利用暂态电流行波的输电线路故障测距研究

利用暂态电流行波的输电线路故障测距研究

胡明坤

国网山西省电力公司忻州市忻府区供电公司 山西忻州 034000

摘要：高压输电线路发生故障后的暂态电流行波中包含故障距离信息,它可用于实现精确故障测距。基于暂态电流行波的故障测距方法可分为双端量行波测距和单端量行波测距两种。本文详细分析了故障行波的形成和传播过程,并对行波法在电力故障测距中的应用进行了研究。

关键词：行波；输电线路；故障测距

1行波法

在行波传输理论的基础上，我们研究出另外一种测距方法-行波法，如果输电线路的某一部位出现了故障，沿着线路就会传输故障行波，除了故障点之外，在其他阻抗不连续点也会出现折射或者反射问题，那么通过计算故障行波的传输时间，就可以将故障距离计算出来。

2行波的获取

暂态行波有着较宽的覆盖频带，为了保证能够在二次侧对线路上的暂态行波进行观察，就对电压和电流信号变换回路的响应速度提出了很高的要求。如行波传输速度和光速相等，那么为了保证测距分辨率不超过500m，就需要严格控制电压和电路暂态信号变换回路输出信号的上升时间，控制相应变换回路额截止频率。如今，电容式电压互感器被广泛应用到超高压线路上，但是电容式电压互感器没有较好的行波传变特性，在较大程度上限制了电压行波法的应用。而常规的电流互感器，则可以对100kHz以上的暂态电流信号进行传变，因此与行波测距的要求较为符合。有文献对行波测距的失效点问题进行了研究，如果有两相短路故障发生于电压过零点附近或者两相电压相等处，故障就会产生很弱的行波，并且在很大的工频量信号上叠加，再加上其他因素的干扰作用，检测难度较大，那么行波测距算法就失去了效果。

3行波波头的识别

可以采用硬件或者软件等方法来识别行波波头，导数法、相关法和匹配滤波器法等都是传统检测波头的方法，在使用这些算法时，很多因素都会产生限制作用，特别是不容易检测和识别单端行波法故障点反射波，那么故障测距精度就受到了较大程度的影响。因为有大量噪声信号存在于采集到的行波信号中，那么就无法准确捕捉行波波头。有专家提出了一种方法，结合非线性阙值法去噪，应用模极大值线的方法，来对含噪声行波信号的奇异点进行检测，通过实践研究表明，相较于传统的单尺度寻找奇异点方法，这种方法的准确程度更高。

4行波的传播及波速的确定

在实际输电线路中，很多因素都会影响到行波的传播，在三相输电线路上传播行波，可以将其分为线模分量和零模分量，有文献研究了大地电阻率、分段地线、分裂导线和过渡电阻等对地模和线模行波传播的影响，得出这样的一个结论，因为有诸多因素都会影响到行波地模，而线模受到较小的影响，因此，在故障定位用行就选作线模。

有文献对行波传输的色散特性进行了研究，地模主要引起了行波色散；在行波传播过程中，因为高频分量有着较快的衰减速度，因此故障距离和故障类型就会直接影响到行波中的有效频率分量范围。在计算波速时，要将故障距离和故障类型等因素给充分纳入考虑范围。

另外，还有诸多方法来确定行波波速，如借助于线路参数对波速进行计算，对线路的行波波速进行实测，还有借助于外部故障在线调整波速的方法，这样，测速的精度得到了显著提升。

5行波法在故障测距的应用

根据测量相关量的来源可分为单端法和双端法。当电力线路发生故障时，通过利用行波在故障点和单侧测量点之间传播的时间计算故障距离，该种方法称为单端法。与单端法不同，双端法是在线路两端均设置检测装置，线路故障点产生的故障行波分别向两个方向传播，通过记录到达两端测量点的时间差来计算故障距离。双端法必须在电力线路两端装设同步时钟系统，且全线的长度也应该是已知的。从检测到的故障行波中提取行波的波头，确定初始波和反射波的位置，结合已知信息，便可得出线路故障点的具体位置。行波故障测距的方法主要包括A型、B型、C型、D型、E型和F型。其中，A型法和C型法为单端法，B型法和D型法为双端法，E型法和F型法是通过断路器分合闸实现的。

A型法的原理如图1所示。

图1A型法示意图

AB为母线，F点为故障点，测距装置位于A点处，当电力线路发生故障时，产生的行波在故障点F与母线两端之间来回反射。测距装置接入电流传感器二次侧的暂态信号，并用高通滤波器滤出行波波头，形成如图三所示的电流行波波形。由于母线端点处的阻抗高于线路上的阻抗，电流行波在母线端点处与故障点处都产生正反射，因此反射波与初始行波同极性。故障初始行波与故障点反射波之间的时间差，即为行波在A点与F点之间往返一趟所用的时间，通过 可以计算故障距离。该方法简单，成本低，但是容易受到波阻抗不连续点的影响，也容易受到到达R端后反射回来的反射波的影响。

B型法属于双端法，总线路的长度是已知的，如图2所示。

图2B型法示意图

在母线的两端都装有一个检测装置，当故障发生时，故障行波从F点分别向A和B两点传播，当故障行波到达A和B点时，分别记录下时刻，计算两者的时间差，由方程组

可以计算故障点到两端的距离，从而确定故障点的位置。B型法不受来自系统中波阻抗不连续点的影响，但必须要在线检测。

C型法同A型法一样，均属于单端检测法，区别在于，在线路故障后，将一高频脉冲注入到故障线路装有测量装置的一端，高频脉冲随即会在测量点与故障点之间来回反射，然后记录该信号在两者之间往返一次所用的时间。这种方法可以离线测量，但是需要符合要求的高压脉冲发生器。

D型法与B型法类似，均属于双端检测法，区别在于，D型法通过GPS实现时钟同步，计算故障行波到达母线两端的精确时间差。该方法可靠性高，不会受到来自系统中波阻抗不连续点的影响,但是需要建立时钟同步机制与交换两端故障信息的通道，其成本较高。

E型法是在线路故障时，利用断路器重合闸产生的暂态行波在故障点与测量点之间往返一次所用的时间计算故障距离。F型法利用断路器分闸产生的暂态行波在故障点与测量点之间往返一次所用的时间计算故障距离。

6结束语

目前，国内的220kV线路长度通常不会超过150km，尤其是近些年来对线路架构与布局进行了一定优化，大量的220kV线路仅有数十公里，在目前已经提出的一些行波故障测距系统中，一般会将多种行波故障测距方法相结合，互相弥补不足。

参考文献：

[1]陈平，徐丙垠，李京，等．现代行波故障测距装置及其运行经验[J]．电力系统自动化，2003，27(6)：66-69．

[2]谢民．220kV电网行波测距系统组网运行实践探讨[J]．电力自动化设备，2010，30(5)：135-138，141．