基于行波理论的输电线路故障诊断方法研究

基于行波理论的输电线路故障诊断方法研究

黄锶豪

广东电网有限责任公司汕尾供电局广东汕尾516600

摘要：传统的故障定位方法因缺少有效的故障点测距过程，导致其测距误差、故障定位耗时以及故障定位复杂度增加。在输电线路运维过程中，为了避免因出现线路故障而引起电力事故，基于行波理论设计了一种输电线路故障点检测与定位方法。运行中的输电线路发生故障时，会在故障点产生向两侧传播的电流行波和电压行波。电流行波和电压行波又统称为故障行波，故障行波会在阻抗不连续点发生折射和反射，由此可以通过采集并分析故障行波得到线路故障信息。利用相模变换对三相电流行波进行解耦，通过解耦后得到的独立模量之间的关系可以确定故障类型和故障相，再利用小波变换模极大值的方法标定行波波头，通过波头信息可以得到故障点距离。能准确地确定故障类型和故障相，对故障点距离的定位也能达到很高的精度。

关键词：行波理论；输电线路；故障诊断方法

引言

由于输电线路距离远，输电线路裸露在复杂环境中等厅因，增加了输电线路发生短路故障的概率。一旦发生短路故障可能会造成电力网络解列或者大面积停电，将严重危害电网安全和经济生产生活。输电线路实际应用更多的是行波法，它是利用故障点产生的暂态行波分析得到故障相关信息，从原理上讲，其测量精度与线路长度、结构、过度电阻无关，能达到高精度故障诊断。本文通过分析故障行波及其在输电线路上的传播特性，利用MATLAB建立仿真模型，对基于行波理论的故障诊断方法进行深入研究。

1行波测距法

1.1行波理论

输电线路发生故障后，会在故障点产生电压和电流的瞬间突变，形成电压和电流暂态分量，并且以接近光速向输电线路的两侧传播，这种暂态分量就称为暂态行波。以单根导线为例建立等效电路的数学模型，将电压源接通到输电线路上，以线路微元的角度分析电路，靠近电压源的线路分步电容立即充电，并且经过线路分布电感向相邻的分布电容充电。线路上远处的电容要经过一段时间才充上一定量的电荷，并且向更远的电容放电。电容依次充电，线路沿线就逐渐建立电场并形成电压，即存在电压行波以一定的速度沿线路方向传播。在线路电容的充放电过程中，随着电流流过电感，在导线周围空间建立起磁场，因此也有电流行波以同样的速度沿导线方向传播。

2行波测距法受限因素及克服方法

2.1行波波头识别

对于输电线路，若行波传播距离过长，受行波色散影响，故障初始行波波头在传播过程中高频分量的幅值逐渐减小，发生畸变。在高过渡电阻情况下，高频分量由于幅值较小而难以被测距终端捕获。受输电线路两端边界效应影响，故障初始行波在对端母线的反射波发生衰减和畸变。针对行波波头识别这一问题，科研工作者和工程技术人员做了大量研究和探索，目前常用的故障行波波头的识别方法主要有小波变换法、数学形态法、希尔伯特-黄变换法、红绿色彩模式检测法和快速独立分量分析法等。

2.2波速影响处理

为解决由趋肤效应和线路频变特性引发的波速误差问题，在分析了故障行波初始波头波速度与故障距离关系的基础上，提出一种考虑波速变化特性的新型测距方法，利用波速度与故障距离的函数对应关系，有效降低波速度随故障距离变化导致的定位误差。通过分析发现线路参数的频变特性和行波波头的衰减造成行波波速与故障距离呈非线性关系，利用神经网络的非线性拟合特性，减小了行波波速变化导致的测距误差。尽管行波测距法技术积累较为成熟，但是在实际应用中，现有基于故障行波的测距方式受过渡电阻的影响较大，存在波头检测失败的风险，且若装置出现故障，无法在故障发生后进行二次故障定位。

2.3多测点行波测距法

多测点行波测距法满足双端行波测距法的实施，但对于长距离输电线路，仅采用站-端获取的行波信息进行故障测距结果存在较大误差，解决该问题的直接方法便是在线路上安装多个行波测距装置，减少故障行波到行波测距装置的传播距离，即多测点行波测距法。多测点行波测距法将输电线路分为多个测距区段，故障点近端的多个行波测距装置的数据可以对故障点进行精确定位。多测点行波测距法可以避免在长距离输电线路上因波速度变化和故障行波传播损耗带来的测距误差，仅需在线路上安装多个行波测距装置即可实现。多测点行波测距法的测距原理仍基于双端测距方法，较为简单，可靠性较高，且适用于多端交流输电线路。因此，多测点式行波测距法具有很好的应用前景。

2.4主动式行波测距法

主动式行波测距法最先用于对接地极引线故障测距，待故障暂态过程结束后，通过中性母线处向线路注入脉冲信号，检测信号时域反射来定位故障。相比于被动式行波测距法，脉冲注入法需要额外的脉冲产生装置，且对注入脉冲信号要求较高。随着电压源换流器技术的发展和模块化多电平换流器的应用，利用换流器等电力电子设备实现对故障线路的测距信号注入成为可能。因此，主动式行波测距法不受过渡阻抗的影响，只需检测注入信号与故障点的反射波即可实现故障测距，理论上准确度较高。行波测距法整体上具有较高的测距精度，因此得到了较为广泛的应用和研究，但是受线路类型、故障类型、接地电阻和线路系统参数等因素的影响，其对采样率要求较高，且受行波特性的限制，存在检测失败的风险。因此，这种方法还需要辅助手段进行故障定位以提高可靠性。

3基于行波理论的输电线路故障诊断方法

3.1故障类型及故障相判定

由于采集到的行波信号是故障前正常行波与故障附加行波的叠加，因此将采集到的行波信号减去线路正常运行时的行波信号，就可以得到故障附加行波信号，再对所得到的故障附加行波信号进行相模变换，可得到故障附加行波的模值。

3.2故障类型和故障相仿真分析

MATLAB软件是一个功能强大的科学计算软件，不但具有强大的数值计算功能，而且还提供许多扩展功能模块。MATLAB还具有良好的图形绘制功能，使得到的仿真结果易于分析和理解。

3.3故障距离仿真分析

由于故障电流波形波头并不明显，因此利用故障相的故障电压的波头信息确定故障距离。分析故障行波能准确地得到故障类型和故障相，然后通过故障相行波波头到达的时间可以算出故障距离。其中单端行波测距法的误差较大，而双端行波测距法的精度较高。故障测距精度基本不受故障类型影响，参考其他文献的研究，过度电阻和线路长度等因素对行波测距精度的影响很小。

结束语

基于行波法的输电线路故障诊断相关方法和原理，并使用MATLAB进行仿真分析，结果显示行波法故障诊断能准确识别出故障类型和故障相。对于故障点位置的确定，无论是单端行波测距法还是双端行波测距法都表现出很高的定位精度。

参考文献

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