雷電波對電力系統(tǒng)行波故障測距法的影響分析

張 欣，雷 震，許棟棟

(江蘇省電力公司，江蘇 南京210024)

輸電線路故障測距技術(shù)具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，是近年來國內(nèi)外電力生產(chǎn)和科研部門密切關(guān)注的研究課題。行波法因其穩(wěn)定和準(zhǔn)確性在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。在實(shí)際運(yùn)行過程中，電網(wǎng)的各種干擾都會給行波故障測距帶來很大的影響，因此考慮各種干擾情況下的行波故障測距非常必要。在江蘇，雷電是導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障的主要原因之一，而雷電波又是影響行波故障測距的重要因素之一，非故障性雷擊和故障性雷擊對行波故障測距產(chǎn)生的影響也不同。因此研究雷電波對行波故障測距的影響特別有針對性。應(yīng)用ATPdraw分別建立了非故障性雷擊和故障性雷擊作用在線路上的模型，進(jìn)行仿真并應(yīng)用Matlab對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析了雷電波對行波故障測距的影響。

1 行波法概述

1.1 行波法分類

行波法[1-3]是利用故障時(shí)在測量端量測到的故障點(diǎn)產(chǎn)生的故障行波進(jìn)行故障定位。故障行波可以通過互感器獲得，通常電壓互感器獲取高頻電壓行波的效果較差，而電流行波可通過電流互感器較好地獲取，故目前一般采用電流行波進(jìn)行故障定位。目前，行波法有多種測距原理，主要分為單端法和雙端法[4]。

單端測距方法只需在線路一側(cè)安裝定位裝置，通過檢測故障行波在故障點(diǎn)或?qū)Χ四妇€與測量端傳播的時(shí)間差，結(jié)合行波波速進(jìn)行故障定位，行波在輸電線路上以接近光速的速度進(jìn)行傳播。該法設(shè)備投資少，實(shí)現(xiàn)簡單，測距精度較高，但存在波頭識別等困難，可靠性需要進(jìn)一步提高。

雙端測距方法利用故障點(diǎn)產(chǎn)生的故障行波到達(dá)兩測量端母線的時(shí)間差進(jìn)行故障定位。只需檢測到達(dá)兩端母線的初始行波，由于初始行波幅值較大，容易檢測，故該法可靠性較高，但在兩測量端均需安裝測距裝置，且需建立通信通道，硬件投資大，經(jīng)濟(jì)性較差。文中主要應(yīng)用雙端法進(jìn)行仿真計(jì)算。

雙端法的原理如圖1所示，只需要利用到達(dá)M，N端的初始行波。

圖1 雙端行波故障測距原理

圖1中，F(xiàn)點(diǎn)發(fā)生故障后，產(chǎn)生向M，N端傳播的行波，令M測量母線端檢測到初始波頭的時(shí)刻為t1，N測量母線端檢測到初始波頭的時(shí)刻為t2，則可得故障距離x：

雙端法的一個(gè)關(guān)鍵是精確測定t1以及t2，這需要M，N端的數(shù)據(jù)同步，GPS接收模塊的電力系統(tǒng)同步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)精確秒同步，這使得線路兩端的時(shí)間同步誤差平均不超過1μs，而由此產(chǎn)生的絕對測距誤差不超過150 m。

行波法的突出優(yōu)點(diǎn)是測距精度高，一般測距誤差為±200 m以內(nèi)，最大測距誤差不超過±500 m。目前，行波法在電網(wǎng)中已有較豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，且現(xiàn)場運(yùn)行效果較好，隨著行波測距理論及其測距裝置的不斷發(fā)展完善，行波法將在電網(wǎng)中應(yīng)用更加廣泛。

1.2 行波故障測距算法

行波測距算法的一個(gè)關(guān)鍵因素是行波波頭的識別和檢測，雙端法對故障波頭的檢測比較容易，而單端法由于干擾因素較多，對波頭的識別比較困難，目前的行波測距算法主要有相關(guān)分析法、小波模極大值法、匹配濾波器法、極大似然估計(jì)法等。其中相關(guān)法主要利用波形相似原理，由于互相關(guān)函數(shù)中的相關(guān)峰與行波波頭相對應(yīng)，故可借助互相關(guān)函數(shù)來識別波頭，根據(jù)相關(guān)峰之間的時(shí)間差來進(jìn)行故障定位。目前小波模極大值法應(yīng)用較為廣泛，根據(jù)突變信號對應(yīng)的模極大值之間的時(shí)間差來進(jìn)行故障定位。

目前，故障測距方法主要是基于ATP-EMTP等一些軟件的仿真來驗(yàn)證的，很少考慮實(shí)際的故障行波情況，即沒有太多的干擾因素。實(shí)際線路中存在著大量的干擾，比如信號采集設(shè)備噪聲、雷電波、斷路器和隔離開關(guān)的操作等都會給行波故障測距帶來很大的影響。

2 雷電波對行波故障測距的影響

2.1 雷電對電網(wǎng)的影響

在多雷地區(qū)，往往會造成大氣過電壓，對電網(wǎng)的安全造成影響。大氣過電壓中的感應(yīng)雷過電壓對電網(wǎng)影響較小，而直擊雷過電壓產(chǎn)生的雷電流較大，對電網(wǎng)的干擾較大，甚至?xí)斐奢旊娋€路故障。

直擊雷過電壓分為：直擊、反擊、繞擊3種，其中反擊產(chǎn)生的過電壓比較嚴(yán)重。

標(biāo)準(zhǔn)雙指數(shù)雷電波[6]模擬雷擊線路時(shí)產(chǎn)生的雷電流波形如下式所示：

式中：A為常數(shù)；IL為雷電流的幅值；α為衰減系數(shù)；β為衰減系數(shù)。

2.2 雷電波對行波故障測距的影響

當(dāng)雷擊較輕，不產(chǎn)生閃絡(luò)時(shí)，其不會對測距系統(tǒng)造成破壞，但由雷擊所引起的雷擊電流可能會對裝置產(chǎn)生干擾，引起裝置的誤啟動，特別當(dāng)雷擊和故障時(shí)間比較接近時(shí)，測距裝置可能來不及再次啟動，故障信息就被忽略掉，影響了測距裝置的可靠性，因此，測距裝置在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這個(gè)因素，盡量縮短死區(qū)時(shí)間。

當(dāng)線路受到雷擊并出現(xiàn)故障時(shí)，測量到的波形較為復(fù)雜，因?yàn)槠浼劝ɡ讚綦娏鳎舶收想娏?。通常，若發(fā)生閃絡(luò)，將出現(xiàn)在雷擊后不久，兩者出現(xiàn)的時(shí)間可近似視為一致，這時(shí)可采用雙端法進(jìn)行故障定位，精度影響不大。若閃絡(luò)出現(xiàn)在雷擊發(fā)生的一段時(shí)間之后，可利用檢測到的故障行波，通過獲取其首波頭抵達(dá)測量端的時(shí)間，對雙端法進(jìn)行檢驗(yàn)。

通常，變電所內(nèi)都安裝抗雷線圈，而抗雷線圈會對測距產(chǎn)生影響，因此，常在其周圍安裝互感器，幫助完成測距工作。且當(dāng)避雷器發(fā)生放電時(shí)，可能會引起測距裝置的誤啟動，因?yàn)榇藭r(shí)的情況與避雷器出現(xiàn)短路情況相似，因此，應(yīng)該采取措施予以避免。

雷擊故障主要分為：雷電波直擊電氣設(shè)備和雷電波沿線路侵入。通常來講，第二種情況更為常見，也是本文討論的主要對象。雷擊導(dǎo)致故障情況[6-8]下，一般會出現(xiàn)如下4種情況：

（1）雷電波強(qiáng)度較弱，沒有導(dǎo)致輸電線路故障，稱之為輕型雷擊。輕型雷擊雖然不會破壞測距系統(tǒng)，但是可能會引起測距裝置誤動，由于存在測量死區(qū)，當(dāng)測距裝置誤動后若立即發(fā)生輸電線路故障，測距裝置將不能正確作出反應(yīng)，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行將產(chǎn)生影響。

（2）大部分情況下，當(dāng)雷擊輸電線路時(shí)將產(chǎn)生閃絡(luò)，且發(fā)生在雷擊點(diǎn)，在這種情況下，可采用雙端法定位閃絡(luò)點(diǎn)，也即檢測出雷擊輸電線路的位置。

（3）在雷電波的影響下，輸電線路發(fā)生閃絡(luò)故障，但閃絡(luò)點(diǎn)并未發(fā)生在雷擊點(diǎn)，而是在線路絕緣較薄弱的地方發(fā)生。此時(shí)，線路上由雷電波產(chǎn)生的行波源將與閃絡(luò)產(chǎn)生的行波源混迭在一起，使得行波較為復(fù)雜，難以準(zhǔn)確故障定位。

（4）雷擊輸電線路時(shí)產(chǎn)生閃絡(luò)，但不是發(fā)生在雷擊點(diǎn)，而是在雷電波傳播至某一絕緣較弱的線路點(diǎn)發(fā)生一相閃絡(luò)，在另一處的另一相導(dǎo)致閃絡(luò)。在此種情況下，輸電線路上存在3個(gè)行波源：雷電波的行波源、閃絡(luò)在不同地點(diǎn)的兩相分別產(chǎn)生的行波源。3個(gè)行波源混迭在一起，在情況（3）的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加了行波故障測距的難度。

在絕大多數(shù)情況下，雷擊點(diǎn)和線路閃絡(luò)點(diǎn)二者相距很遠(yuǎn)情況的幾率是比較小的，因此主要討論情況（1）和（2）。如果出現(xiàn)（3）情況，可以利用保存下來的故障行波，區(qū)分出累計(jì)產(chǎn)生的行波和閃絡(luò)產(chǎn)生的行波，采用雙端法確定雷擊點(diǎn)的位置和閃絡(luò)點(diǎn)的位置。出現(xiàn)（4）時(shí)，則需將雙端測距方法和單端測距方法結(jié)合，測出雷擊點(diǎn)和2個(gè)不同閃絡(luò)點(diǎn)的位置。

3 仿真分析

針對實(shí)際運(yùn)行的不換位同桿并架雙回線，使用ATP-EMTP建立模型仿真，通過Matlab編程對非故障性雷擊和故障性雷擊2種情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。仿真時(shí)采用的故障測距模型如圖2所示。

圖2 故障測距模型

選取雷電通道波阻抗400Ω，仿真頻率為1 MHz，雷擊發(fā)生在1 ms，仿真時(shí)間為5 ms?；谛〔☉?yīng)具有線性相位，且是某一平滑函數(shù)的一屆導(dǎo)數(shù)的原則，采用3次B樣條小波進(jìn)行故障測距，該小波可以通過改變參數(shù)（m，p）靈活的調(diào)節(jié)尺度分析。

3.1 非故障性雷擊

建立的非故障性雷擊模型如圖3所示。

圖3 非故障性雷擊模型

利用已建模型對線路上發(fā)生非故障性雷擊時(shí)的情況進(jìn)行仿真，得到的電流暫態(tài)行波如圖4所示。當(dāng)雷擊在線路上沒有造成故障時(shí)，線路上暫態(tài)電流中高頻分量含量豐富，包括雷擊點(diǎn)的初始雷電波和對端母線、相鄰母線的反射波。由于雷擊線路并沒有造成故障，無故障點(diǎn)反射波，因此除線路末端外，在線路其他部分發(fā)生雷擊所造成的結(jié)果基本相同。

圖4 非故障性雷擊時(shí)雙回線六相電流暫態(tài)行波

3.2 故障性雷擊

建立的故障性雷擊模型如圖5所示。利用已建模型對線路上發(fā)生故障性雷擊時(shí)的情況進(jìn)行仿真，得到的M端和N端電流暫態(tài)行波如圖6所示。

圖5 故障性雷擊模型

由圖6可知，雷擊造成線路故障時(shí)，由雷電流和工頻附加源引起的暫態(tài)電流初始行波波頭高頻含量豐富，隨后的行波中，則低頻分量遠(yuǎn)大于高頻分量。文中假定雷擊導(dǎo)致閃絡(luò)故障與輸電線路發(fā)生雷擊基本同時(shí)發(fā)生，故輸電線路故障位置的確定仍然可以采用雙端法。

圖6 故障性雷擊時(shí)M和N端電流暫態(tài)行波

應(yīng)用Matlab編程仿真，對EMTP產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到故障距離M端母線為40 km時(shí)的反相行波α模極大值的圖像，如圖7所示。

圖7 反相行波α模極大值圖像

圖7中，第一個(gè)模極大值為非零點(diǎn)的時(shí)刻是暫態(tài)行波到達(dá)M端母線的時(shí)刻，右側(cè)的模極大值為非零點(diǎn)的時(shí)刻是暫態(tài)行波到達(dá)M端母線的時(shí)刻。根據(jù)雙端測距原理，通過雙端行波測距方法計(jì)算當(dāng)線路發(fā)生雷擊故障時(shí)，雷擊發(fā)生在不同距離下的測距結(jié)果，如表1所示。

表1 線路故障時(shí)不同故障距離下的測距結(jié)果

可見，利用雙端測距原理測得的雷擊情況下的電力系統(tǒng)行波故障點(diǎn)基本都在誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

基于電力系統(tǒng)行波測距的原理，分析了雷電波對電力系統(tǒng)行波故障測距產(chǎn)生的影響，按雷擊發(fā)生的4種狀況進(jìn)行分析，仿真其中2種情況，比較發(fā)現(xiàn)，非故障性雷擊線路上暫態(tài)電流中高頻分量含量豐富，線路狀況和未發(fā)生雷擊時(shí)基本相同；故障性雷擊產(chǎn)生的故障行波中初始高頻含量豐富，隨后的行波中低頻分量則遠(yuǎn)大于高頻分量。利用雙端故障測距原理測量故障，得出的結(jié)果基本在誤差范圍內(nèi)，但在故障點(diǎn)距離一母線端較遠(yuǎn)時(shí)誤差較大。

雷電波故障測距中，雖然故障點(diǎn)和閃絡(luò)點(diǎn)不一致的概率很低，但是仍有研究的必要。如何結(jié)合雙端測距法和單端測距法對閃絡(luò)點(diǎn)和故障點(diǎn)不一致的2種情況進(jìn)行測距有著較為重要的意義。本文對雷電波故障進(jìn)行仿真測距時(shí)，大部分測距結(jié)果精度均較高，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，但在故障點(diǎn)距離母線端較遠(yuǎn)時(shí)誤差較大，有必要對其進(jìn)行分析，改進(jìn)雙端測距原理，提高測量精度。

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