（电气工程专业论文）新型高压电网行波故障定位系统的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 高压输电网络的故障定位是电力系统运行中长期存在的难题，准确的故障定位网 络可以极大的缩短巡线时间，加快恢复供电，对电力系统安全和经济运行具有非常重 要的意义。 本文首先对各种利用行波法进行故障定位的方法进行全面的综述，针对目前国内 外利用行波法进行故障定位时，需要具有海量数据存储的高速数据采集系统，或者需 要改变一次系统接线的情况，本文利用专门研制的行波传感器来提取行波信号，并采 用基于g p s 高精度时钟同步的输电网故障定位的方法，避免了高速数据采集和改变一 次系统接线的情况。 在对行波传输理论进行分析的基础上，借鉴变压器波过程的理论，建立了互感器 分布式参数模型，并利用e m t p 仿真软件对模型进行了仿真分析。实验测试了互感器 的传变性质，得出了电压互感器和电流互感器都能准确地实时传输行波波头和极性的 结论。 故障行波波头的提取是电网故障定位系统的关键。本文利用专门研制的穿芯式行 波器和分压式行波传感器来提取电流行波信号和电压行波信号，利用高精度晶振与 g p s 时钟精度互补的特点，研制了高精度同步时钟装置，实现了行波波头到达时刻的 精确记录及实时监控。同时，对高压电网行波定位装置展开了研究，并构造成了高压 电网行波故障定位系统装置。 本文介绍了整个故障定位的系统结构和软硬件组成，并对系统进行了仿真分析和 现场实验，实验结果表明定位误差在3 0 0 m 以内，具有很高的定位精度。 基于行波的电网故障定位系统对电网的各种故障均能准确定位。本系统的研究具 有很强的理论价值和实用意义，对于提高电网的安全稳定运行具有十分重要的作用， 并为将来发展的网络保护提供了理论基础。 关键词：高压电网故障定位 行波传感器 g p s 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f a u l tl o c a t i o ni nh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e sh a sb e e nb e i n gd i f f i c u l tp r o b l e mi n p o w e rs y s t e mo p e r a t i o n ，t h ef a u l tl o c a t i o nn e t w o r kp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h el i n er e p a i r a n dp o w e rr e s t o r a t i o n f a s ta n da c c u r a t ef a u l tl o c a t i o nc a nc o n t r i b u t et ot h es e c u r ea n d e c o n o m i co ft h eo v e r a l lp o w e rs y s t e m a no v e r v i e wf o ra l lm e t h o d so ff a u l tl o c a t i o nb yt r a v e l i n gw a v ei sp r e s e n t e di nt h i s p a p e r b u ts o m em e t h o d so ff a u l tl o c a t i o nn e e dah i g l l 一s p e e ds a m p l i n gu n i to rc h a n g e c o n n e c t i n go fp o w e rs y s t e mc a u s es o m ei n f l u e n c et op o w e rs y s t e mn o r m a lo p e r a t i o n a t r a v e l i n gw a v es e n s o ri sd e s i g n e d ，af a u l tl o c a t i o nw i t ht r a v e l i n gw a v ef o rn e t w o r ks y s t e m b a s e dg p si sd e v e l o p e di nt h ep a p e r t h et h e o r yo ft r a v e l i n gw a v et r a n s m i s s i o ni sa n a l y z e di nt h ep a p e r t h em o d e lw i t h d i s t r i b u t e dp a r a m e t e r sh a sb e e ns e tu da n dv e r i f i e db ye m t ps i m u l a t i o nt e s t s i ti sf o u n d e d t h a tc ta n dv tc a nt r a n s f o r mt h eh e a dp a r to ft r a v e l i n gw a v ew i t h o u tt i m ed e l a ya n dt h e o u t p u ta n di n p u ts i g n a l sh a v e t h es a m ep o l a r i t y r e c o r d i n gt h et i m eo ff a u l tt r a v e l i n gw a v e ss u r g ea r r i v i n gi st h ek e yt e c h n i q u eo f f a u l tl o c a t i o n u s et h es p e c i a l l yd e s i g n e dp a s s i n gt h o u g hs e n s o rt oc a p t u r et h es i g n a l so f c u r r e n ta n dv o l t a g e b a s e do nt h ep r e c i s i o ni n t e r l a i db e t w e e nh i 曲p r e c i s i o no s c i l l a t o ra n d g p s c l o c k ，t h ed e v i c ef o rh i g hp r e c i s i o nc l o c k ，a n dr e a l t i m e m o n i t o rs y s t e mi s i m p l e m e n t e d b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，t h ed e v i c ef o rf a u l tl o c a t i o ni nh i 曲v o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n e sb yt r a v e l i n gw a v ei sc o n s t r u c t e d t h es t r u c t u r eo ff a u l tl o c a t i o ni si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ；t h ef a u l tl o c a t i o ns y s t e mi s t e s t e di nar e a lp o w e rs y s t e m t e s t i n ga n ds i m u l a t i n gi tb ye m y pr e s u l t ss h o wt h a tt h e f a u l tl o c a t o rh a sh i g l lp r e c i s i o na n dt h ef a u l tl o c a t i o ne r r o ri sn om o r et h a n1 2 0 m i tc a nb e i m p l e m e n t e de a s i l ya n dc h e a p l y t h ef a u l tl o c a t i o ns y s t e mw i t ht r a v e l i n gw a v ef o rp o w e rs y s t e mc a nl o c a t et h ea l lf a u l t ， t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l tp r o v e dt h a tt h ef a u l tl o c a t i o ns y s t e m d e s c r i b e dh e r ei sp r e c i s ea n de f f e c t i v e ，a n dt h es y s t e mw i l li m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n d e f f i c i e n c yo fp o w e rs y s t e m t h es y s t e mc o n t r i b u t e sal o tt ot h ea n a l y s i so ft h en e t w o r k p r o t e c t k e y w o r d s ：h i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e s ，f a u l tl o c a t i o n ，t r a v e l i n gw a v e ，s e n s o r ，g p s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 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结果由本人承担。 学位论文作者签名：关p 小勇 日期：z 。d r 年j 1 月厂同 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，即：学校有 权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：郑l 】、勇 同期：；o 西_ 年月5 - 日 指导教师签名； 日期：年月目 华中科技大学硕士学位论文 = = # = = = = ；= = j = = = = = l _ 口= = = = = = = = = = = = = = _ 自l i = = = ；= = = = = = = = = i i - 目= = = = = i 自= = = = e = ；_ 一 1 绪论 1 1 现有输电线路故障定位方法的概述 超高压输电线路输送距离长，暴露在旷野，且多为山区丘陵地形，是高压输电网 中故障发生率最高的地方。输电线路故障对系统的安全运行构成较大威胁，也给线路 运行维护人员带来了繁重的查找故障点的负担。故障点的快速、准确定位，可以大大 缩短故障线路修复时间，减少因停电造成的损失，提高系统运行的可靠性，具有重大 的社会和经济效益。输电线路故障定位研究长期以来受到人们的重视，国内外提出了 许多故障定位算法，也研制出不少故障定位装置【l q 】。大多数故障定位算法基于简化线 路模型的数值求解，理论上具有较高的定位精度。但受系统运行方式的变化、线路参 数的变化、t a 和c v t 传变特性的误差、故障过渡电阻的变化等一些不确定因素的影 响及装置本身的缺陷，输电线路故障定位装置难以满足电力系统现场运行的要求。 目前，电力系统中的故障定位大多采用阻抗法和行波法。 阻抗法是利用故障时的稳态信息计算出故障阻抗，依据它与全线路阻抗的比例来 确定故障点的距离。但是阻抗法测距精度受故障电阻、电压、电流互感器( t v ，t a ) 的误差、线路结构不对称、线路分布电容等的影响，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【2 】，所以实际应用效果并不理想。 行波法是利用故障发生后线路上出现的以固定传播速度( 约为光速的9 8 ) 运动 的电压行波和电流行波进行精确故障定位，其测量误差小，且受线路类型、接地阻抗 等因素的影响小。行波法可分为a 、b 、c 三类。a 型测距 3 - 4 是根据故障点产生的行 波到达母线后反射到故障点，再由故障点反射后到达母线的时间差来测距。a 型测距 虽然其原理简单，但由于要求记录行波波形，技术上比较困难，同时也难以区分是故 障点的反射波还是对侧母线的反射波，而且对于行波的第二次折、反射由于反射信号 可能很微弱而难以实现。c 型测距 5 - 6 1 是故障后人为施加高压高频或直流脉冲，依据雷 达原理，根据脉冲由发送端到故障点往返时间进行测距。c 型测距虽然原理简单，但 需要人为施加信号，往往测不到故障位置。此外高压脉冲信号发生器造价高，且受通 道技术条件的限制，高压强度不能太高；因而故障点反射脉冲与干扰信号往往很难区 别。b 型测距是利用通信通道获得故障点行波到达两端的时间差与波速之积来确定故 障点位置，由于只需检测故障产生的初始行波波头到达时间，不需要考虑后续的反射 与透射行波，原理简单，测距结果可靠。但一般两端测距需要线路两端装设测距装置 及时间同步装置，并通过通信交换记录到的故障初始行波到达的时间信息后才能测出 故障距离来。目前，由于g p s 的广泛应用，该方法越来越受重视。 华中科技大学硕士学位论文 对行波法来说，适当利用来自于故障点的行波信号是实现精确故障测距的首要条 件。存在于高压线路中的暂态行波必须通过电压、电流互感器，才能够变成供检测使用 的低压小电流信号。行波信号可分为电压行波和电流行波。目前，一般认为超高压电 网普遍采用的电容分压式电压互感器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。电流互感器对暂态电流行波信号具有良好的传变能力口】。但是文献 7 】中得到 的互感器暂态传变特性是在集中参数模型下得到的，未考虑互感器对地电容的影响。且 分析结果与实际试验和仿真分析有一定出入。 长期以来，普遍认为普通的测量工频信号的电压互感器( t v ) 和电容分压式互感 器( c v t ) 很难传变暂态高频行波信号n 】。所以，目前用电压行波进行测距的大多是 借用附加设备间接测量线路电压。如文献【8 提到利用在一根截面均匀的环形铁钻镍台 余材料上均匀密绕若干层线圈组成行波传感器。再把行波传感器套接在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来进行故障定位。另外，加拿大 研制成功并在b ch y d r o 输电网运行的电压行波故障定位系统 9 】。该系统在c v t 地线 上串接一电抗器，提取电力系统故障或扰动产生的电压行波。文献 1 0 】通过在变电站 的电容性元件上串接小电抗，在小电抗上提取无工频干扰的故障行波信号。利用电压 行波可能在安装时，需要改变一次系统接线，会对系统运行造成一定影响，并且采用 附加设备可能使装置构成复杂，投资增大。另外近年来研制的光互感器具有体积少、 重量轻、抗电磁干扰能力强、动态范围广、频率响应特性良好等优点】。能较好地传 输行波信号，但离实用还有一定的距离。 文献 7 】对电流互感器的传输特性进行了理论和试验分析，认为t a 具有良好的高 频电流信号传变能力，响应速度少于l g s ，其分辨率可以满足行波测距的要求。行波 测距装置可以像普通的继电保护装置那样，直接接入二次回路。所以，国内对利用电 流行波进行故障测距的研究较多【”。这种方法不需要增设其他设备，原理简单。通过 高速数据采集系统和一些硬件和软件支持来实现故障测距。但电流行波无方向性，一 般利用电流行波测距需要计算比较故障后两条线路的电流行波来区分行波是来自故 障点还是非故障线路，当故障线路上只有两回进出线或无法采集到相邻线路的电流行 波时【l ，将给测距带来困难。 输电线路故障后所产生的暂态行波中包含着丰富的故障信息，但是从实际的三相 输电线路故障后数据中直接提取所需要的行波是困难的。这是因为：故障信息是全量的 信息既包含行波故障分量、又包含故障前稳态信息：三相线路存在耦合；故障的 非金属性；相邻线路末端母线的反射等等。上述因素的存在导致出现在故障线路上的 行波分量不仅仅是来自于故障点的行波，还有来自于对端母线的行波分量、来自于相 邻线路末端母线的反射波、接地故障时的零模行波分量等。此外，在三相系统中由于 导线换位点波阻抗不连续而出现的行波折反射；噪声干扰与有用行波出现混叠等影 2 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = 目# = = = = = = = = 日= = = = = = = = 自= = = = = = ；= = j _ _ = = ；= = = = = = _ _ e 自；= = = _ i ；- 自= 目= = = = 一 晌。因此，为了有效利用有用的行波故障信息，必须对故障后的暂态行波施行必要的 处理，进而达到剔除无用信息，保留有用信息的目的。对于行波信号的提取的方法主 要有用硬件提取和软件提取。 利用电压行波的测距方法大多是用硬件来提取行波信号。如在文献【8 】中提到用专 门的行波传感器，其实质就是磁位计( 罗柯夫斯基线圈) ，本身就相当于一个带通滤 波器，能滤除1 0 k h z 以下的频率信号。行波传感器输出信号经避雷器及t v s ( 暂态电 压抑制器) 限压后，经电阻分压电路分压，输出2 5 v 2 5 v 的高频截波信号，再用 行波波头检测回路完成对行波的变化率、上升或下降时间和波头的幅值进行判断。行 波变化率用来检测行波波头到达的最初时刻，上升或下降时间和波头的幅值用来对行 波波形进行辨识。文献【9 】利用特别设计的陷波器、调谐滤波器对电容分压式电压互感 器c v t 进行改造，改造后的c v t 就相当于一个滤波器。经峰值和上升时间判据检测 行波波头( 上升时间为0 7 8 3 x s ，对应的行波频率为3 0 3 5 0 k h z ) ，直接由行波波头 到构成故障暂态高频电压信号提取回路。但是用硬件提取行波信号对怎样分辨故障行 波和干扰信号都没有涉及。 利用电流互感器可以直接传变高频信号的特点，行波测距装置可以直接接入二次 回路。但行波信号是一种具有突变性质的非平稳变化的信号【13 1 。对于这种信号的处理 过去经常使用的时域分析法有求导数法【1 4 ，相关法【1 5 】，卷积法等。求导数法是对暂态 行波信号进行求导运算，从而检出尖锐变化的行波波头，但这种方法对噪声非常敏感， 当行波信号中混杂有噪声时，就很难正确地检出信号。相关法和卷积法是对已知信号 进行相关辨识的时域分析法，利用母线处所出现的第一个行波波头和第二个行波波头 的相关性，但由于线路参数的非线性性，相关系数或置信系数随故障点和故障类型不 同离散性很大。文献【7 】中对相关法进行了改进，提出了匹配滤波器法，该方法使用一 个带通波波器对暂态行波信号进行滤波消噪，使信号中仅含有行波波头分量，再对第 一和第二个波头进行相关运算。但对高频信号与低频信号的衰减速度不同造成的相关 系数离散性大的问题并没解决。 随着小波变换理论在突变信号的检测中得到大量成功应用，现在对直接从二次回 路提取的行波信号大多采用小波变换来处理。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。此外由于小波变换的带通性 能，它能够把信号按不同的频带进行分解。小波变换对行波信号的处理，主要是利用 行波的极性和幅值来检测行波的到达时间和对信号进行辨识。它涉及到( 一) 波头的 准确到达时间的判断；( 二) 是区内还是区外的行波信号； ( 三) 如何正确识别来自 于故障点的反射波和来自于相邻母线的反射波；( 四) 怎样与噪声区别。对于波头的 检测都用到如文献【1 6 】中提到的用基于小波变换模极大值的信号奇异性检测理论来检 测。文献【1 7 】中提到用初始电压和电流行波的比值来判别故障的方向。它只需电压和 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = 自= = ；i = = = ；= = = = = = = = 日= = = = = = = = = = = i - - l = = = = = = = = = j = _ 日= = ；o i = = = l _ # 自= 一 电流行波的比值，不需知道其具体大小，且不受二次通道传播延时的影响。但它需同 时检测电压、电流行波且在只有一进一出的线路中将失效。文献 1 8 中提到用小波模 极大值的”波形比较法”来消除相邻母线反射波的影响。另外，在文献【4 】中以同母线上 任一“有限长”非故障线路作参考线路，通过比较由故障线路暂态电流与该参考线路 暂态电流形成的反向行波浪涌与其对应的正向行波浪涌的极性，识别来自故障方向的 行波浪涌，来消除来自参考线路远端母线反射波及各种扰动的影响。文献【1 9 从小波 变换和基本理论出发构造出用于电力系统故障分析的母小波，同时，为了满足实时性 的需要提出了改进的递归小波变换。对于噪声的处理，因为噪声信号所产生的小波变 换模极大值随着尺度因子的增大而减小，而其它行波分量所产生的小波变换模极大值 随着尺度因子的增大而增大( 对于阶跃信号，其小波变换模极大值保持不变) ，据此来 消除噪声提取信号【2 0 1 。总的来说，在行波测距中应用的主要是离散小波变换和二进小 波变换，离散小波变换主要用于数据压缩和滤波：二进小波变换主要是由于其具有平 移不变性，其模极大值用来表示和重构信号，所以二进小波变换可用来行波波头的检 测和识别。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，检测效果晟佳，到目前为止还没有一个统一的模型1 2 “。 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，而它的计算速度对 测距精度的影响一般考虑的较少。 对于双端测距方法来说，要实现同步测量，就需要使各个测量点的采样时钟保持 同步，而且这种同步必须是远距离的、准确的和高度可靠的。g p s 由于其定时和授时 系统具有抗干扰、全天候、高精度的特点，可以满足测距中时间同步的要求。在文献 1 2 2 】中设计了一个高稳定度晶振构成的时钟，时钟信号的累积误差不大于每秒1 p , s 。时 钟每秒由来自g p s 同步时钟的1 p p s ( 秒) 脉冲同步一次，由于g p s 同步时钟的1 p p s 秒脉冲同步时间精度是1 u s ，计数器输出值的精度也就为1 1 t s 。文献【2 3 】提到由高精度 晶振构成的振荡器经过分频后产生时钟信号，再每隔1 s 被g p s 的秒脉冲( p p s ) 信号同 步一次，保证振荡器输出的脉冲信号的前沿与g p s 时间同步。文献 2 4 以g p s 时间为 基准，通过时刻比对法对本地恒温晶振进行时刻差测量，并经相位控制电路实现g p s 同步时钟系统。由于将g p s 与晶振结合在一起，可解决g p s 的时钟抖动和晶体时钟 的频率漂移。文献 2 5 】中提到由于g p s 接收机输出的秒脉冲信号存在较大的随机误差， 但不存在累计误差。晶振时钟信号的随机误差较小，但存在较大的累计误差。根据 g p s 时钟信号与晶振时钟信号精度互补的特点，建立了晶振信号同步g p s 信号的一 元二次回归数学模型，估计出g p s 时钟随机误差的统计方差和晶振的累计误差；对晶 振时钟进行实时修正，产生高精度时钟，并预测修正后的时钟精度。但是，基于g p s 的同步时钟是靠卫星每秒钟起始时刻发出的同步秒脉冲( p p s ) 来保证的，因此，正确识 4 华中科技大学硕士学位论文 别秒脉冲信号是确保同步的关键。由于同步装置在强电磁环境中长期连续工作，所受 到的干扰比较严重，若不能及时正确处理，可能造成同步失败。 1 2 行波法故障定位存在的主要问题 纵观现有的行波测距方法，尚有几个问题有待解决： ( 1 ) 行波理论有待于完善，特别是互感器的波过程。 ( 2 ) 行波信号的提取。 ( 3 ) 双端测距中用g p s 来达到时间同步大多数是用秒脉冲同步的方式，但怎样消 除干扰还有待于进一步研究。 ( 4 ) 参数的频变和波速的影响因素；在分析参数的频变特性时，作为非均匀不良导 体的大地电阻率采用复数透入深度；而相模变换阵、特性阻抗、衰减常数和波速等参 数均为频率的非线性函数【2 “。在行波测距中波速是主要影响因素，而其计算取决于大 地电阻率和架空线的配置。高压线路沿线的地质条件相当复杂，不同地质段的土壤电 阻率p 有不同的取值，且与气候密切相关。 另外，架空地线对高频分量的衰减和畸变作用也少有考虑。因此参数的频变效应 和波速的不确定性成为行波测距理论完善的一个影响因素 2 ”。 1 3 本文研究课题的背景与意义 本课题基于湖南湘能许继公司2 0 0 2 年1 月批准立项的“新型高压电网故障g p s 行波定位系统研制”项目。 该项目基于整个电网的电压行波故障双端定位方法的原理，开发一种定位精确、 运行可靠的新型电力线路故障定位系统。该系统采用专用的行波传感器进行故障行波 波头的硬件提取，无需高速采集系统；行波传感器安装于变电站的各个出线上，由故 障线路两端测量的故障行波到达的时间差进行故障定位。时间的同步由高精度的g p s 采样单元完成。 和目前国内外普遍采用的故障定位系统相比，该定位系统具有以下一些主要优 点： 造价低。由于无需高速采集系统，省去了海量数据存储设备和高性能计算机系 统，节约了成本，降低了造价。 符合我国电力系统一次侧结构。该定位系统采用专用行波传感器，无需对电力 系统一次侧结构进行改动，安装方便。 5 华中科技大学硕士学位论文 = = 。2 2 日= ；= = = = = = 日= = = = = = = = 自z = = = = = = = 一 运行可靠性高，适用性强。由于采用整个电网的电压行波故障双端定位，具有 较高的运行可靠性，能够满足对雷击闪络、断线、碰线、高阻接地、污闪等各种类型 故障进行准确定位，定位精度在o 3 k m 以内。 容易实现联网，对整个电力系统进行故障定位。在变电站的每条线路出线安装 一套故障定位装置，即可对所有线路进行故障定位。 该故障定位系统的投入，将有助于运行人员快速排除故障，确保安全供电、提高 电力系统运行水平，给电力部门带来巨大的经济效益。该故障定位系统的开发研究还 将形成具有国际先进水平的高科技产品，宜推广应用于3 5 k v 以上电压等级的电网， 具有很大的市场容量及推广前景。 1 4 本文的主要工作 针对以上提出的行波法故障定位中存在的问题，在深入研究国内外现有故障定位 系统的特点及其原理的基础上，结合自身特点新型的电网故障定位系统。与现有的故 障定位系统相比，本系统采用了专用的传感器对行波波头进行捕捉，加入了中央处理 单元以保证通讯的可靠，并且对整个电力系统的联网提供了可行性。本文主要工作包 括如下： ( 1 ) 简述了国内外电力系统目前主要采用的几种电力线路故障定位系统。 ( 2 ) 介绍了输电线路故障行波的产生与传输原理；参与研制了适合系统应用的行 波传感器及行波传感器对行波信号的提取方法。该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。传感器套接在c v t 的地线上，可测 量经c v t 入地的电流行波，与一次设备无壹接的电联系。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。 ( 3 ) 研究了基于行波传感器的电网故障定位系统，详细介绍行波定位系统的结构 和软硬件设计。 ( 4 ) 并对此定位系统进行仿真分析和现场实验测试，结果表明系统的定位误差在 3 0 0 米以内。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 行波传输特性理论分析 2 1 行波传输特性分析 1 ) 故障行波的产生 不失一般性，设单相输电线路i n n 在f 点发生了金属性短路( 如图2 - 1 所示) 。根据 叠加原理，故障后的网络可以等效为故障前的正常运行网络和故障附加网络的叠加。 附加电源e “t ) 作用于故障附加网络，在故障点产生向线路两侧运动的行波。 设 ： e y2 一e s i n o 式中0 为故障初相角。 则线路上故障产生的传向线路两端的第一个电流、电压行波波头大小为 ”筹繁 ，：生：生：望塑! 。 2 z cz c + 2 rr 式中研为故障过渡电阻；z c 为输电线路波阻抗。 波阻抗为： z c = 抬 波速为： i ”2 丽 式中l 、c 分别为单位长度线路电感和对地电容。 p n 2 ) 故障电压初相角分析 图2 1 输电线路f 点故障时故障网络图 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 7 华中科技大学硕士学位论文 = = = = 2 2 _ = = = = = = = ；= = = = = = = = = = ；= = = = 一 i 由式( 2 2 ) ( 2 3 ) 可知，故障时电压初相角的大小及接地电阻的大小直接影响行波的 大小。故障相角为9 0 0 ，即电压最大值时故障，产生的行波最大；而故障相角为o o ， 即电压为零时故障，产生的行波为零，这是故障行波保护与定位的测量死区。国内外 在分析电网故障行波保护和定位时，都把电压过零时刻故障作为一个特例进行分析。 电力系统故障分为雷击故障、绝缘击穿故障和高压线掉地等机械性故障。雷击故 障可能在电压过零时刻附近发生，但雷电波自身幅值大，易于检测，故可以方便实现 对任何时刻发生的雷击故障进行行波保护和定位计算。绝缘击穿故障不会发生在电压 过零时刻附近，一般发生在电压幅值时刻附近，可以方便实现绝缘击穿故障行波检测。 下面重点分析高压线掉地等机械性故障，设架空高压线路离地面高度为4 0 m ，断线后 掉地，掉地运动过程按自由落体分析，落地时间为2 4 5 s ，接触地面的速度为：2 4 m s ， 触地前半个工频周波的运动距离为：o 2 4 m ，该距离小于1 l o k v 及以上线路的空气放 电间隙。根据空气放电理论，空气间隙的交流击穿总是发生在电压幅值时刻附近，故 高压线掉地等机械性故障理论上不可能在电压过零时刻附近出现。作者分析了国内电 网故障录波数据，尚未发现有故障在电压过零时刻附件发生。因此，高压电网非雷击 故障一般不会在电压过零时刻发生，也不存在电压过零故障行波保护与定位的死区问 题。 3 ) 故障过渡电阻影响分析 由式( 2 3 ) 可知，接地电阻同样影响行波的大小。假设输电线路波阻抗z c 为3 0 0 f a ， 当故障过渡电阻为1 5 0 q 时，电压、电流行波将比金属性故障时减少一半。一般超高 压电网，故障过渡电阻小于2 0 0 q ，行波最大减小幅度小于5 8 。故障电阻对故障工 频分量的影响要大于对暂态分量的影响，行波定位装置可以满足对高阻接地故障行波 波头的检测。 幽2 2 输电线路故障行波传输网络图 4 ) 行波的传输 故障产生的暂态行波传输过程可以用图2 2 所示的网络图表示。设线路无损， 故障发生时刻t - - - o ，故障点的电压u ，( t ) 以接近光速的速度向线路两端传播，在所有波 阻抗不连续的地方发生反射和折射。当t = t 。= f 时刻，向m 端传播的行波u 。到达m 端，此时m 端的入射电压等于f 1 = f 时刻以前的故障点电压，记为“，( t f ) 。由于m 8 华中科技大学硕士学位论文 端( 线路端部的变电站) 波阻抗不连续，出现反射波u 。m ，设反射系数为尾，m 端的反 射电压波表示为：u m = 成u f o f ) ，由母线m 点向故障点运动，经过时间f ( 图中 t ：时刻) ，重新回到故障点f 。同样由于故障点的波阻抗不连续，母线m 的反射波同 样在故障点发生反射和折射( 设反射系数为屈、折射系数为嘶) ，母线m 反射波传 向m 端的入射电压为u ”m = f i r 成u f ( f 一3 r ) ，该行波信号在母线m 处再一次发生反射， 这种情况将反复进行，直到进入稳态。m 端的电压等于各次入射电压和反射电压之和， 这样仅考虑母线m 和故障点f 的反射和折射时，m 端的电压波形为： u 。( f ) = u f ( r o ) + 以u ，( f 一靠) + 成屏u f ( f 一3 靠) + 2 m 屏u f ( f 一3 靠) + ( 2 6 ) 同理仅考虑母线m 和故障点f 的反射和折射时，分析i l l 端线路出口处的电流行波为： ，。( f ) = i r ( t l ) 一尾，f ( 卜- 矗) + 成屏，( f 一3 r ) - f 1 a , ，f ( 卜- 3 ) + 一( 2 - 7 ) 式( 2 - 6 ) ，( 2 - 7 ) 中的母线m 处的反射系数以及折射系数可表示为： 成2 糍 ( 2 - 8 ) ：粤( 2 - 9 ) 2 百葛 式中z 为母线m 上非故障线路的等效波阻抗：z m 为线路的波阻抗，三相架空线路一 般为3 0 0 q 。 故障行波同样在图中p 、r l 等母线上都会发生发射与折射。由于故障行波在故障 点、母线及其它波阻抗不连续的地方发生反射和折射，这样导致m 端测量的电压电流 行波远比式( 2 6 ) ，( 2 7 ) 复杂。在单端故障行波定位方法中，需要辨识故障点的反射波， 由于一方面受故障线路两端其它线路或设备反射折射行波波头的影响，另一方面受行 波反射折射传输衰减的影响，故障点的反射波检测困难。如m 点的单端故障定位，要 求测量时间差( t l - t 3 ) ，由于难以区别t 3 和t ，2 、t ”7 3 ，因此单端故障行波定位现场实现 困难。在双端故障行波定位中，只需精确测量故障点产生的行波波头第一次到达线路 两端的时间差( t 1 t 7 1 ) ，即只需测量线路两端首次突变信号出现时刻，不受行波的反 射折射影响，因此测量简单可靠，易于现场实现。 9 华中科技大学硕士学位论文 5 ) 平行多导线系统中的行波传输分析 以上考虑都是单导线的情况，但实际的输电线路都不是单导线、而是多导线系 统例如三相交流线路的平行导线数至少3 根，多则8 根( 同杆架设的双避雷线双回路 线路) ，这时每根导线都处于沿某根或若干根导线传播的行波所建立起来的电磁场中， 通过感应产生电压电流行波，该电压电流行波的求解较为复杂。 模变换法是一种方便有效的数学手段，实现对三相系统的解耦处理。把三相之间 的行波耦合分解为三个独立的模量，每个模量可以用单相系统的分析方法进行分析。 对于理想对称线路，常用的模变换方法有： ( 1 ) 对称分量变换，( 2 ) 克拉克变换， ( 3 ) 凯伦布尔变换等。而分析实际行波传输过程，不可以忽略线路结构不对称造 成的影响，既使线路采用完全换位，换位距离的影响也不能忽略。文献 3 u 分析了考 虑线路结构的模变换矩阵，以一5 0 0 k v 线路为例，用e m t p 求出被分析线路的特征 相量矩阵，转置、求逆，得到相模变换关系： f 屹fhj0 5 6 9 1 u l 一0 7 0 7 1 u 2 + o 3 9 1 6 u 3 l 屹l = kj “2 | - lo 5 9 5 6 u l + o 8 3 4 2 u 3i ( 2 - - l o ) m j3 jl o 5 6 9 1 u l o 7 0 7 l u 2 + o 3 9 1 6 u 3 j 式中v o ，k ，v 分别为三相上的相量电压；t a t 。，u ：，分别为模l ( 地模) 、模2 和模3 的电 压。 纵观各种模变换方法，都把a 、b 、c 三相分量分解为地模分量( 即零序分量) 和 线模分量。地模分量在三相与大地之间传播，线模分量在相线间传播。二者的波阻抗、 波速、频率特性等传播特性差别较大，下一小节将进行详细分析。 2 2 行波传输的色散特性 1 ) 基本理论 行波的各模分量传输特性不一致，地模传播速度慢、衰减大，导致行波在相线传 播过程中发生畸变；并且行波的各频率分量传输特性不一致，高频分量传播速度快、 衰减大，导致行波某一模分量在传播过程中也发生畸变：这样受模分量和各频率分量 行波传输特性的不一致影响，行波在电力线路上传输发生畸变。通常称这种由于不同 模量、不同频率行波分量传输特性的差别引起行波的畸变现象为行波传输的色散。行 波传输色散特性降低了行波波头突变量的大小，影响对行波波头的有效辨识。行波色 散特性是影响故障行波定位精度的一个主要因素。 l o 华中科技大学硕士学位论文 = = = 目；= = = _ e = = = = = = = = = = = = = ；= 自 = j _ 行波传输色散的根本原因是在于不同模分量线路参数的依频率变化。不同模量、 不同频率的行波分量在输电线路上传输时存在不同的传播速度k 和衰减系数b 一“， 其中【4 0 】 b ，镶瓦i 丽焉丽， a = 也啪耐l c + 瓜嗝可丽】 式中：r 、l 、g 、c 为线路模分量单位长度的电阻、电感、电导和电容。 ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( a ) 电阻筒翠特性( b ) q 愚摊$ 特性 图2 - 3 参数频率特性 线路参数随模量和频率变化特性如图( 2 3 ) 所示，行波的衰减常数及传播速度与模 量和频率的关系如图( 2 4 ) 所示。在线路的结构参数中，大地的电阻率、线路高度、 分裂导线、架空地线等都对行波中的地模影响较大，放行波中的地模分量与线路的结 构和参数密切相关，地模分量随频率变化大，线路单位长度的电阻和电感的频率相关 性在地模中表现最为突出。但对于线模分量，只有线路的相间距离、导线半径和换位 点位置等有一定影响，因此故障定位一般采用线模进行分析。 衰减常数与频率的关系 波速与额率的关系 图2 - 4 衰减常数及波速与频率的关系 在行波故障定位的实际应用中，一般采用频带范围为l o o k h z 以上频率的行波信 号，在该频带范围内，线模的行波波速随频率变化较小，对故障定位产生的影响有限。 华中科技大学硕士学位论文 但高频分量在传输过程中的优先衰减，在一定程度上降低了行波波头幅值，不利于行 波波头的检测，为此需采用一定方法提取和放大行波波头高频分量，一般采用小波分 析方法或高频行波传感器提取。 2 ) 模分量行波传输色散 文献【7 分析了不同模分量行波传输色散，给出4 0 0 k v 线路在5 0 0 0 h z 电流模变换 矩阵 【q 】_ l0 4 5 5 0 3 2 70 7 7 4 0 3 3 50 6 2 505 7 5一 0 8 2 5 0 6 8 4 0 2 6 5 表2 - 14 0 0 k v 线路模特征参数值( f = 5 0 0 0 h z ) 模量波阻抗( q )波速( k i l l ，s )衰减因子 ( d b k m ) 1 ( 地模) 4 6 9 9 - j 2 6 2 5 2 x 1 0 56 9 6 x 1 0 。 2 2 6 8 5 - j o 6 2 9 8 x 1 0 52 3 5 x 1 0 。4 3 2 2 2 o - j o 3 2 9 9 x 1 0 2 6 1 x 1 0 4 由表2 - 1 可以看出，行波经l k m 传输，地模和线模3 的5 0 0 0 h z 信号之间产生的延 时为o 6 2 4 9 s ；经1 0 0 k m 传输，产生的延时为6 2 4 1 , t s ，导致的故障定位误差约达1 8 k m 。 下面以一理想换位的1 1 0 k v 线路为例仿真说明单相金属性接地故障行波传输模 分量的色散特性。设a 相接地故障，采用凯伦布尔模分量分析，模变换公式为： l ，o，l ，。+ ，6 + ，。l l ，qi = 音i ，。一，6 i 如ll ，。一，。j 零模分量在a b c 三相和地之间传播，三相零模电流相等：o d 莫由故障相a 流出， 非故障相b 流回；b 模由故障相a 流出，非故障相c 流回。 如图2 511 0 k v 单相接地故障行波在故障相及非故障相的传输衰减e m t p 仿真结 果，故障瞬间故障点故障相a 有j 。= ，。= ，口；非故障相b 有，。= - i 。，即故障瞬间故 障点处非故障相b 电流行波的地模分量与线模盼量大小相等、极性相反，非故障相 1 2 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = _ = = ；= = = = t = = = = = = = = ；= ；= = 自= _ _ = ；= = = = = _ l = ；= = 一i l ；= z = = 一 电流行波为零。由于线模和地膜的传播速度和衰减因子不同，经输电线路传输1 0 k m 后，电流行波波头如图2 - 5 ( b ) 所示，非故障相线模0 c 分量波头超前地模分量波头约3 l l s 出现，二者之和为一尖峰信号；导致非故障相上出现与故障相极性相反的电流行波尖 峰信号，大小为故障线路行波的三分之一，波速为线模分量的波速。 电压行波模分量值等于电流行波模分量模值与该模分量阻抗的乘积。由于地模分 量阻抗大于线模分量阻抗( 见表2 - 1 ) ，使得故障点非故障相的电压行波地模分量值 大于线模0 【分量值( 如图2 - 5 ( c ) ) ，非故障相电压行波等于地模和线模0 1 分量之和，这 样故障点非故障相电压行波远小于故障相电压行波，一般为故障相的1 5 3 0 左 右，二者极性一致。同样由于线模分量传输速度快、衰减小，电压行波传输1 0 k m 后， 非故障相出现如图2 - 5 ( d ) 所示的一个尖峰信号，极性与故障相相反。 “ 1 t o k v 蛙路1 0