（电力系统及其自动化专业论文）新型行波传感器及其在电网故障行波定位中应用.pdf

a bs t r a c t t h ep o w e rg i r dt r a v e l i n gw a v ef a u l tl o c a t i o na n dp r o t e c t i o ni sa l w a y sah o ti s s u e f o rp o w e rs y s t e ms t a b i l i t y , a n dt h et r a v e l i n gw a v et r a n s i e n ts i g n a ld e t e c t i o ni s v e r y i m p o r t a n tp r o b l e mf o ri t t h es e n s o r sp e r f o r m a n c eo fb o t he n d su n i ti so n eo ft h ek e y f a c t o r si nt h et r a v e l i n gw a v ef a u l tl o c a t i o n ，s ot r a v e l i n gw a v es e n s o ri sr e q u i s i t ei nt h e f a u l tl o c a t i o na n ds u p e r h i g hs p e e dp r o t e c t i o n t h em e t h o do fan o v e ls p a c ee l e c t r o m a g n e t i cs e n s o rf o rt r a n s i e n ts i g n a ld e t e c t i o n i s d e s i g n e di nt h ep a p e rf i r s t l y ：t h eo v e r - v o l t a g ei ne l e c t r i c a ll i n ew i l lp r o d u c et h e e l e c t r i cf i e l da n dm a g n e t i cf i e l db yt h ev o l t a g ea n dt h ec u r r e n t t r a v e l i n gw a v e r e s p e c t i v e l y t h et r a d i t i o n a lt r a v e l i n gw a v es e n s o ri si n t r o d u c e d ，a n dt w ok i n d so f p c bs e n s o r sa r ed e s i g n e df o rd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t t h et r a v e l i n gw a v ep r o p a g a t i o n o ft r a n s f o r m e ri s a n a l y z e d ，t h em o d e lo ft r a n s f o r m e rd i s t r i b u t i o np a r a m e t e ri s e s t a b l i s h e d t h et r a n s i e n ts i g n a lt r a n s f o r mc h a r a c t e r i s t i c si na l lk i n d so ft r a n s f o r m e r s i st e s t e db yt r a v e l i n gw a v es i g n a lg e n e r a t o r ，a n de m t ps i m u l a t i o na n dp r o t o t y p e st e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ep c bs e n s o rh a sl e s st r a n s m i s s i o nd e l a ya n df i t st oa p p l yi n t r a v e l i n gw a v eb a s e df a u l t sl o c a t i o n b a s e do nm o d e r nt r a v e l i n gw a v ef a u l tl o c a t i o ni sp r o p o s e d ，t h ei m p r o v e df a u l t l o c a t i o ne q u i p m e n ti s p r e s e n t e d t h ea p p l i c a t i o no ft r a v e l i n gw a v es e n s o ri nf a u l t l o c a t i o ni si n t r o d u c e d ，a n ds e v e r a lk i n d so ft r a v e l i n gw a v es e n s o ri n s t a l l a t i o np l a c e a r eg i v e n ，am e t h o dt h a tt r a n s i e n ts i g n a le x t r a c t e db yt r a n s f o r m e rs h e l lg r o u n d i n gl i n e i si l l u s t r a t e di nd e t a i l t h et e s tr e s u l ts h o w st h ee f f e c t i v e n e s so fi m p r o v el o c a t i o n a c c u r a c 彭 k e y w o r d s ：f a u l tl o c a t i o n ； t r a n s i e n to v e r v o l t a g e ；s p a c e p c bs e n s o r ；t r a n s f o r m e rw a v e p r o p a g a t i o n ； e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ； i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：莅湖督 日期：抄7 年芏月叶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密由。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：姻鸯吼如净岁月y t f e l 导师签名：巧狗jz 日期：伽产月髟日 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 电力工业是国民经济发展的动力，其基础设旅建设成为进一步扩大内需的重 点之一，是其它产业能够稳定发展的前提，同时又为经济社会发展提供可靠的电 力保障。因此，电力系统运行的安全性、可靠性是国民经济能否稳定快速发展的 重中之重。输电线路是电能的唯一传输通道，是电力系统的经济命脉，其故障直 接威胁到电力系统的安全稳定运行，更是关系到整个区域，整座城市的生产、生 活及其生命安全。国内外都发生过很多起由于输电线路故障而诱发的电力系统大 停电事故，所以及时发现并清除输电线路故障至关重要。随着计算机和通信技术 的发展，行波故障定位技术已经正在逐步推广，其基本原理就是当故障发生时， 故障点产生的行波接近光速向线路两端传播，通过记录行波到达两端变电站的精 确时间，计算故障点的位置。在行波双端定位中，线路两端互感器的性能是影响 提取行波信号的关键因素之一，正确、高效传递暂态高频信号的传感器，是实现 故障定位和超高速保护必不可少的环节。 随着电力系统向大容量、特高压、交直流的复杂系统方向发展，传统的电磁 感应式电流互感器因其传感机理逐渐暴露出了严重的缺陷，由于考虑绝缘、磁饱 和等难以解决的因素，而且随着电压等级的逐级攀升，电子式电流互感器的应用 消除了常规互感器存在的易饱和、暂态特性差、准确度低、易受电磁干扰、漏油 ( 漏气) 、爆炸等一切弊病，提高了传输精度和可靠性，提高了设备的免维护性。 近年来，随着i e c6 1 8 5 0 标准在国内的推广应用1 1 】，变电站二次系统再次被认为 是拉开电力系统重大技术革命序幕，数字化变电站试点建设已经在国内迅速推进， 其中重要一个方面是大大减小了由于变压器各侧的传统电磁式电流互感器的暂态 特性误差不一致1 2 j 。为了更好的精确提取行波在电力系统传播中的电磁暂态高频 信号，特别是即使同一厂家同一批次的互感器的分布参数不均匀，导致所产生的 暂态行波信号延迟不一致，本论文将研究p c b 板行波传感器和非接触式空间传感 器，为提取不同特征的电力设备的行波信号。 1 2 电磁行波的传变与提取技术及发展现状 1 2 1 行波信号的传变 目前，一般认为在高压和超高压电力系统中的电容式电压互感器c v t 不能传 变频率高达数百k h z 的暂态电压行波信号，而暂态电流行波在电流互感器中具有 良好的传变能力。但随着电磁理论的深入研究发现，很多电气设备都具有分布耦 合电容，这使高频信号传变具有很好的途径【4 1 。 1 行波的传播过程 电力系统中的架空线路、母线、电缆、发电机和变压器绕组等都属于具有分 布参数的电路元件。无论发生雷击、短路故障还是开关操作，都会在这些线路和 设备中产生过渡过程。分布参数的过渡过程本质上就是电磁波的传播过程，简称 波过程，行波在电力系统中传播满足行波波过程理论【6 1 。 波的传播也可以从电磁能量的角度进行分析，因为电压波使导线对地电压升 高的过程也就是在导线对地电容中储存电场能的过程，电流波流过导线的过程也 是导线电感中储存磁场能的过程。 2 行波的传变特性 当行波在遇到波阻抗不连续点就会发生波的折返射等【7 1 ，其中变压器是最大 的波阻抗不连续点。电力变压器、电抗器等电气设备在运行中是与输电线路连在 一起的，因此它们经常受到来自线路的暂态行波的冲击。由于绕组内部的匝间分 布电容和对地分布电容及互感的影响，会产生电磁振荡过程和绕组之间的静电感 应、电磁感应等过程，将在绕组的副边产生高频振荡信号。 ( 1 ) 在电流互感器中的传变特性 对电流互感器的传输特性进行理论分析和试验测试，发现c t 具有良好的高 频电流信号传变能力，响应速度少于1 “s 。 ( 2 ) 在电压互感器中的传变特性 长期以来，普遍认为测量工频信号的传统电压互感器( p t ) 和电容分压式互 感器( c v t ) 很难传变暂态高频行波信号。经过研究和分析，高压输电线路上普 遍采用的电容分压式电压互感器确实导致电压行波信号的衰减和畸变【8 1 ，但对于 突变量检测来说，其二次侧信号还是可以在一定程度上反映出行波浪涌的到达时 间。 ( 3 ) 在配电变压器中的传变特性 配电线路适合利用双端行波故障定位方法实现线路故障定位，但普通配电线 路末端一般没有现成的互感器用来获取故障行波，为此，文献【9 】提出了利用配电 线路末端的配电变压器来传变行波信号。该论文以实际变压器参数为例计算分析 单相配电变压器的行波传变性能，发现对于不同容量的配电变压二次输出上升时 间都较快，都具有较高的截止频率，能够有效地传变行波波头信号。 1 2 2 行波信号的检测 传统理论没有考虑互感器内部的杂散电容，认为电压互感器不能传变暂态高 频信号。为此，本课题组对电磁式互感器和电容式电压互感器的波过程进行了初 2 步的理论分析和实验测试，认为电流互感器和电磁式电压互感器是一个特殊的变 压器，波过程按时间先后分为静电感应过程、自由振荡过程和电磁感应过程，静 电感应电压极性相同，能够无时延地传输行波波头最高频带信号和极性，可以用 于基于行波波头的故障行波保护与定位分析i l 引。在此基础上，西南交通大学何正 友课题组对电磁式电压互感器进行暂态仿真及行波传变特性分析，并用于铁路自 闭贯通线的故障定位【l l 】；山东工业大学和科汇电气公司也开发了基于电压互感器 和配电变压器的配电线路故障行波定位技术，并在工业现场试运行【1 2 1 ；文献 1 3 】 1 4 】也分析了电容式电压互感器波过程，认为故障行波在互感器二次侧产生极 性相对应的脉冲信号和固有频率的高频自由振荡信号，可以用来识别一次侧故障 行波波头。 实际上故障行波波头含有广域频带的暂态分量，会在变电站产生广泛的电磁 暂态扰动【1 5 】，包括空间电位的分布、地电位的分布、电感和电容元件上感应的电 压和电流。日本高压电气株式会社开发了空间测量故障行波信号的相关技术，行 波传感器直接安装在线路杆塔上，检测故障行波产生的电磁场【1 9 】【2 0 1 。但传感器造 价高，也不符合中国电力系统的安装条件，尚没有推广应用。 输电线路故障行波定位的关键是行波信号的提取。国内外行波波头的提取方 法主要有：1 直接从二次回路提取；2 采用专门的行波传感器提取。 ( 1 ) 直接从二次回路经软件提取 由于电流互感器二次输出信号中工频分量含量大，故障行波信号小，查找困 难；且考虑线路暂态电流信号经电流互感器变换后发生畸变，暂态信号经电流互 感器二次导引线由开关场传输到控制室，行波波头信号上升沿变缓。为了有效识 别和提取行波波头，需要采用复杂的软件方法进行分析。 基于小波分析法的高速采集系统【2 1 】【2 2 1 ，利用小波变换的时频局部化性能，它 能够同时给出行波信号何时出现以及变化剧烈程度的信息，采用基于样条插值的 方法计算波速。但是，小波变换最重要的是基小波的选择，怎样让所选的基小波 上暂态信号分解的小波系数能量最集中，检测效果最佳，到目前为止还没有一个 统一的模型。另外，暂态信号是非常丰富的，而所选择的基小波对各种暂态信号 是否有广泛的适用性还值得研究。并且，信号特征的提取一般采用重构信号的能 量，而它对硬件要求较高，计算速度对测距精度的影响一般考虑的较少。 基于数学形态学梯度技术的故障信号分析方法开始应用于行波故障定位1 2 引， 该方法相对于小波变换等积分运算来说，对行波突变信号检测能力强，对噪声不敏 感，算法简单，耗时较小，易于硬件实现。在此基础上，通过对故障暂态电压行 波的多分辨形态学梯度m m o ( m u l t i r e s o l u t i o nm o r p h o l o g i c a lg r a d i e n t ) 处理，提取 故障折、反射行波的幅值和极性，可以对高压直流输电线路故障类型进行识别。 目前，基于数学形态学梯度技术的行波故障定位方法还处于理论研究阶段，离实 3 际应用还有一段距离。 希尔伯特一黄变换( h i l b e r t h u a n gt r a n s f o r m ，简称h h t ) 信号分析方法开始 应用于故障暂态信号的分析。该方法创造性地提出了固有模态函数的新概念，将 多组分信号分解成各具有单一频率成分的固有模态信号的方法经验模态分解 法( e m d ) 。该方法对于非线性、非平稳信号具有有效的处理能力。利用e m d 可 以将复杂的故障暂态信号分解成有限个固有模态信号( i m f ) ，通过瞬时频率和进一 步得到的h i l b e r t 边际谱，对故障暂态信号进行了分析。该方法使用e m d 分解得 到的第一个固有模态信号c 1 来检测故障时间，具有很高的精确度。但不能保证 e m d 分解得到的每一个i m f 都具有很好的物理意义。文献【2 4 】将h h t 应用到电 力系统故障检测和故障定位，仿真结果表明h h t 在行波故障时亥0 提取中是有效 的、精确的。 ( 2 ) 采用专门的行波传感器提取 长期以来，普遍认为普通的测量工频信号的电压互感器( p t ) 和电容分压式 互感器( c v t ) 很难传变暂态高频行波信号。所以，目前用电压行波进行测距大多 是借用附加设备间接测量线路电压，硬件提取电压行波波头。如加拿大b ch y d r o 的5 0 0 k v 输电网在安装的故障行波定位系统，由1 4 个5 0 0 k v 变电站的行波检测 装置及上层软件组成，能准确检测5 3 0 0 公里线路上的各种故障【2 5 1 。该系统中的 行波传感器为一小电抗器，串联在电容式电压互感器( c v t ) 的地线上，由峰值 和上升时间判据检测行波波头( 上升时间为0 7 8 3ps ，对应的行波频率为 3 0 3 5 0 k h z ) ，硬件提取电压行波信号；几年的运行经验表明：该系统具有很高的 故障定位精度，能可靠地对各种故障进行检测，例如：相相碰线故障、导线积雪 导致的高阻接地故障( 接地电流仅6 5 0 a ) 、鸟粪引起的污闪事故、雷击引起的瞬 时接地故障及绝缘子损坏事故等，定位精度已达到或超过+ 3 0 0 m 。国内申请号 0 2 1 1 5 5 0 6 2 名称为“输电线路故障点定位方法和装置 发明专利也提出了相似的 行波检测技术，通过在变电站的电容性元件上串接小电抗，利用设备固有的电容 作为高压臂，采用的电感性元件作为低压臂，在小电抗上提取无工频干扰的故障 行波信号，但由于这些行波传感器的安装需要对一次系统接线进行改动，不符合 我国电力系统运行规程，很难在我国推广应用。 文献 2 6 】提出了基于r o g o w s k i 线圈原理的行波传感器提取行波信号的方法。 行波传感器是在截面均匀的环形铁钴镍合金材料上均匀密绕若干层线圈制作而 成。并且研制了高精度高频分压式行波传感器，就地安装在电压互感器二次侧， 测量互感器波过程中的静电感应和高频自由振荡信号；并设计了穿芯式行波传感 器，套接在c v t 的地线上，测量经c v t 入地的电流行波反映线路电压行波，与 一次设备无直接的电联系。由于耦合电容通高频的特性，地线电流能够反应一次 侧的故障行波波头信号。这种行波传感器的实验测试结果表明：波头检测的延时 4 误差小于5 0 n s 。采用此传感器原理的行波定位系统已经在株洲电网的1 4 个站中 运行，特别是在0 8 年的冰灾中发挥了重要作用。行波传感器输出信号经高通滤波， 极性选择，整形及电平转换电路变换后，转变为脉冲信号，经行波波头识别回路， 输出方波化电路。此行波提取电路是根据行波波头的大小和突变的上升时间进行 判据，直接捕捉故障行波到达的初始波头。该行波传感器具有较好的频率响应特 性，能有效地滤除5 k h z 以下的频率信号，且耦合电容的微分对高频信号有放大 作用，能有效地提高测量行波波头的灵敏度，有利于缩小电压过零附近行波定位 的死区。但传统的r o g o w s k i 线圈需要手工绕制，或者是绕线机绕制的，r o g o w s k i 线圈的二次绕线不能够绝对均匀，同批量的产品互感系数和抗干扰系数相差较大， 线圈的暂态响应难以保持一致，特别是对行波信号来说更要求高度的同步时间精 度响应。 1 3p c b 式电子互感器的现状与发展趋势 自18 8 4 年变压器问世以来，电磁式变压器类电流互感器得到了充分的发展。 然而，随着电力传输容量的不断增长和电压等级的不断提高，传统的电磁感应式 电流互感器已经暴露出越来越多的缺点：固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、 适用频带窄、制造工艺复杂、绝缘困难等。传统电流互感器已经难以满足电力系 统发展的要求，因此，必须寻求基于其他传感机理的电流互感器来取代之【2 1 。与 此同时，微电子技术的发展成熟，与传统电流互感器相对应的电子式电流互感器 得到了重视和推广。随着印刷板电路技术和电磁兼容研究的深入，基于工频信号 的p c b 式的电子互感器得到迅速发展，但它对于高频行波信号的传变还未涉足 【2 8 】 o 1 3 1 空芯电流互感器的发展 电子式空芯电流互感器的传感元件采用r o g o w s k i 线圈，它是19 1 2 年由俄国 科学家w r o g o w s k i ，w s t e i n h a u s 首先提出的【2 9 1 。其二次绕组是将漆包线均匀的 绕制在环形骨架上制成，骨架一般采用温度性能好的非铁磁材料，例如铁氧体， 铁镍钼等磁环材料。被测量的载流导体从r o g o w s k i 线圈的中心轴穿过，由安培 环路定律推导可知，线圈的感应电势正比于被测电流对时间的微分，对r o g o w s k i 线圈的感应电势进行积分运算后可得到正比于被测电流的信号。空芯电流互感器 的原理简单，测量范围广，频率范围宽，价格便宜，它很适合用于对瞬态响应要 求较高的中压继电保护及监视。最初的r o g o w s k i 线圈被用来测量大磁场而不是 电流，其原因是由于r o g o w s k i 线圈的感应电势很小( 一般为数十毫伏) ，没有足 够的电压和功率来驱动二次设备。然而，随着微机的普及，在继电保护和测量中 应用微机技术已是不可逆转的潮流，设备不再需要高功率输出的电流互感器。这 5 样一来，功率低、结构简单、线性度良好的r o g o w s k i 线圈在某些场合下，可以 作为传统电流互感器的代用品。与传统电流互感器相比，r o g o w s k i 线圈有以下优 点： 1 ) 测量准确度高：设计准确度可高于0 1 ，但实际应用时通常为1 3 ； 2 ) 测量范围宽；由于没有铁芯饱和的问题，同样的绕组可用来测量的电流范 围可从几安培到几千安培； 3 ) 频率范围宽：一般可设计为从0 1 h z 到1 m h z ，特殊的可设计到2 0 0 m h z 的带宽； 4 ) 可以测量其它技术不能使用的受限制领域的小电流，而且二次侧开路也没 有危险； 5 ) 生产制造成本低。 在2 0 世纪8 0 年代，r o g o w s k i 线圈在中压开关继电保护中的应用研究已在进 行，r o g o w s k i 线圈在高压开关中的测量和继电保护应用也有报道。随着电子技术、 激光技术的不断发展，越来越多的国内外专家学者投身于空芯电流互感器的产业 化研究【3 0 1 。目前，备受关注的混合式光电互感器的传感部分就是采用的r o g o w s k i 线圈，在国内电力系统中有相关挂网运行的报导。但是一般而言，空芯电流互感 器仅用作保护和监视而非计量，因为其测量精度和抗电磁干扰能力还有待进一步 提高。如何能够巧妙而有效的解决这些难题，使得电子式空芯电流互感器能够提 高测量准确度、稳定性、可靠性，是目前国内外的技术人员关注的热点问题。 1 3 2p c b 式行波传感器的简介和应用前景 p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 空心线圈的原理与传统的r o g o w s k i 线圈的原理 完全一样，传统型线圈的导线用漆包线来绕制，p c b 空心线圈就是通过计算机辅 助设计软件( c a d 、p r o t e l ) 等，利用数字加工技术，将印制导线均匀的布置 在印制电路板上【3 1 1 。实际上，是利用印制导线代替了传统r o g o w s k i 线圈的绕线、 p c b 板的厚度代替了传统r o g o w s k i 线圈的骨架，借助于过孔来穿越印制电路板 的上下表面形成线圈回路。其数字加工技术能保证每匝线圈的横截面积相等，绕 线均匀分布，线圈的制造由数控机床生产，避免了繁琐的绕制过程，可以缩短线 圈加工的周期，提高生产的效率，且大批量生产时，提高线圈分布参数的一致性， 分散性较小。这样制作出的线圈，不仅克服了传统空心线圈的缺点，而且灵敏度、 测量精度及性能稳定性都要优于传统的由铜线绕制的空心线圈，因为传统的 r o g o w s k i 线圈需要手工绕制，或者是绕线机绕制的，r o g o w s k i 线圈的二次绕线 不能够绝对均匀，即使同批量的产品互感系数和抗干扰系数相差较大，线圈的高 频暂态响应难以保持一致，特别是对行波信号来说更要求高度的同步时间精度响 j 立。 6 基于p c b 板的r o g o w s k i 线蒯除了拥有传统线圈的原理简单、无磁饱和、频 带宽等优点以外，其设计简单、加工容易、准确度高、重复性强，且能够有效消 除外界电磁场的干扰，十分有利于用在电力系统中的各个量程的计量和保护检测。 由于其采用p c b 板制造而成，根据各自的特点可以有不同的用途，例如用于高频 和超高频信号检测【3 ”，最好用成本较高的覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板，抗电 磁干扰能力较强。 对于行波高频信号，为了增强其抗外磁场干扰的能力，以下几点需注意： 1 ) 每组中的两块p c b 板必须呈镜像，这样的p c b i 和p c b 2 为上下表面形 成线圈回路，可以完全消除由于垂直穿过电路板的电磁线的干扰。 2 ) 母板上要考虑类似于传统线圈的回线，其目的是完全消除由于垂直穿过电 路板的磁力线的干扰。 3 ) 用环氧树脂浇灌p c b 原型板之后，使得绝缘性能提高，然后再铸以一层 会属膜或者特制专用的金属盒密封屏蔽，防止电磁干扰。 如图1l 所示的p c b 传感器母板，这种p c b 行波传感器抗干扰性能很高，适 合用于电磁干扰严重、工作环境恶劣的电力系统的行波检测和保护。对于只有峰 值2 0 0 v 左右的行波输入信号一块行波传感器可以输出将近1 0 0 v 的冲击电压， 初始行波传变波形失真很少，延时很小，满足行波椅测的要求。增大绕组密度及 线圈高度、厚度，或者多块p c b 板叠加串连，可以提高感应输出电压。但为进 步减小行波波头检测的延时，提高故障定位精度，减小电磁干扰，提高行波保护 的可靠性，有必要改进和完善电网暂卷行波信号在变电站的传输理论，比较电网 暂态行波信号在变电站互感器二次侧、空间电磁场和容性设各地线上产生的数百 f 赫兹以上频率的电磁扰动信号，寻找一种最佳的行波波头检测方法。 图11p c b 行波传感器的母板 14 空间暂态电磁传感器展望 在发电机定子局部绝缘放电研究中，2 蹴 3 3 1 1 3 4 1 已经开始研究了一种非接触 式的传感器，用于检测电磁局放信号，通过理论研究非接触式空间电磁传感原理 分别分析电场和磁场的传播机理。本文针对电磁波各自传播的特点，研究一种不 接触导线、非穿芯式的行波检测方法，可以进一步研发相关装置，适应于不用改 动电力系统接线结构，不用拆卸设备，对行波突变信号检测具有导线选择性，有 效防止空间其他电磁干扰，对研究变电站空间暂态行波的传导有实践性作用。 1 5 课题来源及本文所做的主要工作 基于国家自然科学基金( 5 0 5 7 7 0 0 1 ) ，中国电机工程学会电力青年科技创新项 目和株洲电网故障行波定位系统的平台上，研究了对于行波定位系统的四大关键 技术之行波传感器【35 1 ，该传感器可以正确、高效传递暂态高频信号，是实 现故障定位和超高速保护必不可少的环节。p c b 板行波传感器由于采用计算机数 控加工技术，所加工出来的每个传感器的参数几乎一致，特别是分布参数，行波 传变的延时相同，对行波定位装置统一提取行波信号，提高精度具有重大作用； 非接触式空间电磁场传感器是一种不接触导线、非穿芯式的行波检测装置，适应 于不用改动电力系统接线结构，不用拆卸设备，方便安装，对行波突变信号检测 具有导线选择性，有效防止空间其他电磁干扰，对变电站空间暂态行波的传导研 究有实践性作用。 本人研究生期间参与了以上课题的研究，在研究的过程中，我们吸取了以往 的经验教训，借鉴当前国内外相关的研究成果，针对目前电力系统行波信号精确 提取所存在的问题，积极创新，开发出新型的基于p c b 式的行波传感器，可以实 现产业化生产；还对空间电磁场的传播作了理论上的分析和并研究了一种非接触 式的电磁场突变感应装置，可以更便捷的用于检测电力系统导线上的行波暂态信 号；提出了一种通过变电站变压器外壳接地线上获取行波信号的方法。作者完成 的主要工作有： 1 ) 对空芯线圈的测量原理进行了探讨，分析了理想的空芯线圈的三个基本条 件。传统手工绕制的空芯线圈因为分布参数不一致，个体差别很大，不能满足精 确传变行波信号的要求，因而测量准确度低，抗电磁干扰能力差，不适合批量生 产。用p r o t e l 和a u t o c a d 软件对空芯行波互感器的结构进行了布局，提出了一种 新的空芯线圈设计方案，即采用印制电路板( p c b 板) 来实现，设计出了两种p c b 式的行波传感器，满足不同情况的行波信号的提取。 2 ) 对空间电磁场在输电线中的传播过程进行了理论上的分析，而且研究了导 体的电荷与屏蔽方法，对目前变电站的普遍存在的电磁干扰进行了总结，为接下 来研究空间电磁暂态信号提取方法做了理论上的铺垫，并研究了非接触式电磁场 传感器，理论上设计了空间电磁暂态传感器，分析了互感器过电压波过程理论与 产生的原理。 3 ) 设计了行波信号发生装置，并且用该装置对各种类型的互感器和设计出的 p c b 行波传感器进行了行波波过程实验测试，而且在动模实验室仿真了实际电网 中进行了实际测试，测试结果表明利用这些装置能有效提取行波信号。 8 4 ) 介绍了故障行波定位系统的存在的关键技术问题，组成结构和改进措施， 及对行波传感器的安装地点进行了介绍，并详细阐述了通过变压器外壳接地线来 提取行波暂态信号的方法，经过仿真分析，该方法可行有效，能准确提取电网中 的行波暂态信号，大幅提高了测距精度。 本文由6 章组成： 第一章简述了课题来源与意义，综述了国内外发展现状，介绍了作者的主要 工作及全文主要内容。 第二章简述了空问电磁传波的机理以及在变压器中的传播波过程，分析了互 感器线圈之间的感应电磁波，介绍了导体电荷及屏蔽的原理和变电站电磁干扰影 响的来源，提出了相应屏蔽措施。 第三章首先介绍了空间暂态电磁传感器的检测行波的基本原理，然后分别分 析行波电场和磁场的传播原理，针对各自特点，研制出对导线有方向选择性的行 波电磁场非接触式空间传感器；然后介绍了两种传统的空芯线圈，即环式空芯线 圈和螺线式空芯线圈，对其原理进行了的分析，给出了数学模型和理论推导公式； 最后根据上述两种传统线圈的特点，设计了基于p c b 板的新结构的两种p c b 板 的行波传感器，总结了基于p c b 板的空芯线圈的具体应用。 第四章首先概述了故障行波定位系统目前所存在的关键技术问题，然后介绍 了课题组研发的行波定位系统的构成，包括硬件结构和专用的行波传感器。并且 针对目前存在的问题，提供了相应的改进措施。还提出了行波传感器适合安装的 地点，最后详细介绍了通过变压器外壳接地线提取行波信号的方法，仿真结果表 明该方法简单有效，能准确提取电网故障产生的行波信号。 第五章首先介绍了冲击电压波的标准，然后根据波形标准设计了专门的行波 小信号发生装置，最后利用该装置测试了各种类型互感器和行波传感器的行波输 出特性。实验验证了电力系统行波波过程理论，试验结果表明，互感器由于有电 容和电感等分布参数的影响，可以有效的传变暂态行波信号，对电网故障行波定 位的行波信号的提取选择提供了有利条件。还实际测试了p c b 行波传感器的性 能，由于p c b 板的分布参数高度一致，能满足行波精确提取的延时和幅值启动行 波装置的要求。 第六章对全文进行总结，并展望了有待进一步开展的工作。 9 第二章电磁暂态信号传播机理 电力系统中的架空线路、母线、电缆、发电机和变压器绕组等都属于具有分 布参数的电路元件。无论发生雷击、短路故障还是开关操作，都会在这些线路和 设备中产生过渡过程。分布参数的过渡过程本质上就是电磁波的传播过程，简称 波过程，行波在电力系统中传播满足行波波过程理论【6 】。电力系统中的电能传递 实际上会在导线周围的空间中产生相应的磁场能量，它的传播过程实质上是电场 能量和磁场能量不断相互转化的过程。所以研究行波提取的方法前提必须弄清空 间电磁传播的基础理论以及干扰的产生传入特点【5 】。 2 1 空间电磁场传播过程 2 1 1 二平行输电线的电场 设有架空的二输电线，离地甚高，且线间距离远大于导线的横截面半径。输 电线又可看作无限长，垂直于导线的任一平面上电场的分布都相同【36 1 。线上电荷 可以看做沿轴线均匀分布，每单位长度的电荷密度分别表以r 。应用高斯定律， 当每一根导线单独存在时，在电场中一点p 的电场强度分别为 e 。：县 ( 2 1 ) 二刀己o i l e ：墨 ( 2 2 ) ，j 于 爿_ f f px 。 2 a 图2 1 二平行输电线电场 如图2 1 ，在p 点的电位，可由电位梯度的积分求得： 1 0 对于+ r 纬。= 一荔r l i n r i + c ( c 为常数) 对于- f 纬：= _ 2 r l 砜n r 2 + c 故 纬慨2 去h 詈托 ( 2 3 ) 现在选定一个包含y 轴且平行于输电线的平面，令其电位为零，即当= r 2 时， 纬= 0 。于是在式( 2 3 ) 中，常数应当等于零，故得 纯：二1 n 蔓 ( 2 4 ) 纬2 2 n 吕on i 4 在垂直于输电线的冽平面中，等位线的方程式应为纬2 三丢h 詈2 c 即 詈= 雳y 乩 亿5 ， l ( x a ) 2 + 2 式中k 是另一常数。由几何学定理可知上式的轨迹为圆。将上式写为 ( x 一葛a ) 2 + y 2 = ( 西2 a k ) 2 ( 2 6 ) 可见圆心的坐标是( 西k 2 + 1a ，。) ，半径是西2 a k 。 一般导线是圆形截面，这截面应包括在上面的方程式中，因为导线的表面也 是等位面。我们可以假设两圆形横截面的导线上的电荷各集中在一条称为电轴的 假想轴线上，以保持边界条件不变。这样，导线的几何轴线和电轴线就不一致， 这表示电荷在导线面上的分布是不均匀的。 令导线半径为r o ，两几何轴线距离为2 s ，见图2 2 ，则由圆族方程式( 2 6 ) 可 知 2 器 仁7 ， 砾一i 归籍1 口 ( 2 8 ) 蟛一 、。 图2 2 二平行圆面电场 式中是在一根导线的表面上一点到两电轴的距离的比，即k o 丝，参见式 ( 2 1 1 ) 。 由上面两式消去，得 口= 厢( 2 9 ) 已知s ，r o ，即可求得两电轴的距离2 a 。 电力线和等位线正交。等位线是式( 2 6 ) 所表示的圆族，电力线也是圆族。 图2 3 圆族电力线 由式( 2 4 ) ，两导线的电位分别是 2 去敞。和一2 去h 去 厶j 6 n厶h 匕nn 故两导线的电位差是 1 2 - 2 2 去峨 式中，可以从式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 求出 当s r o 时 式( 2 4 ) 可写为 氏= 三+ ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) k o 一2 s ( 2 1 2 ) 纬。箍h 詈 亿 自图2 3 可见在x 轴上两导线内侧的一段电位梯度较大( 电位线较密) ，靠近 导线内侧表面上电场强度最大，由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可求得为 瓦。2 赤+ 一2 ；r e 0 2 a2 二2 r m or 土r o + 扣去 由式( 2 1 0 ) ，( 2 1 2 ) 可得 x 2 萨u o ( 丢+ 五1 ) u o ( 2 1 4 ) r o 。 r o 由式( 2 1 0 ) ，( 2 11 ) 可求得二输电线电位长度的电容 当s r o c o _ 丽t 石l 而e e o ( 2 1 5 ) c o ( 2 16 ) i n 。 以大地为回路的单根架空输电线，地面是一个等位面，地面上的静电场可用 镜像法求得，见图2 4 ，地面上的输电线和它的镜像成为两平行输电线，故有 2 s = 2 h 。 1 3 ji h- _ ：- - c 1 1 i 图2 4 单导线镜面对地电容 由式( 2 1 5 ) 单根输电线和它的镜像的电容为 c ( 2 1 7 ) 这电容等效于单根输电线对地面的电容c 与地面对镜像的电容相串联。故单 根输电线对地面的电容 c ( 2 1 8 ) 上面推导出的二平行电轴的电场，可推广应用到每单位长度带有电荷+ f 和 一f 的两根不共轴且半径也不等的无限长平行圆柱导体的电场，如图2 5 。我们只 需求出假想的两根电轴的位置，使两个圆柱分别和两个电场中的两个等位面一致 即可，这样就满足了边界条件。 ， 瓜、。厂蕊苎 l 知一k 11 一 ； 屯。 一 再 一 1 一 一 2 s ，j fo饭a j 一 2 a辽 一 一 x l ， 工 (一趴i 兰 l 2 0 。 二五卜 2 s r z 图2 5 复杂两平行圆柱导体电场 现在已知的是两圆柱体的半径吒和吒，以及它们的几何轴的距离2 s 。如果求 出两根电轴的距离2 a 和图中所示的几何轴线的坐标五和艺，就可以确定电轴的位 置。由式( 2 9 ) ，有 a 2 = # 一，i 2 ，a 2 = 爱一彳，2 s = 五一而 从这三式可得 1 4 ( 2 1 9 ) 于是即可求出2 a 和定出电轴的位置。 2 1 2 波的衰减与变形 但实际上，任何一条线路都是有损耗的，导致波在传播过程产生损耗的因素 主要有以下四种：1 ) 导线电阻引起损耗；2 ) 导线对地电导引起的损耗；3 ) 大地 的损耗；4 ) 电晕引起的损耗【3 7 1 。 考虑单位长度线路电阻r 和对地电导g 0 后，输电线路的分布参数等值电路如 图2 6 所示。图中r 包括导线电阻和大地电阻，g 0 包括绝缘泄漏和介质损耗，当 行波在有损导线上传播时，由于和g 0 的存在，将有一部分波的能量转化为热能 而耗散，导致波的衰减；当电能和磁能的消耗不相等时，就会引起波的变形。 t 。i xr d x 图2 6 单根有损长线的分布参数单元等值电路 为了分析方便起见，只讨论直角波的情况，并假定等值线路中的各参数均为 常数。当幅值为u 的电压波沿线路传播时，单位长度导线周围空间所获得的电场 能将为i 1c o u 2 ；如果线路存在对地电导g o ，则电压波传播单位长度所消耗的电场 二 能量将为g o 眈t o ( t o 为电压波行进单位长度所需的时间) 。电能的消耗将引起电压 波的衰减，电压u 衰减的规律为： 一鱼，一g o 。苎 u = u ec o = u e c o ” ( 2 2 0 ) 式中u 为电压起始值，v 为行波传播速度。 同样，当幅值为i 的电流波沿线路传播时，单位长度导线空间所获得的磁能 1 将为去厶，2 。如果线路存在电阻，则电流波流过单位长度距离所消耗的磁场能 二 量将为r i 2 t o 。磁能的消耗将引起电流波的衰减，电流i 衰减的规律为： 一fe , o 三 江el o = el o 9 ( 2 2 1 ) 1 5 垡 垡 盘铷生铀等等 式中i 为电流起始值。 在电磁波的传播过程中，由于r 及g 0 不断消耗能量，可能某一能量( 例如磁 能) 的消耗比另一种能量( 例如电能) 的消耗快( 实际无电晕的送电线路都满足 这一情况) ，以致可能出现空间电能密度大于磁能密度的情况。这样，空间电磁场 就发生了电能与磁能的交换，因而电压波在行进过程中不断发生负反射，使波前 电压不断降低，而电流波在行进过程中将不断发生正反射以增大波前电流，从而 厅一 使电磁波行进方向首端的电压波比电流波之比保持f 鲁的关系。这样，电压波在 v 传播过程中头部逐渐被削平，尾部逐渐拉长。 当线路遭受雷击或出现操作过电压时，导线上的电压升高，当导线表面的电 位梯度增大，超过电晕起始场强时，导线周围空气中将会发生电晕。这是，波沿 线路传播时的衰减和变形主要因冲击电晕而引起。 2 2 变压器绕组的波过程及过电压 变压器线圈在冲击电压作用下产生的过电压【4 3 1 ，主要是由线圈内部的自由振 荡过程和线圈之间的静电( 分布电容) 或电磁( 分布电感) 引起感应过程所引起 的。这两个过程，我们统称为变压器线圈中的波过程。一般情况下，两个过程同 时发生，但总是其中一个为主。在某些情况下，前一个过程起主要作用，而在后 一些情况下，后一个过程起主要作用，这和变压器线圈的结构、布置和接线方式 等有关。 变压器中过电压的分析，可借助于等值电路图【46 1 。但是在过电压情况下的等 值电路图与在5 0 h z 情况下的不同，在频率达数十万赫兹的情况下，必须将所研 究的线圈看成是具有分布参数的电路，要考虑所研究的线圈元件( 线匝及线段) 之间的电容，该线圈与其他线圈之间的电容，以及各线圈与接地部分( 铁芯柱、 1 铁轭等) 之间的电容。这是因为感抗x ：= c o l 与频率成正比，而容抗x = 之与频c 缈。 率成反比。因此，在高频下电压沿变压器线圈的分布，在很大程度上取决于容抗。 在足够高的电压下，还应当考虑绝缘的电导。 图2 7 表示变压器在过电压情况下的简化等值电路图 4 6 1 。图中、厶、k 和蜀 为一次线圈的电阻、电感、电容和电导；r 2 、厶、墨和g ，为二次线圈的电阻、电 感、电容和电导；c i 和g l 为一次线圈的对地电容和绝缘电导；c 2 和g 2 为二次线圈 的对地电容和绝缘电导；c l ，和g i ：为一、二次线圈之间的对地电容和绝缘电导。 1 6 g i l j = g i ：一c l ：g i ：c l ： l 二一一 图2 7 变压器在过电压情况下的简化等值电路图 图中没有考虑铁芯中的主磁通，因为这个磁通对变压器过电压过程的影响很 小。 上面所示的等值电路图具有下述特点，即它不是固定不变的，在过渡过程中 其形状是随时间而改变的。在起始瞬间，当陡波头的非周期波刚刚来到之后，相 当于