電子式互感器在行波測(cè)距中的研究

武建衛(wèi)，張海紅（南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程系，南京江蘇211135）

電子式互感器在行波測(cè)距中的研究

武建衛(wèi)，張海紅
（南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程系，南京江蘇211135）

基于羅氏線圈的電子式電流互感器在智能電網(wǎng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。提出了基于羅氏線圈微分輸出的行波波頭識(shí)別新方法。實(shí)現(xiàn)行波測(cè)距的關(guān)鍵在于精確提取行波浪涌的突變點(diǎn)，而羅氏線圈可以直接給出一次信號(hào)的微分信號(hào)；因此，直接利用其輸出的微分行波信號(hào)進(jìn)行判斷，提高行波信號(hào)的識(shí)別能力。構(gòu)建了仿真電路并進(jìn)行了驗(yàn)證，表明羅氏線圈輸出的微分信號(hào)在突變點(diǎn)的變化較一次電流行波更為明顯，對(duì)雙端和單端行波故障測(cè)距法的仿真結(jié)果表明測(cè)距結(jié)果準(zhǔn)確。

電子式互感器；羅氏線圈；行波

電力線路肩負(fù)著電能傳輸?shù)闹厝危请娏ο到y(tǒng)的命脈，但也是最易發(fā)生故障的環(huán)節(jié)。隨著電壓等級(jí)的提高，在電力線路傳輸過程中不可避免地要穿越丘陵、山川、沙漠等地帶，在雷雨、風(fēng)雪能惡劣天氣中會(huì)有故障發(fā)生，而在這種情況下單依靠人工排故是非常困難的。這就需要專門的、能夠快速、準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)的故障測(cè)距技術(shù)。

早在20世紀(jì)50年代，就提出通過測(cè)量電壓、電流行波在故障點(diǎn)及母線之間的傳播時(shí)間，來測(cè)量輸電線路故障距離。但是，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，早期研制的行波測(cè)距裝置沒有得到大面積的推廣應(yīng)用[1]。而現(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等的快速發(fā)展，電力線路行波故障測(cè)距技術(shù)早已經(jīng)成熟，實(shí)際測(cè)距誤差小于500 m，雙端法時(shí)可以做到小于300 m。本文介紹了一種較新穎的基于電子式互感器的行波測(cè)距技術(shù)。

1　D型雙端測(cè)距原理

D型雙端測(cè)距原理是利用發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的初始行波浪涌到達(dá)線路2端母線時(shí)的絕對(duì)時(shí)間差來計(jì)算故障點(diǎn)距離2端母線距離的。

如圖1所示，為某一單相系統(tǒng)的測(cè)距原理圖。當(dāng)線路S與R之間的某一點(diǎn)F發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)由于電壓突變而產(chǎn)生的初始行波浪涌將以接近光速的的速度由故障點(diǎn)向兩端母線傳播。

圖1　雙端D型行波測(cè)距原理圖Fig.1Schematic of double-ended type D traveling waves fault location

假定行波從母線到故障點(diǎn)的傳播方向?yàn)檎较颍收铣跏夹胁ɡ擞浚ㄒ噪娏餍胁槔┑竭_(dá)S端和R端測(cè)量點(diǎn)時(shí)形成各端初始行波浪涌的時(shí)刻分別為TS和TR，則故障距離可以表示為：

式中：XS和XR分別為S端和R端到故障點(diǎn)的距離；L為線路S與R之間的長(zhǎng)度；v為波速度。

在線路2端裝設(shè)行波采集系統(tǒng)，從而準(zhǔn)確確定故障初始行波浪涌到達(dá)線路兩端測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間。該采集系統(tǒng)必須配備具有高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確定性的同步時(shí)鐘，以保證2端系統(tǒng)的平均時(shí)鐘誤差不超過1 μs。

2　電子式互感器

電子式電流互感器分為電子式電學(xué)電流互感器和電子式光學(xué)電流互感器。其中電子式光學(xué)電流互感器基于法拉第電磁原理，以光纖線圈為主，目前的應(yīng)用范圍尚不廣泛。下面研究基于羅氏線圈的電子式電學(xué)電流互感器的特點(diǎn)。

2.1羅氏線圈的傳變機(jī)理

羅氏線圈是由漆包線均勻繞制在非鐵磁材料骨架上制成的空芯線圈，一次導(dǎo)體垂直穿過骨架的中心，如圖2所示。其傳導(dǎo)率和空氣的相同，互感和自感會(huì)很小。在忽略線圈自感、線圈電阻和分布電容時(shí)，羅氏線圈的輸出電壓US等于感應(yīng)電壓，為

圖2　羅氏線圈原理圖Fig.2Schematic of Rogowski coil

式中：M為母線和線圈之間的互感，為圓形羅氏線圈互感系數(shù)；I1為通過載流導(dǎo)體的電流；U為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。所以有：

可見，母線電流是線圈感應(yīng)電壓的定積分。

2.2羅氏線圈的工作狀態(tài)

羅氏線圈的集中參數(shù)模型如圖3所示。為方便分析，圖中各電壓電流符號(hào)均采用向量符號(hào)表示。圖3中線圈的電感和電阻的計(jì)算公式為

式中：M為互感線圈；N為匝數(shù)；SW為繞線的截面積。

圖3中RS為采樣電阻，它決定了羅氏線圈工作狀態(tài)。羅氏線圈有“微分”和“自積分”2種工作狀態(tài)，在微分工作狀態(tài)時(shí)，羅氏線圈的輸出為一次電流的微分值，自積分工作狀態(tài)下則輸出一次電流的微分或比例信號(hào)[2-3]。

圖3　集中參數(shù)模型Fig.3A lumped parameter model

羅氏線圈的“微分”工作狀態(tài)通過向量圖進(jìn)行解釋，如圖4所示。RS采樣電阻和電容C0組成并聯(lián)電路，有處于微分工作狀態(tài)時(shí)，RS取值一般較大，為數(shù)kΩ，頻率在MHz以下時(shí)電容C0支路仍可近似為開路，此時(shí)電流主要流經(jīng)RS的實(shí)部分量較大，與的夾角α近似為90°，如圖4所示。加之繞線的R0、

L0值均較小，因此和的夾角不大，而與一次電流相差90°，所以與也相差90°，此時(shí)羅氏線圈輸出與輸入之間是微分關(guān)系[4]。

圖4　微分工作狀態(tài)Fig.4Differential working state

3　微分行波測(cè)距

3.1微分行波的特點(diǎn)

線路發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的故障行波浪涌可近似為一直角波，上升非常迅速，下降平緩[4]。因此，故障電流行波可以用一個(gè)雙指數(shù)公式表示為：

式中：τ1為下降時(shí)間常數(shù)；τ2為上升時(shí)間常數(shù)，對(duì)式（7）求導(dǎo)后可得電流行波的微分表達(dá)式為：

由2.2節(jié)分析可知，羅氏線圈的輸出為輸入電流的微分信號(hào)，因此式（8）可以用來表示羅氏線圈輸出的行波微分信號(hào)。圖5為行波與微分行波的對(duì)比圖。

圖5　行波與微分行波對(duì)比圖Fig.5Comparison chart of traveling waves and differential wave

直接利用羅氏線圈輸出的微分行波信號(hào)實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距，不但可以省略積分環(huán)節(jié)，避免因積分環(huán)節(jié)帶寬有限導(dǎo)致行波信號(hào)截波，而且直接利用微分行波信號(hào)可以在測(cè)距裝置算法中，省去了原有的微分算法。

3.2仿真與分析

利用PSCAD軟件以及小信號(hào)的電子式互感器構(gòu)建一個(gè)220 kV的輸電線路模型，如圖6所示，配備雙端行波故障測(cè)距功能，線路設(shè)計(jì)全長(zhǎng)350 km。

圖6　輸電線路仿真模型Fig.6Simulation model of transmission line

結(jié)合第1節(jié)介紹的雙端行波測(cè)距法，直接利用羅氏線圈輸出微分行波信號(hào)來實(shí)現(xiàn)故障定進(jìn)行仿真分析。

設(shè)置不同的故障位置、時(shí)間、類型和接地電阻時(shí)，所測(cè)得的初始微分行波到達(dá)兩端的測(cè)量結(jié)果和誤差如表1所示。測(cè)距中的故障距離都是針對(duì)M端而言的。

表1　雙端故障測(cè)距Tab.1Ranging of double-ended fault location

因試驗(yàn)條件有限，試驗(yàn)過程中只考慮接地故障，通過調(diào)節(jié)設(shè)置故障點(diǎn)距離檢測(cè)模擬測(cè)距的效果，通過表1中數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單分析，采用羅氏線圈微分信號(hào)進(jìn)行行波測(cè)距，故障點(diǎn)的距離長(zhǎng)短對(duì)測(cè)距系統(tǒng)的精度影響很小，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)距方案。

4　總結(jié)

本文針對(duì)羅氏線圈輸出與輸入為微分關(guān)系的特點(diǎn)，提出了直接利用微分信號(hào)實(shí)現(xiàn)行波故障測(cè)距的方法，構(gòu)建了仿真電路并進(jìn)行了驗(yàn)證，表明羅氏線圈輸出的微分信號(hào)在突變點(diǎn)的變化較一次電流行波更為明顯，對(duì)雙端和單端行波故障測(cè)距法的仿真結(jié)果表明測(cè)距結(jié)果準(zhǔn)確。

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（編輯董小兵）

Research of Electronic Transducer Used on Traveling Waves Fault Location

WU Jianwei，ZHANG Haihong
（School of Automation，Nanjing Institute of Mechatronic Technology，Nanjing 211135，Jiangsu，China）

Given that the electronic current transducer based on the Rogowski coil has been widely applied in the power system，this paper presents a travelling wave front identification method based on differential characteristics of the Rogowski coil．The key to realize the fault location is to obtain break-points of the travelling wave surge accurately，especially in the initial surge．The output of the Rogowski coil is a differential signal，which can be directly used for identifying the surge’s mutation point to improve the ability to identify travelling waves．The results of the verification of the method by the simulation as built suggest the differential signal the Rogowsky coil outputs changes at the mutation point more obvious than the primary current travelling wave.The simulation results for the single-end and double-end fault location show that the distance measurement is correct and precise.

electronic transducer；Rogowski coil；traveling waves

1674-3814（2015）06-0012-03

TM452

A

2015-03-07。

武建衛(wèi)（1980—），女，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)閮x器儀表的研究與智能控制技術(shù)；

張海紅（1971—），女，碩士，講師，工程師，主要研究方向是智能控制、PLC。