配电线路行波故障测距初探李春

配电线路行波故障测距初探李春

李春

(内蒙古电力集团包头供电局九原供电分局内蒙包头014060)

摘要：我国中压配电网多采用中性点非有效接地运行方式，线路结构复杂，多存在架空线、电缆混合线路。线路发生单相接地故障时，由于故障电流微弱，电弧不稳定等原因，使得定位其故障点成为难题；线路发生相间短路故障时，则会造成停电事故。因此，线路故障的快速准确定位对于提高供电可靠性、减少停电损失有重要意义。

关键词：配电线路；行波故障测距；

利用各种数学算法进行寻址，从而找到故障位置。而对于发生最为频繁的单相接地故障却一直没有较好的解决方式。由于配网终端负荷的影响，使应用于输电网络故障定位的阻抗法不再适用。而另一故障定位的经典理论体系行波法得到关注。行波法是基于故障距离与行波从故障点传输到检测点的时间成正比的原理。

一、行波测距的基本原理

输电线路发生故障后，会在故障点处产生电压或电流的瞬间突变，形成电压或电流暂态分量，并以接近光速向线路两侧传播，称为暂态行波。暂态行波在传播过程中遇到不均匀介质时会发生折射和反射，由于暂态行波具有突变性、奇异性且波速稳定，因此检测其在母线与故障点之间的传播时间可以测量故障距离。

目前，行波测距的基本原理可分为A、B、C、D、E、F型6种：A型是根据故障产生的初始行波到达母线以及从母线反射到达故障点后再反射到达母线的时间差来测距；B、C型需要使用脉冲或信号发生器，在故障后施加特定的信号，运用雷达原理测距，其中B型是双端法，C型是单端法；D型根据故障初始行波到达两侧母线的时间差来计算故障距离；E、F型根据故障线路合、分闸产生的暂态行波在母线和故障点之间的传播时间来测距。B型和C型方法投资较大，B型需要单独的通信信道，C型中注入的高频脉冲信号的检测会受到本身故障行波的影响，因此仅在早期得到过应用。E、F型原理易受保护动作的影响，并且对于瞬时性故障，线路分闸、合闸时故障可能已经消除从而无法正确测距。近年来，行波测距的研究主要集中在A型和D型上，并已在我国高压和超高压线路上得到了广泛应用。

二、配电线路行波故障测距

1.行波信号的提取。暂态行波所覆盖的频带很宽，信号的提取可由电压或电流互感器完成。高压输电线路普遍采用的电容分压式电压互感器CVT（，截止频率低，传变高频电压信号会带来衰减和相移，因此很少使用。常规的电流互感器可以传变100kHz以上的电流暂态分量，能够满足行波测距的要求，在实际应用中常用电流互感器提取行波信号。同时，对于新建变电站使用的电子式电流互感器ECT，提出了相应的行波信号提取方法。既然行波在传输过程中只有遇到阻抗不连续点才会发生反射和折射，那么录波波形中最有特点的波形部分一定是阻抗不连续点。因此，提出特征波的概念。特征波指线路最末端点返回前的所有线路中的阻抗不连续特殊点返回的波形，这些特殊点包括线路始端、分支节点、各分支末端及故障点。在分支不多，且分支间隔较远的情况下，所有特征点对应的特征波都能在录波中表现为明显波包。从波形上看，每个特征对应一个波峰或波谷。当传播前方波阻抗大于传播后方波阻抗时，返回正向特征波，即产生一个波峰，反之返回负向特征波，即产生一个波谷。同时，这些特征波也反映了线路中存在阻抗不连续点的位置，从而可以由其确定出线路拓扑结构。

2.行波信号的采集与时间同步。行波传播波速接近光速，1μs的采样误差将带来约±150m的测距误差。因此对行波信号的采样频率要求在1MHz及以上，使用双端原理时，线路两侧必须配置高精度和高稳定度的实时时钟。随着微电子技术的高速发展，实现高速数据采集和处理己非难事，现有的A/D转换芯片转换频率完全可以满足，并且GPS接收模块的电力系统同步时钟装置可以实现1μs时间同步以满足测距要求，为实现准确的TWFL奠定了所需的硬件基础。在实际应用中，由于GPS接收模块存在输出信号不稳定、卫星失锁、时钟跳变、信号干扰等原因导致的同步时钟信号失步的问题，因此必须附加高稳定度守时钟，并且需要消除偏差超过某一限定范围的时间同步信号，从而提高双端原理的测距精度。

行波信号到达时间的标定和波速的确定是行波法最关键的技术，时间与波速相互对应，必须同时讨论才有意义。判定检测到的行波波头频率，然后根据线路参数的频率特性计算出行波在该频率下的传播速度，以此用于测距是最为准确的。求取暂态行波信号的一阶或二阶导数，并与设定的门槛值进行比较来判断行波信号是否到达，此方法对噪声比较敏感，当故障距离较短，行波中高频分量明显时，其效果较好。相关法和匹配滤波器法是以首次到达母线的行波信号为参考，利用从故障点反射回母线的行波信号与参考信号的反极性相似性，根据互相关函数的最大值判定反射波达到时间，进而求出故障位置的方法，但其测距结果受母线端所连接的输电线数目等因素影响，行波在传播过程中的波形畸变会降低算法的可靠性。主频率法是一种频域分析方法，该方法从较长的时间段来考察行波频率范围，由行波中频谱最强的分量决定行波到达时间，然后求解故障距离，其缺点是所求行波主频往往较低，定位精度会受到影响。利用小波变换在时频域内都具有局部化特性，对信号进行局部化分析，可有效提取故障行波特征，得到信号中的奇异点，小波分量的模极大值出现时间即为电流行波脉冲的到达时刻，并且通过得到信号被分析频带的中心频率和模极大值对应时间能同时解决行波到达时间和传播速度的选取问题，在实际设备中也有广泛的应用。

3.基于时间中点的故障搜索算法。行波的运动速度与线路的介质有关，其在电气参数单一线路中运动的波速度基本是恒定的。对于一段架空线、电缆混合线路，只要知道线路具体结构，以及行波在架空线、电缆中运动的波速度，就可以计算出行波在此段混合线路中的运动时间；同样道理，已知一段架空线、电缆混合线路的具体结构，且知道行波从线路一端运动到线路中某点所需的时间，就可以确定出位置。基于上述原理，提出基于时间中点的故障搜索新算法，解决波速度不连续问题。首先定义架空线、电缆混合线路的时间中点，所谓时间中点即行波信号从该点出发，运动到线路两端的时间相等，而线路的距离中点为距线路两端长度相等的点。对于电气参数单一的输电线路，线路结构对称，行波信号从距离中点运动到线路两端所需时间相等，即时间中点与距离中点重合。而对于配电混合线路，架空线、电缆分布复杂，线路结构不对称，行波从线路距离中点运动到两端的时间不相同，即时间中点和距离中点不重合。从而得到故障线路末端检测波随线路结构变化的规律：故障线路末端没有其它出线时，几乎检测不到电流波，而检测到的电压波接近入射波的两倍.故障线路末端出线数较少时，可以同时检测到电流波和电压波，其幅值都相对较小。故障线路末端出线数较多时，检测到的电流波幅值较大，电压波幅值较小。

将行波测距法应用于中性点非有效接地系统故障测距，可以克服传统方法的诸多不足，具有重要的研究价值。行波在配电线路中传播过程复杂，应该利用双端测距法实现故障测距。

参考文献：

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