同桿雙回線(xiàn)環(huán)流量的行波特點(diǎn)

本文對(duì)存在復(fù)雜耦合關(guān)系的同桿雙回線(xiàn)分解成解耦的同向模網(wǎng)和環(huán)流模網(wǎng)的過(guò)程進(jìn)行了理論推導(dǎo)，得到的雙回線(xiàn)環(huán)流模網(wǎng)具有不包含雙回線(xiàn)以外的系統(tǒng)且兩端電壓為零的特點(diǎn)，該特點(diǎn)使得環(huán)流網(wǎng)成為雙回線(xiàn)最佳的故障定位網(wǎng)絡(luò)，從而使復(fù)雜的雙回線(xiàn)測(cè)距簡(jiǎn)單化。通過(guò)對(duì)比單相接地故障時(shí)雙回線(xiàn)環(huán)流網(wǎng)與雙回線(xiàn)故障線(xiàn)的α模行波的仿真波形，得出了雙回線(xiàn)環(huán)流量行波和雙回線(xiàn)路以外系統(tǒng)無(wú)關(guān)，且在兩端母線(xiàn)處的反射最強(qiáng)在故障點(diǎn)的反射較弱等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得基于雙回線(xiàn)環(huán)流量的單端行波測(cè)距具有雙端測(cè)距效果。本文為環(huán)流量行波用于同桿雙回線(xiàn)測(cè)距奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：同桿雙回線(xiàn)；環(huán)流量；行波

The travelling wave characteristics of differential component on parallel transmission lines

SONG Guo-bing, SUONAN Jia-le, XU Qing-qiang, ZHANG Jian-kang, KANG xiao-ning

(Dept. of Electric Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, china)

??? Abstract: A theoretical derivation process about complicated coupling parallel transmission lines on the same tower decomposing into decoupling common component mode nets and differential component mode nets is given in this paper, and obtained differential component mode nets have features that the nets have no relation to systems outside the parallel transmission lines and their two terminals voltage are zero. Above mentioned features make differential component nets become the optimal fault location network, and cause the complicated parallel transmission line fault location simplification. Comparing the α module travelling wave of parallel transmission line on the same tower with that of fault line by single phase earth fault, some conclusions are reached such as the differential component travelling waves are free from the systems outside the parallel transmission lines, and have strong reflection in two terminal bus bar and weak reflection at fault point. These features are beneficial to travelling wave fault location, and so as to the one-terminal travelling wave fault location based on differential component of parallel transmission lines has the same effect as two-terminal. The paper will lay a theoretical foundation for differential component used to traveling wave fault location of parallel transmission line on the same tower.
??? Key words: parallel transmission lines on the same tower; differential component; travelling wave

0 引言
??? 由于同桿雙回線(xiàn)輸電技術(shù)采用雙回線(xiàn)路共用桿塔，具有占地少，節(jié)省出線(xiàn)走廊等優(yōu)點(diǎn)，故有利于環(huán)境保護(hù)，減少資金投入和縮短建設(shè)工期。因此這種輸電技術(shù)越來(lái)越受到重視，并逐漸成為電能傳輸?shù)闹饕绞健?a target="_blank">高壓遠(yuǎn)距離輸電線(xiàn)路走廊復(fù)雜，巡線(xiàn)困難且費(fèi)用較高，因此其故障定位技術(shù)一直是電力工作者的重要研究課題。
??? 由于同桿雙回線(xiàn)路存在線(xiàn)間互感、故障類(lèi)型多且復(fù)雜，尤其是在考慮同桿雙回線(xiàn)的分布參數(shù)模型時(shí)，反應(yīng)單端電氣量的工頻量準(zhǔn)確故障定位問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決。在反應(yīng)暫態(tài)電氣量的行波測(cè)距方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究^[3,5,7]，但同桿雙回線(xiàn)的特殊結(jié)構(gòu)使得其單端行波故障測(cè)距目前也仍存在如下問(wèn)題：反應(yīng)單端電氣量的行波測(cè)距是通過(guò)檢測(cè)故障點(diǎn)產(chǎn)生的初始行波到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間和檢測(cè)點(diǎn)與故障點(diǎn)間的首次反射行波到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)測(cè)距。初始行波一般可以做到準(zhǔn)確檢測(cè)，但反射波中包含背側(cè)系統(tǒng)復(fù)雜的反射波、故障點(diǎn)的反射波、對(duì)端母線(xiàn)和系統(tǒng)的反射波、故障點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生的反射波，因此反射波的識(shí)別非常困難，并且從理論都沒(méi)解決其識(shí)別的機(jī)理，從現(xiàn)場(chǎng)得到的故障時(shí)的行波數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)看波形復(fù)雜很難用計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別反射波進(jìn)行故障測(cè)距，需由專(zhuān)家根據(jù)情況估算出故障點(diǎn)，測(cè)距可信度和成功率不高。
??? 目前的同桿雙回線(xiàn)故障行波測(cè)距是直接采用單回線(xiàn)的行波測(cè)距方法，沒(méi)有反應(yīng)同桿雙回線(xiàn)自身的故障特征。通過(guò)對(duì)同桿雙回線(xiàn)故障分析的研究發(fā)現(xiàn)，雙回線(xiàn)中的電流可以分解為同向量和環(huán)流量，其中環(huán)流量?jī)H在雙回線(xiàn)路內(nèi)部流動(dòng)和系統(tǒng)無(wú)關(guān)，故雙回線(xiàn)環(huán)流量中的行波不受雙回線(xiàn)路以外的系統(tǒng)接線(xiàn)情況的影響。環(huán)流量行波僅在線(xiàn)路內(nèi)部來(lái)回反射，測(cè)量點(diǎn)的行波將具有極強(qiáng)的規(guī)律性，且雙回線(xiàn)環(huán)流量 行波具有行波模量高，行波波頭清晰等特點(diǎn)?；陔p回線(xiàn)環(huán)流量的單端行波測(cè)距具有與雙端行波測(cè)距完全相同的性能，與雙端行波測(cè)距相比又無(wú)須同步裝置和通道配合，具有一定的應(yīng)用前景。

1 同桿雙回線(xiàn)的環(huán)流量
??? 同桿架設(shè)的雙回線(xiàn)路是一種并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)，由于線(xiàn)路參數(shù)相同，在非故障狀態(tài)下，兩回線(xiàn)路的同名相流過(guò)的電流大致相等，但故障情況下，故障相的電流和另一回線(xiàn)同名相的電流差異很大，如果將雙回線(xiàn)中的電流分解成同相量和環(huán)流量(與同向量相對(duì)應(yīng)也稱(chēng)反向量^[1,2,4,5,6])，則環(huán)流量只在故障時(shí)出現(xiàn)，且只在雙回線(xiàn)路內(nèi)部流動(dòng)。以上分析表明雙回線(xiàn)的環(huán)流量具有如下特征：①標(biāo)識(shí)故障，即僅在故障時(shí)出現(xiàn)，能夠區(qū)分故障與非故障；②只在雙回線(xiàn)路內(nèi)部流動(dòng)，與雙回線(xiàn)以外的系統(tǒng)參數(shù)無(wú)關(guān)，即不受雙回線(xiàn)路以外的系統(tǒng)參數(shù)的影響；③雙回線(xiàn)的環(huán)流電壓沿線(xiàn)分布，故障點(diǎn)最高，雙端母線(xiàn)側(cè)為零。環(huán)流量的以上優(yōu)良特性，使得環(huán)流量成為雙回線(xiàn)最佳的故障識(shí)別與定位的電氣量。
??? 由前分析知，如果將雙回線(xiàn)系統(tǒng)中的電壓和電流表示成同向量和環(huán)流量形式^[4,6]，則有：
??
其中T為同向量，F(xiàn)為環(huán)流量，Ⅰ為雙回線(xiàn)的回線(xiàn)1，Ⅱ雙回線(xiàn)的回線(xiàn)2。為分析方便，將同桿雙回線(xiàn)耦合關(guān)系示于圖1。

??? 如果將同桿雙回線(xiàn)的輸電線(xiàn)看成均勻傳輸線(xiàn)，在考慮同桿雙回線(xiàn)間的互感和線(xiàn)間電容時(shí)，其傳輸線(xiàn)方程為：
?
?
其中：L_s為單位線(xiàn)路的自感；L_m為單回線(xiàn)內(nèi)單位線(xiàn)路的線(xiàn)間互感；L^′_m為兩回線(xiàn)間單位線(xiàn)路的線(xiàn)間互感；C_s為單位線(xiàn)路的對(duì)地電容；C_m為單回線(xiàn)內(nèi)單位線(xiàn)路的線(xiàn)間電容；C^′_m為兩回線(xiàn)間單位線(xiàn)路的線(xiàn)間電容。
??? 按(1)(2)兩式的變換規(guī)則，將(3)(4)兩式變成同向量和環(huán)流量的傳輸方程：
?
?
??? 從(5)-(8)兩式表示的同向量和環(huán)流量表示的傳輸線(xiàn)方程可以看出，用同向量和環(huán)流量表示的雙回線(xiàn)已實(shí)現(xiàn)兩回線(xiàn)間解耦。然后將同向量和環(huán)流量表示的傳輸方程進(jìn)行相模變換以消除其非對(duì)角元素，則得同向量和環(huán)流量的α模、β模、0模的模量傳輸線(xiàn)方程如下：
??? 式 (9)、(10)式對(duì)x求偏導(dǎo)，并將(11)、(12)式代入，則得到如下波動(dòng)方程：
?
?
?
式(9)、(10)對(duì)x求偏導(dǎo)，并將式(11)、(12)代入則得到如于波動(dòng)方程：
?
其中：j=α、β、0。
??? 這樣，存在復(fù)雜耦合關(guān)系的同桿雙回線(xiàn)傳輸線(xiàn)方程就分解成為六個(gè)相互獨(dú)立的、彼此之間沒(méi)有耦合的模量傳輸線(xiàn)方程，進(jìn)而化成波動(dòng)方程形式。由上述推導(dǎo)可以看出，所得到的不同模量下的傳輸參數(shù)是不盡相同，這說(shuō)明分解后的不同模量具有不同的波阻抗和波速度。
??? 上述處理過(guò)程只是將系統(tǒng)中的雙回線(xiàn)部分分解成了同向量模量和環(huán)流量模量，如果將整個(gè)系統(tǒng)分解成為同向模量和環(huán)流模量，還需要對(duì)雙回線(xiàn)以外的系統(tǒng)進(jìn)行分解^[4,6]。為了闡述方便，我們將上述分解得到的雙回線(xiàn)各獨(dú)立模量下的阻抗傳輸參數(shù)稱(chēng)為模阻抗，由模阻抗組成的圖(與序網(wǎng)圖對(duì)應(yīng))稱(chēng)之為模網(wǎng)圖。
??? 由(1)式可知，在雙回線(xiàn)的母線(xiàn)側(cè)，環(huán)流量電壓為零，而同向量電壓不為零。這說(shuō)明雙回線(xiàn)母線(xiàn)處因?yàn)榄h(huán)流量電壓為零相當(dāng)于直接接地，環(huán)流量模網(wǎng)圖的模阻抗參數(shù)只含有雙回線(xiàn)部分，雙回線(xiàn)以外的部分在環(huán)流量模網(wǎng)圖中將不存在；而同向量電壓在雙回線(xiàn)母線(xiàn)側(cè)電壓不為零，這樣同向量模網(wǎng)圖中雙回線(xiàn)母線(xiàn)背側(cè)的系統(tǒng)參數(shù)不能省去，在畫(huà)模網(wǎng)圖時(shí)，需要將雙回線(xiàn)母線(xiàn)背側(cè)的系統(tǒng)參數(shù)增加一倍^[4]，然后進(jìn)行對(duì)應(yīng)的模變換。
??? 圖2、3為將一雙電源的雙回線(xiàn)系統(tǒng)分解成同向量和環(huán)流量模網(wǎng)圖。下圖中雙回線(xiàn)部分各模量下的具體線(xiàn)路傳輸參數(shù)計(jì)算分別如(9)-(12)式所示。

??? 由以上模網(wǎng)圖也可以看出，圖2的同向量模網(wǎng)中雙回線(xiàn)背側(cè)的系統(tǒng)參數(shù)依然存在，故電流行波在到達(dá)M端和N端后其反射和折射將受雙回線(xiàn)路背側(cè)系統(tǒng)參數(shù)的影響。同向量模網(wǎng)中的行波傳輸和單回線(xiàn)相同。而圖3的環(huán)流量模網(wǎng)中雙回線(xiàn)背側(cè)沒(méi)有參數(shù)，行波到達(dá)M端和N端時(shí)將出現(xiàn)全反射，故行波在其中的傳播不受雙回線(xiàn)路背側(cè)的系統(tǒng)參數(shù)影響，故其行波特征將優(yōu)于單回線(xiàn)。

2 仿真驗(yàn)證
??? 為驗(yàn)證同桿雙回線(xiàn)環(huán)流量的行波特點(diǎn)，本文采用如圖4所示的仿真模型。500kV電壓等級(jí)雙電源系統(tǒng)，線(xiàn)路全長(zhǎng)110公里，中間90公里為同桿雙回線(xiàn)，在線(xiàn)路發(fā)生單回線(xiàn)故障利用ATP進(jìn)行仿真。

??? 系統(tǒng)等效參數(shù)如下：
??? M端的系統(tǒng)參數(shù)：正序阻抗Z_M1=j60.00Ω；零序阻抗Z_M0=j46.80Ω。
??? N端的系統(tǒng)參數(shù)：正序阻抗Z_N1=j45.20Ω；零序阻抗Z_N0=j22.01Ω。

??? 在仿真時(shí)，暫態(tài)數(shù)據(jù)的采樣頻率500kHz，即每2μs記錄一個(gè)數(shù)據(jù)；記錄數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1000個(gè)，即只記錄故障最初的2數(shù)據(jù)；以下所給的仿真結(jié)果分別是雙回線(xiàn)故障線(xiàn)路行波的模和雙回線(xiàn)環(huán)流量行波的模(它們的傳播速度為259591km/s)；所給出仿真波形的測(cè)點(diǎn)都選在M側(cè)；另外，本文只給出了單回線(xiàn)故障中的單相接地故障的仿真。
??? 1) 金屬性接地，故障發(fā)生在距M側(cè)50km處，如圖5、圖6所示。

??? 2)過(guò)渡電阻500Ω，故障發(fā)生在距M側(cè)50km處，如圖7、圖8所示。

??? 現(xiàn)在對(duì)以上仿真結(jié)果進(jìn)行分析如下：在圖5-8中的行波波頭1對(duì)應(yīng)故障點(diǎn)行波在雙回線(xiàn)M端母線(xiàn)第一個(gè)反射波到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻；波頭2、3、4對(duì)應(yīng)M背側(cè)線(xiàn)路末端的第一、二、三個(gè)反射波到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻；波頭5對(duì)應(yīng)故障點(diǎn)在N側(cè)母線(xiàn)的第一個(gè)反射波達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻；波頭6分別對(duì)應(yīng)故障點(diǎn)與M側(cè)母線(xiàn)間的第二個(gè)反射波到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻、波頭5在M背側(cè)線(xiàn)路末端的第一個(gè)反射波到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻、波頭5在N背側(cè)線(xiàn)路末端的第一個(gè)反射波到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻，三者極性相同，互相疊加；波頭7、8、9分別對(duì)應(yīng)波頭5在M和N背側(cè)線(xiàn)路末端的第二、三、四個(gè)反射波到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻，由于M和N的背側(cè)線(xiàn)路都為10公里，所以二者總是同時(shí)到達(dá)，且極性相同、互相疊加；波頭10、12分別對(duì)應(yīng)波頭1在M端和N端母線(xiàn)間經(jīng)第一、二次反射后，到達(dá)M端測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻；波頭11、13分別對(duì)應(yīng)波頭5在M端和N端母線(xiàn)間經(jīng)第一、二次反射后，到達(dá)M端測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻。
??? 從仿真結(jié)果可以看出：(1)雙回線(xiàn)故障回線(xiàn)行波在波頭1與5、5與10間包含有M、N母線(xiàn)背側(cè)線(xiàn)路傳來(lái)的折射波，而反模網(wǎng)中沒(méi)有M、N母線(xiàn)背側(cè)線(xiàn)路傳來(lái)的雜波。(2)波頭1、5間的時(shí)刻可用于行波測(cè)距，測(cè)距原理同雙端行波測(cè)距。(3)雙回線(xiàn)M、N母線(xiàn)處電流波為全反射。(4)波頭1、10、12間的距離為雙回線(xiàn)全長(zhǎng)的2倍；波頭5、11、13間的距離也為雙回線(xiàn)全長(zhǎng)的2倍；它們間隔周期出現(xiàn)，規(guī)律性強(qiáng)。
??? 通過(guò)上述分析，可以將雙回線(xiàn)環(huán)流量的行波特點(diǎn)簡(jiǎn)單歸納如下：①雙回線(xiàn)背側(cè)的反射波被消除；②本側(cè)和對(duì)側(cè)的母線(xiàn)反射最強(qiáng)烈；③故障點(diǎn)的反射較弱。所以可以通過(guò)本側(cè)母線(xiàn)和對(duì)側(cè)母線(xiàn)強(qiáng)烈的周期反射波來(lái)實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。
??? 在利用雙回線(xiàn)的環(huán)流量行波進(jìn)行單端測(cè)距時(shí)，其原理和單回線(xiàn)的雙端行波測(cè)距類(lèi)似：要利用故障點(diǎn)行波在本側(cè)母線(xiàn)的第一個(gè)反射波，和故障點(diǎn)行波在對(duì)側(cè)母線(xiàn)的第一個(gè)反射波。在圖6和圖8中，如果令環(huán)流量行波的第一個(gè)上跳時(shí)刻(時(shí)刻①)為t_u,第一個(gè)下跳時(shí)刻(時(shí)刻⑤)為t_d，行波的傳輸速度為v，故障點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)的距離為x，雙回線(xiàn)路線(xiàn)長(zhǎng)為l，則有測(cè)距方程：x=l-0.5v(t_d-t_u)。

3? 結(jié)論
??? 同桿雙回線(xiàn)環(huán)流量的行波具有不受雙回線(xiàn)以外系統(tǒng)參數(shù)影響的特點(diǎn)，在本側(cè)和對(duì)側(cè)的行波都具有全反射的特征。故此，利用雙回線(xiàn)環(huán)流量進(jìn)行單端行波測(cè)距，在測(cè)距特點(diǎn)上相當(dāng)于雙端行波測(cè)距，且無(wú)需同步裝置和通道輔助，故具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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