基于磁场检测的架空输电线路测距及故障诊断方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于磁场检测的架空输电线路测距及故障诊断方法，该方法包括：获得第n项输电线路上的电流元dl及其镜像dl’在空间某点产生的磁场：计算输电线的悬链方程；将步骤得到的磁场代入到输电线路的悬链方程中，并采用叠加原理可以计算N相导线、每相取(2K+1)个档距长度在空间点P所产生的磁场强度；测量电流大小In和磁场强度Bn大小，计算出距离h。此外，若某一瞬间，某个三维磁场强度测量装置测出的磁场方向发生突变，则说明该磁场强度测量装置所在的输电线路发生了短路故障。本发明能够同时实现对架空输电线中的短路故障进行判断，以及对故障点的测距，判断效果好，测量距离准确。
【专利说明】
基于磁场检测的架空输电线路测距及故障诊断方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力网中架空输电线路故障检测方法，具体地指一种基于磁场检测的架空输电线路测距及故障诊断方法。
【背景技术】
[0002]架空输电线路作为电力网的重要组成部分，是连接送端电源与受端负载间的纽带，架空输电线路的状态直接关系到整个电网系统是否能够安全稳定的运行。长期露置在复杂的自然环境中，容易受到外力的破坏、化学气体的腐蚀以及大风、冰雪、雷击等恶劣气候的侵袭，从而导致短路事故。由于我国有些地区地势复杂，导致检修人员巡线工作十分困难，一旦架空输电线路发生短路故障，故障点查找工作难度大，若采取人工巡线查找则效率低，使得抢修工作进展缓慢。
[0003]目前，现有的故障定位方法主要有行波法和阻抗法，其中，行波法由于需要在高压线路端直接安装检测装置，使得基于行波法的定位系统结构复杂、实现成本较高，而阻抗法对测量数据的质量要求高且易受故障阻抗、接地阻抗、线路参数的影响，在故障定位中会产生较大的误差。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种基于磁场检测的架空输电线路测距及故障诊断方法，该方法简单、能够快速测量出输电线路距离磁场测量装置的距离，以及快速准确判断磁场强度测量装置所在的输电线路是否发生了短路故障。
[0005]实现本发明目的采用的技术方案是:一种基于磁场检测的架空输电线路测距及故障诊断方法，其特征在于:
[0006](I)根据下式获得第η项输电线路上位于(xn，yn, zn)的电流元dl及其镜像dl’在空间P(x, y, z)点产生的磁场:
? μ,, f I dl X r
[0007]Bn = —J / —~
4苁 Jrn
[0008]上式中，μ ^为真空磁导率；Ιη为第η相输电线电流相量；rn为源点到观测点的距离，In为导线长度；
[0009](2)根据下式得到输电线的悬链方程为:
乙「 a(x + kL)..α.、~| ττ
ζ = — cos(/1---cos(/z.—) + H
[0010]a L L2 -
-L/25:(x+kL)5:L/2
[0011]其中a为水平张力系数，L为档距，H为输电线路悬挂点对地高度，k为任意整数；
[0012]将步骤(I)中得到的磁场代入到步骤(2)的输电线路的悬链方程中，并采用叠加原理可以计算N相导线、每相取(2K+1)个档距长度在空间点P所产生的磁场强度；
[0013](3)测量电流大小和磁场强度大小，计算出距离h。
[0014]进一步地，所述基于磁场检测的架空输电线路测距及故障诊断方法还包括:通过装设在输电线路杆塔上的三维磁场强度测量装置测量磁场方向，若某一瞬间，某个三维磁场强度测量装置测出的磁场方向发生突变，则说明该磁场强度测量装置所在的输电线路发生了短路故障。
[0015]本发明能够同时实现对架空输电线中的短路故障进行判断，以及对故障点的测距，判断效果好，测量距离准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明方法采用基于磁场检测的架空输电线路测距及故障诊断装置安装在架空输电线铁塔上的结构示意图。
[0017]图2为本发明方法采用的基于磁场检测的架空输电线路测距及故障诊断装置的结构框图。
[0018]图3为架空输电线路的结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0020]如图1所示，本发明基于磁场检测的架空输电线路测距及故障诊断装置中包括三维磁场测量装置I和工作端2。如图2所示，三维磁场测量装置I安装在架空输电线的铁塔上；工作端2可以设置在工作人员的工作位置。
[0021]三维磁场测量装置I包括三维磁场传感器探头、信号调理电路、A/D转换模块、单片机和FPRA逻辑处理器，单片机连接有USB接口，通过该USB接口将处理后的数据传输到射频发射端。
[0022]工作端2设有显示装置，显示装置包括显示器以及与显示器连接的射频接收端，射频接收端接收射频发射端通过射频发射的数据。
[0023]架空输电线由于导线强度等方面的原因并不是一条水平直线而具有一定的弧垂，因而导线每一段的离地高度都不相同。当输电线悬挂两端点等高(离地高度均为H)时，架空导线的最大弧垂出现在档距中央。设输电线路纵向为X轴方向，横向为y轴方向，合理地建立三维空间坐标系，则最大弧垂处坐标为(00h。)，具体情况如图3所示，推导出输电线的悬链方程为:
乙「 ，， a{x f kL) αλ? ττ
ζ = — cos(h---cos(/2.—) + H
[0024]a LL2 -
-L/25；(x+kL)S；L/2
[0025]其中a为水平张力系数，L为档距，H为输电线路悬挂点对地高度，k为任意整数，h为输电线上的某点到地面的距离，上式中只有h为未知量。由毕奥一萨伐尔定律可知，第η项输电线路上位于(xn, yn, zn)电流元dl及其镜像dl’在空间P(x, y, ζ)点产生的磁场为
[0026]B11-^
4πJ r:
[0027]上式中，μ ^为真空磁导率；Ιη为第η相输电线电流相量；rn为源点到观测点的距离，In为导线长度；
[0028]将上式代入到输电线路的悬链方程中，即将输电导线分成m段，每一段的具体位通过ζ计算得出，该段中的每一点的磁场强度由Bn得出，通过Bn计算出的每一点磁场积分可以得出空间某一点在导线作用下的磁场强度，并采用叠加原理可以计算N相导线、每相取(2K+1)个档距长度在空间点P所产生的磁场强度。这样，即建立了一个架空输电线路的三维磁场等效模型。而模型中的电流大小和磁场强度大小是可以通过装置测量出来的，故电流磁场都是已知量，即可反推出距离h。
[0029]在架空输电线的铁塔中安装的三维磁场强度测量装置I即可测量出该点的磁场强度，将磁场强度值作为已知量代入到上面的架空输电线路的三维磁场等效模型中后，即可反算出其中唯一的未知量h，即测量出了输电线路距离三维磁场强度测量装置I的距离。三维磁场强度测量装置I测量磁场强度的过程如下:三维磁场传感器探头采集磁场数据后传输至信号调理电路，信号调理电路将磁场数据转换为模拟信号后传输至A/D转换模块，A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号，单片机用于控制所述A/D转换模块的开启并以DMA方式将三维磁场传感器探头测量的数据存储到信号调理电路中。
[0030]此外，在每个输电线路的铁搭上装设三维磁场测量装置I还可以判断出发生输电线路发生短路故障时，故障发生在哪一段架空输电线路上。因为当输电线路发生短路故障后，故障点前端线路中的电流方向不变，但故障点后端的电流方向将转为反向。根据电磁场的基本理论，磁场的方向会随着电流方向的改变而改变，因此通过装设在输电线路杆塔上的三维磁场强度测量装置测量磁场方向，若某一瞬间，某个三维磁场强度测量装置测出的磁场方向发生突变，则说明该磁场强度测量装置所在的输电线路发生了短路故障。
[0031]为了能够将三维磁场强度测量装置I上收集到的信息传送至工作人员处，射频发射端通过射频通信技术将信息传送出去，设于工作端2的射频接收端接收相关信息后通过显示器进行显示，以便工作人员能够及时了解测量的信息。
【权利要求】
1.一种基于磁场检测的架空输电线路测距及故障诊断方法，其特征在于: (1)根据下式获得第η项输电线路上位于(xn，yn，zn)的电流元dl及其镜像dl’在空间P(x, y, z)点产生的磁场:
ο _ /A, f I1M1 χ η: 上式中，μ ^为真空磁导率；Ιη为第η相输电线电流相量；rn为源点到观测点的距离，In为导线长度； (2)根据下式得到输电线的悬链方程为:
/_.「 ‘' a(x + kV)α I ττ ζ = — cos(η---cos(/2.—) + H a |_L2
-L/2^(x+kL)^L/2 其中a为水平张力系数，L为档距，H为输电线路悬挂点对地高度，k为任意整数； 将步骤(I)中得到的磁场代入到步骤(2)的输电线路的悬链方程中，并叠加计算N相导线、每相取(2K+1)个档距长度在空间点P所产生的磁场强度； (3)测量电流大小和磁场强度大小，计算出距离h。
2.根据权利要求1所述基于磁场检测的架空输电线路测距及故障诊断方法，其特征在于:通过装设在输电线路杆塔上的三维磁场强度测量装置测量磁场方向，若某一瞬间，某个三维磁场强度测量装置测出的磁场方向发生突变，则说明该磁场强度测量装置所在的输电线路发生了短路故障。
【文档编号】G01R31/08GK104267309SQ201410441433
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】张志坚, 陆新秋, 苏晓, 沈震宇, 刘洪祥, 华陈君, 陈峻宇, 钱磊, 汤晋伟, 胡建勋, 叶征, 刘晓伟, 方琪, 张秋实 申请人:国家电网公司, 江苏省电力公司, 江苏省电力公司无锡供电公司, 武汉科迪奥电力科技有限公司