 辉,谭博学,孙懿君,任鹏飞,孟 超. 海底电缆–架空线B型混合线路行波故障测距新方法
The New Fault Location Method through Traveling Wave for the B Type Submarine Cable-Overhead Line Hybrid Line[J]. 智能电网, 2016, 06(05): 262-268. http://dx.doi.org/10.12677/SG.2016.65029

参考文献 (References)