应用于输电线路故障测距的行波波速仿真分析

应用于输电线路故障测距的行波波速仿真分析
摘要：影响行波故障测距精度的主要因素有行波的速度和行波波头准确到达时
刻的标定。

针对常用的行波波速确定方法——公式法和在线测量法，通过在不同
线路长度、不同故障距离下的仿真分析得到相对应的行波波速，并将所得到的波
速用于同一故障距离测量，通过对测距结果对比分析，找出在某种故障距离下的
最优波速，从而达到提高测距精度的效果。

通过仿真分析发现，在线实时测量波
速在合适范围内的测距精度比固定波速的测距精度高，满足规范标准对测距误差
不超过1%的要求。

关键词：输电线路；故障测距；暂态行波；行波波速
前言
早期的行波法使用由电流行波和电压行波组成的方向行波作为测距依据，但
理论和实践证明，普通的电容分压式电压互感器不能传变频率高达数百kHz的电
压行波信号，为了获取电压行波则需要附加专门的行波耦合设备，使得装置结构
复杂、投资增大。

此外，早期行波法对行波信号的测量和记录缺乏足够的技术条件，对行波信号的分析也没有合适的数学方法，这都制约了对行波信号的利用和
行波测距的研究和发展。

1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。

2D型行波故障测距原理
D型行波故障测距利用故障暂态行波的双端测距原理，它利用线路内部故障
产生的初始行波浪涌达线路两端测量点的绝对时间之差值计算故障点到两端测量
点之间的距离。

3小波变换法
小波变换同时具有频域和时域特性，其突破了傅里叶变换在时域没有任何分
辨率的限制，具有多分辨率分析的特征。

该特征使得小波分析能够将故障信息的
频率表示出来，方便对原始正常信号中的暂态信号进行分析。

提出一种单端测距
新方法，即利用小波变换提取线路的故障特征，且可消除行波色散的影响。

提出
基于小波变换模极大值理论的双端测距方法，该方法首先记录下初始故障电流行
波波头到达HVDC输电线路两端的时间，最终利用双端法原理计算出故障点距离
逆变侧母线的长度。

通过对故障暂态电压信号进行小波变换，提出一种对单级和
双级HVDC输电线路均适用的故障测距方法。

利用相同的小波变换模极大值理论，但实现的是单端行波故障测距。

提出利用上述理论分析行波信号，实现输电线路
的多点故障定位。

虽然小波变换具有独特的优势，但其自身也存在一些问题。

由
于其自身不具有自适应性，所以当故障类型发生变换时，需用不同的小波基来分
析
4行波波速的计算方法
4.1公式计算方法
当输电线路的长度和电磁波不能采用集中参数模型，而必须使用分布参数模型。

由于线路具有分布的电阻、电感、电导、电容，会导致导线上产生波过程，
如果是集中参数，则无波过程。

在输电线路上发生故障产生行波时，由于采用三
相输电方式，各相之间存在相互耦合的现象，使分析计算困难。

因此，通常采用
坐标变换将相空间变为其它坐标空间，如可将三相导线时的参数解耦等效为与单
导线时相同，即将相空间变换为模空间，这个空间的电压、电流称为模电压、模
电流。

工程实际中，通常将模量分为地模分量和线模分量。

当不考虑线路的损耗
和频率特性时，输电线路的线模分量和地模分量的速度计算公式分别为：R1=R2=0.01400Ω，R0=0.16300Ω；
L1=L2=0.00087H，L0=0.00249H；
C1=C2=0.01370μF，C0=0.00806μF。

C3，C4为母线等效杂散电容，且C3=C4=1×10-8F。

根据以上给出的线路参数，利用公式（6）计算得到的线路固定波速v1=2.89654×108m/s。

设线路故障发生于0.100s整时刻，用于故障分析的波形数据是截取于0.095999~0.108001s之间的故
障波形，采样频率为1MHz。

5.3测量故障点、母线长度不确定的实时波速
在长度不同的母线线路上任意位置处发生故障时，母线m和n端的行波检测
装置记录下故障产生的电压暂态行波。

并对m和n端的电压行波进行Karrenbauer变换，以消除三相线路相间耦合。

5.4计算故障距离
由小波变换得到的初始行波波头准确到达时刻，确定整定波速和实时测量波速，由公式算出故障发生的距离。

对比分析表1和表2中的数据可以得知，当区
外故障距离增加或输电线路长度增加时，由公式测量到的波速均减小。

这是因为：由于线路长度的增加，暂态行波中的高频分量在传播过程中会发生较大程度的衰减，而暂态行波的波速和频率成正比例关系，频率越高，速度越快；但是高频具
有的能量较少，容易衰减，由于行波衰减畸变导致的到达两侧的时间不准确，存
在一定的误差。

总结
本文对影响测距精度主要因素之一的行波速度进行了仿真研究，对行波波速
在线测量的适用性进行了较为全面的仿真分析，行波波速测量方法，在输电线路
故障定位中测量误差较小，不管是长线路还是短线路，均能满足误差要求，适用
范围较广。

而由线路参数计算得到的固定波速，在输电线路故障测距应用中具有
局限性，只在一定的线路长度范围内能满足测距精度要求。

因此，在实际应用中
需谨慎选用，但可以作为行波波速的大概估算用。

参考文献：
[1]葛耀中.新型继电保护与故障测距原理与技术（第2版）[M].西安：西安交
通大学出版社，2007.
[2]董新洲，葛耀中，徐丙垠，等．利用GPS的输电线路行波故障测距研究［J］．电力系统自动化，1996，20（12）：37-40．
[3]覃剑，陈祥训，雷林绪.输电线路行波故障测距技术及小波变换应用[M].北京：中国电力出版社，2014：20-120.。