现代行波测距技术及其应用

现代行波测距技术及其应用
徐丙垠1,李　京1,陈　平1,陈　羽1,董新洲2,葛耀中3,P .F .Gale 4
(11科汇电气有限公司,山东淄博255031;21清华大学电机系,北京100084)(31西安交通大学电力系,西安710049;41H athaw ay 仪器公司,英国)
摘要:介绍了利用电压、电流行波进行线路故障测距的方法。

单端法是测量故障产生的行波在故障点及母线之间往返一趟的时间来计算故障距离,双端法利用故障行波到达线路两端的时间差测距。

阐述了故障行波信号的测量、超高速记录、行波脉冲的小波检测以及双端装置时间精确同步等关键技术问题的解决方案以及行波测距技术实际应用中的若干问题。

关键词:故障测距;行波;输电线路中图分类号:TM 711;TM 773
收稿日期:2001205231。

0　引言
电力系统大多采用阻抗法测量输电线路故障距离。

其测距精度受故障电阻、互感器误差、线路结构不对称、零序参数沿线路分布不均匀等因素影响,实际应用效果不理想,而且还存在着不适用于直流输电、带串补电容、T 接及部分同杆并架的线路的缺点。

早在20世纪50年代,人们就提出通过测量电压、电流行波在故障点及母线之间的传播时间来测量输电线路故障距离。

但受当时技术条件限制,早期研制的行波测距装置结构复杂、可靠性差、投资大,没有获得大面积的推广应用[1]。

经过近10年的研究,作者开发出了新型行波测距系统,已有数百套在国内外电力系统中投入使用,实际故障测距误差一般在500m 以内。

1　单端A 型测距方法
[2]
111　基本工作原理
在输电线路发生故障时,故障产生的电压、电流
行波(下文以电流行波为例)在故障点及母线之间来回反射。

装设于母线处的测距装置接入来自电流互感器二次侧的暂态行波信号,使用高通滤波器滤出行波波头脉冲,形成如图1所示的电流行波波形。

由于母线阻抗一般低于线路波阻抗,电流行波在母线与故障点都是产生正反射,故障点反射波与故障初始行波同极性。

母线处感受到的故障初始行波脉冲与由故障点反射回来的行波脉冲之间的时间差∃t 对应行波在母线与故障点之间往返一趟的时间,可以用来计算故障距离。

图1　单端A 型测距原理示意图F ig .1　Type A fault location pr i nc iple
设线路长度为L ,波速度为v ,故障初始行波与由故障点反射波到达母线的时间分别为T S 1,T S 2,则故障距离X S 为:
X S =12v ∃t =1
2
v (T S 2-T S 1)
(1)112　故障点存在透射时的情况
在相间故障存在较大的过渡电阻及单相接地故障时,线路对端反射波会在故障点通过过渡电阻或健全相导线透射到本侧线路上来。

当故障点在线路中点以内时,来自故障线路方向的第2个同极性行波波头是故障点反射波,根据它与故障初始行波的时间差,利用式(1)来实现测距。

当故障点在线路中点以外时,来自线路方向的第2个行波波头是来自故障线路对端的反射波。

向对端运动的故障初始行波与向本侧运动的初始行波极性相反,由于电流行波在对端一般产生正反射,故障点透射系数为正数,故在本端观察到的对端反射波与故障初始行波极性相反,如图2所示。

线路对端反射波与故障初始行波的时间差∃t ′对应行波在故障点与对端母线间往返一趟的时间,因此,计算出故障点距对端的距离为:
X R =12v ∃t ′=1
2
v (T S 2-T S 1)
(2)262001年12月10日
D ec .10,2001
图2　故障点在线路中点以外且存在透射时
的测距原理示意图
F ig .2　Travelli ng waves for a fault before li ne m iddle
po i n t con sider i ng fault refraction
113　同母线上其他线路的影响
以上介绍中没有考虑同母线上其他线路的影响。

实际上,故障电流行波会透射到同母线上其他健康线路上去,这些透射波会在其线路的远端反射回来,再透射到故障线路,使观察到的行波波形比较复杂,给识别故障点反射波或对侧母线反射波带来了困难。

不过在实际应用中,当母线上运行的线路较多时(如4条线路时),故障线路电流在其他健康线路上的透射电流较小,可以不考虑其影响。

2　双端D 型测距方法
设故障初始行波波头到达两侧母线的时间分别
为T S 和T R ,如图3所示。

安装于线路两端的测距装置记录下故障行波波头到达两侧母线的时间,则故障距离可由下式计算:
X S
=
(T S -T R )v +L
2
X R =
(T R -T S )v +L
2
(3)
图3　双端D 型测距原理示意图F ig .3　Type D fault location pr i
nc iple
3　其他情况下的测距方法
线路故障切除后开关重合闸,向线路注入了一个合闸电流脉冲,如果线路存在金属性永久短路故障,则合闸脉冲会在故障点被反射回来,如图4所示。

检测合闸脉冲与反射脉冲的时间差可以测量故障距离,测距公式同式(1)。

实际的输电线路三相间存在着电磁耦合。

在发生不对称故障时会产生在线路的相与相之间运动的线模分量以及在线路与大地之间运动的地模分量。

图4　重合到金属性故障时的电流行波波形F ig .4　Type E fault location pr i nc iple
地模分量的传播速度较慢而衰减更大,这样造成了不对称故障的行波波形分析起来更复杂。

实际应用中,可假定地模与线模分量具有相同的传播特性,这样不会对测距结果造成影响。

4　关键技术问题的解决
411　利用普通的电流互感器测量电流行波
长期以来,人们认为普通的测量工频信号的电压互感器(TV )、电流互感器(TA )很难传变暂态高
频行波信号,因此,早期的行波测距装置设计专用耦合设备测量电压行波信号,这样需要改造高压回路,投资大、复杂,不易于推广。

近年来研制出的光纤TV 和光纤TA 能够传变高频行波信号,但离实用化还有一定的距离。

通过对TV ,TA 传变特性进行的大量仿真分析研究表明,电容式TV 不能有效地传变行波信号,而TA 可以很好地传变电流行波信号,能够满足故障测距的要求[3]。

TA 行波传变特性试验结果也说明TA 具有良好的高频电流信号传变能力,响应速度小于1Λs ,对应的行波在线路上往返一趟的距离是150m ,其分辨率完全可以满足行波测距的要求。

利用普通的TA 测量行波信号,行波测距装置可像普通的继电保护装置那样,直接接入二次回路,不需要装设任何附加设备,具有简单、经济、可靠等优点,有利于行波测距技术的推广应用。

现代电力系统母线一般接有多条线路并有较大的分布电容,母线行波阻抗较低且呈容性,电流行波波头却有较大的幅值且上升速度很快,因此,利用故障电流行波比利用电压行波检测灵敏度高。

有些情况下,母线上除了变压器外没有其他线路投入运行。

在故障行波到达母线后,线路上只能测量到由母线分布电容产生的持续时间较短、幅值较小的电流脉冲信号,影响电流行波测距方法的应用效果。

一种比较好的解决方案是加装一个小型TA ,测量流过电容式TV 中电容分压器的脉冲电流,间接测量线路上的故障行波。

直流输电系统使用的TV 和TA ,由于高频传
3
6・综述・　徐丙垠等　现代行波测距技术及其应用
变特性较差,且测量点在平波设备后边,它们的输出不满足行波测距的要求。

解决方案也是要加装一个小型TA,测量流过线路入口处过电压吸收电容的脉冲电流,实现行波测距。

412　超高速数据采集
为了保证行波测距分辨率在500m以上,行波信号采集频率一般不应低于500kH z,使用常规的由微处理器直接控制模数转换器(A D)的方式很难实现。

需要设计由硬件实现高速数据采集电路单元(DAU)记录故障电流行波信号。

线路故障时,DAU 单元在记录下预定时间内的暂态电流行波后,停止数据采集,然后以相对较慢的速度将记录的数据送入由微处理器构成的中心处理单元进一步保存、处理。

413　小波变换技术的应用[4]
常规的行波脉冲检测方法是通过比较电流行波信号是否越过门槛值实现检测,抗干扰能力差,且难以精确地确定电流行波波头前沿到达的时刻。

使用B样条函数的导函数作为小波函数,将行波信号进行二进制小波变换。

因为小波分量的模极大值与信号的尖锐变化点相对应,因此可以将小波分量的模极大值出现时间确定为电流行波脉冲的到达时刻。

而根据不同尺度(频带)下小波变换的模极大值的大小及极性可以进一步识别被检测信号的性质,判断它是来自故障点的有效电流行波脉冲还是其他干扰脉冲等;来自故障点的电流行波脉冲小波分量在一个有效尺度(带宽)范围内都有较大的模极大值,而干扰信号只是在小尺度下(高频段)有较大幅度的模极大值。

414　双端装置的GPS精确时间同步
对于双端测距方法来说,如果要达到不小于500m的测距分辨率,两端装置时间同步精度应达到3Λs。

90年代初,美国全球卫星定位系统(GPS)技术对全球商业化应用开放,GPS信号接收模块的价格降至几百美元。

GPS是一种理想的时间同步技术,利用基于GPS的同步时钟输出,能够实现两端测距装置1Λs精确同步。

415　远程通信
双端D型测距功能的实现需要知道线路两端装置记录到的故障电流行波到达时间,因此,需要解决装置测量数据远传问题。

一般做法是在控制中心配置一台PC机作为工作站,与电网内所有现场行波测距装置构成行波测距系统。

PC机工作站通过调制解调器(M odem)利用电话线路拨号接通现场行波测距装置,读取并长期保存装置记录下的故障电流行波数据,自动或由操作人员在计算机辅助下分析行波数据,确定故障距离。

在条件具备时,也可以利用SCADA或故障录波信息系统上传数据。

5　实际应用中的若干问题
511　测距方法的配合使用
双端(D型)测距法原理简单、测距可靠、精确度高,但需要安装2台现场装置。

单端测距法只需安装1台装置,投资小,但波形分析较复杂,测距成功率低。

在投资允许的情况下,应优先考虑安装双端测距装置。

在安装了双端装置后,装置的单端测距功能并不多余,而且仍有很大的使用价值,一方面可以通过分析单端故障行波波形,来确认、校对双端测距结果,也可以利用开关重合闸产生的行波波形来确定金属性短路、断线故障点的位置。

单端测距方法的发展方向是研制自动以及计算机辅助识别故障行波波形计算故障距离的算法。

512　波速度的选择
输电线路参数随频率变化,行波信号中不同频率成分的运动速度不同,有人曾因此担心难以准确地选择波速度,影响测距精度。

事实上,当信号频率高于1kH z时,在线路上传播速度基本趋于稳定值。

行波测距所利用的信号频率远高于1kH z,完全可以使用高频段信号波速度测距,而不会影响精度。

视线路结构不同,线路高频分量的波速度在295×103km s～299×103km s之间,可以根据线路结构参数计算出,也可以通过实测获得。

513　电压过零故障
长期以来,人们对行波测距或保护装置存在的疑问之一就是在电压相角过零或接近零时发生故障,产生的电压、电流行波比较微弱,会造成保护或测距装置失败。

实际上,绝大部分线路故障是绝缘击穿故障,电压过零或接近零故障的概率相当小。

即便是出现这种情况,故障点也呈永久金属性短路性质,利用重合闸脉冲在故障点的反射仍然可以测出故障距离。

514　双端测距装置的安装
双端测距装置不一定非要安装在一条线路的两端。

如图5所示线路,如果母线M上运行的线路较少(不多于3条),故障线路电流行波对其他线路有较大的透射,能够保证检测灵敏度,可以只在母线S,R处安装测距装置,实现线路SM段及M R段上所有故障的定位。

对于带分支的T接线路来说,如果仅安装2套装置,则另一分支线上任一点故障时,测量结果都好像是故障发生在T接点上。

要在线路的3端都安装测距装置,才能测出线路上任一点故障的位置。

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图5　双端装置监视两段线路示意图F ig .5　A double -end syste m m on itor i ng
two -li ne section s
515　雷电波的影响
雷电波波头在几十Λs 到数百Λs 之间,雷击在线路上产生电流行波,会造成行波测距装置启动。

尽管雷电波从线路故障测距的角度上讲是干扰,但能够记录一条线路遭受雷击的次数与位置,对于线路防雷研究十分有意义,不应简单地将雷电记录作为“废物”丢掉。

如果雷电波引起两端装置启动,可以利用双端测距原理,定位雷击点。

从波形上可以分辨所记录的是故障电流行波还是雷击线路引起的电流行波。

雷击线路引起的三相电流幅值接近,波形同极性,且一般为正极性。

雷击造成线路故障时,雷电电流波与故障点短路电流相混叠,波形复杂,增加了分析单端行波波形确定故障点位置的难度。

线路上出现过电压,造成避雷器放电时,行波测距系统感受到的效果和避雷器安装点出现短路故障一样,应注意识别。

6　结语
行波测距技术能够实现线路故障的精确定位,特别是双端行波测距方法,具有简单、可靠、易于实现、适用性广的优点。

随着行波测距系统运行经验
的积累和不断完善,相信行波测距会成为将来输电线路故障的主要精确定位方法。

参考文献
1　葛耀中(Ge Yaozhong ).新型继电保护与故障测距原理与技术(N ew T echniques in P ro tective R elaying and Fault L ocati on ).西安:西安交通大学出版社(X i’an :X i’an J iao tong U niversity P ress ),1996
2　陈　平,徐丙垠,葛耀中(Chen P ing ,Xu B ingyin ,Ge Yaozhong ).一种利用暂态电流行波的输电线路故障测距方法(Fault L ocati on M ethods U sing Fault Induced Current T raveling W aves ).电力系统自动化(A utom ati on of E lectric Pow er System s ),1999,23(14)3　徐丙垠,葛耀中,朱锡贵(Xu B ingyin ,Ge Yaozhong ,
Zhu X igui ).利用暂态电流行波的输电线路故障测距技
术(Fault L ocati on Based on Fault Generated Current T ransients ).见:第五次全国继电保护学术年会论文集(In :P roceedings of F ifth P ro tective R elaying Conference ).北京(Beijing ):1993
4　董新洲(Dong X inzhou ).小波理论用于输电线路故障测距研究:〔博士学位论文〕(A pp licati on of W avelet
T ransfo r m
to
T rans m issi on L ine Fault L ocati on ,
Docto ral D issertati on ).西安:西安交通大学(X i’an :X i’an J iao tong U niversity ),1996徐丙垠,男,董事长,教授,主要研究方向为电力线路故
障监测及配电网自动化技术。

李　京,男,工程师,主要研究方向为电力系统测试仪器及自动化装置。

陈　平,男,所长,主要研究方向为输电线路故障测距及继电保护技术。

MOD ERN FAUL T LOCAT I ON TECHN IQUES BASED
ON FAUL T GENERATED TRAVELL INGW AVES AND THE IR APPL I CAT I ONS
X u B ingy in 1ΨL i J ing 1ΨChen P ing 1ΨChen Y u 1ΨD ong X inz hou 2ΨGe Y aoz hong 3ΨP .F .Gale
4
;1.Kehui E lectric Co L td ΚZibo 255031ΚCh ina Γ;2.T singhua U niversity ΚBeijing 100084ΚCh ina Γ;3.X i’an J iao tong U niversity ΚX i’an 710049ΚCh ina Γ
;4.H athaw ay Instrum ents ΚU K Γ
Abstract ΠW o rk ing p rinci p les of trans m issi on line fault locati on techniques based on fault generated vo ltage and current
travelling w aves are introduced .T ype A fault locati on technique m easures ti m e delay betw een the first and second surge from fault po int .T ype D m easures arriving ti m e of fault initiated surge at bo th ends of the monito red line .T ype E m easures ti m e delay of reflecti on at fault po int to the surge injected by circuit breaker reclo sing .Som e key techniques Κsuch as m easurem ent of fault generated travelling w ave signals Κsuper h igh speed reco rds Κw avelet detecti on of travelling w ave pulses and the p recise ti m e synch ronis m of double 2end equi pm ent Κthat m ake modern fault locati on techniques based on travelling w ave p ractically app licable are discussed .
Keywords Πfault locati on Μtravelling w ave Μtrans m issi on line
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