基于分布式故障测距思路的管网电缆架空线路技术研究.pdf
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1、172023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术基于分布式故障测距思路的管网电缆架空线路技术研究武阳阳(国家管网集团北方管道有限责任公司石家庄输油气分公司)摘要:成品油和天然气(以下简称“油气”)管网工作区供电线路的稳定运行直接决定了油气的稳定运输与居民生活水平,受到城市化高度集中发展的影响油气管网供电线路大部分都是采用电缆以及混架的形式铺设,线路故障层出不穷,现阶段尚无明确的距离保护方案,只能通过故障时人工巡线的方式进行故障排查。本文以国家管网集团北方管道有限责任公司石家庄输油气分公司晋中作业区
2、进线一路 512 专线为例,从分布式故障测距思路出发,对混架线路进行建模分析,对油气供电线路进行线路状态量采集与监测,最终实现了油气混架供电线路故障点精确定位,配合油气管网供电线路现场运维人员进行故障点查找与处理,减小了不必要的故障停电时间造成的恶劣社会影响,从而实现了经济效益。关键词:油气管网供电线路;分布式故障测距;混架线路;经济效益0 引言油气管网供电线路大部分为城市配电系统的重要组成成分之一,不同于城市配电系统直接面向居民楼或者单位,其主要负荷为油气沿线运输的压力系统、信号系统等等,承担着城市化油气系统运输的主要动力来源。而油气管网供电线路大部分离城市中心较近,受到高度集中的城市化建筑
3、,油气管网供电线路一般情况下采用电缆架空混架形式铺设,电缆主体结构部分深埋地下,受到自然环境、地下雨水的侵蚀,线路极易发生隐患放电最终导致电缆击穿从而发生故障跳闸的情况,因此电缆线路的状态量监测显得极为重要。由于石家庄输油气分公司晋中作业区阳泉站进线一路 512 专线采用 10kV 中性点不接地系统,当架空线路发生单相接地故障未达到系统过流和速断保护设定阈值时,系统不会发生故障跳闸,城市化高度集中的区域,单相接地故障频发。现阶段,由于油气管网供电线路的结构特殊性尚无明确的距离保护方案,对于油气管网供电线路只有在线路发生故障跳闸时进行人工寻线的方式进行故障点处理,这对于油气管网线路的故障恢复显得
4、极为不利。本文从分布式故障测距角度出发,设计出一种基于电缆架空混架线路的故障测距装置,该装置在系统发生故障时可实现油气管网供电线路电缆段架空段的区分,同时实现故障点快速精确定位。1 分布式故障测距思路分布式故障测距思路是基于行波的输电线路故障测距技术,行波法故障测距技术是针对输电线路的2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 172023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 172023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49182023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECH
5、NIC产品与技术故障精确定位技术于 20 世纪提出,在当时,受到传感器采集精度以及数字信号处理问题的影响,行波法故障测距一直没有得到成熟稳定的应用,直到 21 世纪初期,高精度数字传感器的成熟应用以及小波变换等数字信号处理方法的相继出现,行波法故障测距率先应用于架空输电线路上,架空输电线路结构较为简单,系统不存在复杂的 T 接或者电缆架空混架的情况,采用 D 行波法故障测距基本能够保证故障点精确定位误差在百米以内,图 1 为 D 行波法故障测距等效示意图。图 1 D 行波法故障测距示意图如图 1 所示为行波法故障测距在架空输电线路中的应用示意图,其中 A、B 为两变电站,m、n 为行波监测终端
6、,Xm,Xn为故障点分别距离监测终端 m以及 n 的距离,G 点为架空输电线路发生故障时接地点,t1、t2分别为故障点 G 产生的沿输电线路向两端传输的行波,式(1)为行波法故障测距公式:式中,t 为行波沿输电线路到达两监测终端的时间差公式,而 t1、t2时刻只需要结合高精度传感器进行采集,通过小波变换等数学方法即可实现行波波头达到监测终端的时刻求解。v 为行波沿架空输电线路传输的波速,通过线路参数即可实现波速的求解,利用通过式(1)可知,在利用 D 行波法故障测距时,故障测距公式与故障点的过渡阻抗无关,因此,(1)行波法故障测距在架空线路上进行应用时,故障精确度相比站内的录波式阻抗测距精度更
7、高。分布式故障测距思路在简单架空输电线路上取得了较高的故障测距精度以及良好的稳定性,是由于架空输电线路首先环境较为良好,系统采用中性点有效接地方式,同时电磁干扰较小,因此影响故障测距精度的因素较少,而针对线路结构较为复杂的时候,需要通过稳定的系统以及成熟的数字信号处理方法才能实现故障精确定位。2 分布式故障监测装置系统组成应用油气管网电缆架空混架线路的分布式故障测距装置采用架空线路思路,系统基本分为电流传感器、电压传感器以及故障测距处理算法及逻辑。电流传感器用线路中电流量的监测,同时采集线路中的行波电流用于求解行波达到监测终端的波头时刻;电压传感器用于采集线路中电压的变化,用来辨别油气管网供电
8、线路发生单相接地还是故障跳闸;故障测距处理算法用于判定系统中的误报以及故障点精确定位情况。模块之间相互配合,从而实现油气管网供电线路的故障点精确定位。2.1 电流传感器油气管网供电线路大部分为电缆架空混架线路,电缆线路部分采用三芯电缆,在电缆终端头处进行接地处理,而架空线路则沿用配电网线路形式。电流传感器采用柔性线圈传感器,可适应不同粗细的电缆,利用工业橡胶结合扎带的形式固定在电缆终端头处,该电流传感器采用罗氏线圈监测电流原理,罗氏线圈具有良好的输出响应特性,同时其具备良好的通频带,约为 0.1Hz1MHz。油气管网供电线路工频频率为 50Hz,行波频率约为几十 kHz200kHz,因此该传感
9、器可以很好地采集油气管网供电线路工频以及行波,如图 2 所示为柔性线圈传感器放大示意图。2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 182023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 182023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49192023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术线圈卡于电缆终端头处,其采集原理如下:式中,u(t)为罗氏线圈输出电压方程;i1(t)为电缆本体中负载电流方程;M 为线圈与电缆芯线之间的参数,该值在传感器安装时为常数;i2(t)为
10、自积分电阻中电流方程;L、R0、C0和 r 分别为罗氏线圈自身电感参数、电阻参数、电容参数、自积分电阻参数。而由于油气管网线路发生跳闸时行波阻抗远大于自积分回路中的阻抗,因此,可将罗氏线圈 u(t)等效为如式(3)的输出:式中,在电缆线路安装完成时,M、L0、r 全部为常数。因此,可以大致判定系统中罗氏线圈输出参数只与电缆线路中负载电流方程 i1(t)有关,且呈现良好的线性特性。由于柔性线圈传感器为罗氏线圈传感器在进行电流采集时,会将工频电流信号以及行波电流信号同时采集,因此通过频率选择的方式进行筛选,在对柔性线圈采集的信号进行处理时需设置通频带,工频电流通频带为 01000Hz,行波电流通频
11、带为 1000Hz1MHz,如图 3 所示为油气管网供电线路电流信号采集处理示意图。图 2 柔性线圈传感器放大示意图图 3 油气管网供电线路电流信号采集处理示意图图 4 油气管网混架线路电压传感器测量等效示意图(2)(3)2.2 电压传感器由于 10kV 混架油气管网供电线路采用中性点非有效接地方式运行,在进行接地点以及故障点判定时必须借助工频电压,因此该监测装置加入了工频电压监测传感器。油气管网混架供电线路电压传感器此处同样安装于电缆转架空的终端头处,同样采用柔性线圈的方式进行电压测量,该处不同于传统的站内变压器侧的相电压测量,该电压传感器利用串联电容分压原理,进行电压的测量,如图 4 所示
12、为油气管网混架线路电压传感器测量等效示意图。应用于油气管网线路的电压测量的传感器同样采用柔性线圈传感器的形式,其测量原理为电容分压结构,C1、C2分别为传感器对地杂散电容以及传感器对2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 192023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 192023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49202023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术油气管网电缆供电线路电容,C3为测量回路中电容,因此可以得出测量回路中的电压方程为:式中
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