基于電壓行波原理故障測距的相關問題研究

孟 榮 徐紅元 渠紅濤

（河北省電力公司超高壓輸變電分公司，石家莊 050071）

線路發(fā)生故障后迅速準確地找到故障點，不僅對及時修復線路和快速恢復供電，而且對整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經濟運行都有著十分重要的意義。傳統(tǒng)的繼電保護裝置和故障錄波器均采用距離測距原理，距離測距原理易受短路點過渡電阻、線路串補電容及非工頻分量的影響造成測距不準。近年來，故障行波測距技術得到了較快的發(fā)展，出現(xiàn)了許多行波故障測距算法和原理，隨著行波理論和小波變換技術的不斷完善，以及電子制造技術的發(fā)展，電力故障行波測距技術已進入快速實用化階段。故障行波測距技術的推廣應用將徹底解決距離測距原理測距不準確的問題。

1 電流和電壓原理的行波測距的比較

現(xiàn)階段應用的行波測距裝置分為電流型和電壓型兩種原理，其中大多數(shù)為電流型行波故障測距。一般認為高壓線路上廣泛采用的電容式電壓互感器（CVT），其行波傳變特性不佳，電壓行波故障測距的應用受到了較大的限制。這是因為受制于提取行波信號手段、及采樣率低等緣故。

當輸電線路發(fā)生故障時，在線路兩端每相都有電流行波和電壓行波產生。

電流行波和電壓行波的相同點是：

1）都是高頻暫態(tài)信號頻率高，一般具有幅值較大的行波波頭。

2）行波波頭變化最為明顯的是在第一波頭，以后經母線、變壓器、阻波器、故障點等多處反射和折射后，幅值有明顯的衰減。

電流行波和電壓行波的不同點是：

1）電壓行波和電流行波在幅值上有較大的差異，系統(tǒng)阻抗較大時，電壓行波突變量比電流行波突變量相對幅值大，理論上較易測量。另外，非雷擊絕緣自然破壞時，通常易發(fā)生在電壓峰值附近，電壓行波較電流行波靈敏度高；從理論上，電壓行波由幅值比較大，較易測量。

2）電流行波的采集信號受電暈干擾較大，對數(shù)據(jù)進行小波分析時，有時會出現(xiàn)波頭定時不準，造成測距穩(wěn)定性、可靠性和準確性不高。

3）僅用電流行波信號時，若裝置本身原因導致起動失靈，導致測距失敗。

4）電壓行波測距，不僅具有高靈敏度，而且只需安裝在母線上。如果在電網(wǎng)的每個變電站安裝一套電壓行波測距裝置，通過檢測母線電壓行波信號，可以檢測來自整個輸電網(wǎng)的故障電壓行波，形成GPS行波測量網(wǎng)絡，實現(xiàn)了對各種故障的準確記錄和測距，并可方便地實現(xiàn)波速地在線調整。

2 利用CVT二次電壓行波進行測距的可行性論證

從圖1中可以看出，一次電壓具有明顯的行波特征，在初始行波和反射電壓行波到達時出現(xiàn)電壓奇異。CVT內部電感和電容的諧振造成CVT的頻率響應有多個諧振點，高頻響應不佳，特別是諧振型阻尼CVT，CVT內部儲能導致二次電壓不能快速跟隨一次電壓變化，雖然速飽和電抗型阻尼CVT儲能大大少于諧振型阻尼CVT，但是由于CVT內部的雜散電容，其高頻響應和高頻信號跟蹤能力仍然不盡人意，一次電壓行波波頭經過CVT，引發(fā)CVT低頻和高頻振蕩，行波波頭被平滑和拉伸，且對應初始行波的到來，二次電壓在故障點存在明顯的高頻振蕩，如圖1所示。后續(xù)行波由于經過線路的衰減和故障點、母線處的折反射，幅度大大降低，但是仍然能在CVT二次電壓中反映出來，如圖1所示?？梢?，盡管CVT二次電壓行波特征不如一次電壓明顯的，但是一次行波的到來仍然能在二次電壓中反映出來，也就是說 CVT二次電壓雖然不能真實傳變一次電壓行波，但是在二次電壓中包含了一次行波達到的信息，其中初始行波最為明顯，后續(xù)折反射波檢測也比較清晰。因此，直接借助CVT二次電壓仍然可以實現(xiàn)故障行波測距的功能。

圖1 CVT一次、二次電壓初始行波與反射波

3 保證電壓行波故障測距準確性的兩個重要方法

3.1 小波變換的應用

輸電線路擾動暫態(tài)信號和故障暫態(tài)行波信號中包含了比工頻更豐富的故障信息、開關操作信息、輸電線路雷擊信息。小波在時域、頻域都具有表征信號局部特征的能力，能夠同時從時域和頻域描述奇異信號的每一個細節(jié)，在處理輸電線路故障等非平穩(wěn)暫態(tài)信號等領域具有獨特的優(yōu)勢，所以在故障后的行波奇異性檢測方面受到關注和應用。CVT二次電壓小波變換在較高尺度上行波奇異處具有明顯的模極大值，模極大值極性與電壓行波突變極性一致，測距裝置能準確檢測出CVT二次電壓對應初始行波達到的畸變點。結合小波變換模極大值方法，可以實現(xiàn)行波奇異極性和突變點的檢測。

3.2 高速數(shù)據(jù)采集

高速采集的電壓信號受噪聲干擾的影響小，有利于對電壓信號的數(shù)據(jù)處理。以5MHz的高速采樣、高性能A/D轉換器，使一些在低速采樣時容易“采空”的行波極大值被采到，更能精確地捕獲行波波頭，現(xiàn)場實際運行情況表明：測距誤差小于300m。如圖2所示高速數(shù)據(jù)采集基于DSP、FPGA為基本結構的數(shù)據(jù)采集平臺。主要完成電壓行波信號的高速數(shù)據(jù)采集和緩存，接受GPS對時信號，同步采樣調整；支持PCI總線，并通過PCI總線獲得高速采集的運行狀況；接受開關量啟動信號，進行行波數(shù)據(jù)記錄。

圖2 高速數(shù)據(jù)采集工作原理框圖

4 應用情況及發(fā)展前景

采用電壓行波原理，經高速數(shù)據(jù)采集直接提取CVT二次側電壓，經小波分析后，利用輸入的故障線路的參數(shù)即可測出故障距離。目前已在寧夏電網(wǎng)、福建電網(wǎng)等得到了較好的應用，并且進行測距組網(wǎng)。電壓行波故障測距裝置運行穩(wěn)定，安裝簡便，操作簡單，自動化程度高，定位精確。隨著電壓行波故障測距裝置的推廣，將對輸電線路測距功能的補充和完善具有很十分重要的意義。

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