架空線-電纜混合線路故障行波信號(hào)識(shí)別的研究

王升，徐偉（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東珠?！?19000）

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架空線-電纜混合線路故障行波信號(hào)識(shí)別的研究

王升，徐偉
（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東珠海519000）

摘要：針對(duì)架空-電纜混合線路中的高阻瞬時(shí)接地故障和架空線路雷擊故障，提出采用電流故障行波的2個(gè)特征頻帶中的頻譜能量比和波形系數(shù)來有效區(qū)分雷擊非故障與雷擊故障、高阻弧光接地故障的思想。利用電磁暫態(tài)軟件建立仿真模型對(duì)架空-電纜混合線路的各種雷擊情況進(jìn)行了仿真，并且對(duì)故障行波信號(hào)進(jìn)行了識(shí)別研究。仿真結(jié)果表明，采用的雷擊識(shí)別方法可以有效識(shí)別不同類型的故障。

關(guān)鍵詞：架空-電纜混合線路；故障識(shí)別；故障行波

Project SuPPorted bY the Co11aborative Innovation Program of Shaanxi Province（2014XT-07）；Techno1ogY Innovation Program for Staff Members of Guangdong Power Grid Co.，Ltd.

KEY W0RDS：cab1e-overhead mixed 1ine；fau1t recognition；fau1t trave1ing wave

電力電纜具有安全、可靠，布線有利于美化城市與優(yōu)化廠礦布局等優(yōu)點(diǎn)。隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，電纜網(wǎng)絡(luò)供電取代原有的架空線路供電，已成為城市電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于高壓電纜的投資造價(jià)相當(dāng)高，大部分能利用架空線路的路徑，一般不采用單純的電纜供電方式，這就出現(xiàn)了許多電纜和架空線混合的高壓線路。

電力線路行波故障測(cè)距技術(shù)因其具有測(cè)距精度高和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，一直為繼電保護(hù)專業(yè)人員所關(guān)注［1-2］。自20世紀(jì)90年代以來，現(xiàn)代行波故障測(cè)距技術(shù)在220～500 kV線路上獲得越來越廣泛的實(shí)際應(yīng)用［2-7］。實(shí)際應(yīng)用表明，現(xiàn)代行波故障測(cè)距技術(shù)的定位誤差，對(duì)于單純架空線路或電纜線路，精度可以達(dá)到500 m以內(nèi)。

但該測(cè)距方法在實(shí)現(xiàn)架空線-電纜混合線路時(shí)，主要存在以下幾個(gè)問題：輸電線路上暫態(tài)行波分量提取的準(zhǔn)確性不高，故障點(diǎn)反射波難以辨別和標(biāo)定及波速度不易確定等。這幾個(gè)問題的存在嚴(yán)重制約著線路故障的精確測(cè)距。對(duì)于架空和電纜混合線路，如不能準(zhǔn)確地判斷出故障點(diǎn)所在線路區(qū)段，則被迫將重合閘停用，嚴(yán)重影響了用戶供電可靠性。

一條混合線路一旦發(fā)生故障，首先要區(qū)分故障到底是發(fā)生在電纜區(qū)段還是架空線路區(qū)段。如果架空線-電纜混合線路區(qū)段比較復(fù)雜，很難通過距離進(jìn)行判斷。

對(duì)于架空線路，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%以上的閃絡(luò)故障都是由雷擊引起的絕緣子閃絡(luò)［8］；對(duì)于電纜線路，由于電纜本身的特點(diǎn)，很容易發(fā)生高阻接地故障。這兩種故障共同的特點(diǎn)為故障電流較小，波頭較陡，比較難區(qū)分其行波信號(hào)，有很大的幾率造成故障的誤判。故本文主要針對(duì)高阻瞬時(shí)接地故障和線路雷擊故障這兩種類型的故障進(jìn)行研究。研究不同故障的行波信號(hào)，進(jìn)一步區(qū)分故障的類型，對(duì)于線路故障判斷、線路預(yù)防性保護(hù)和重合閘的控制方案制定等都具有重要的意義。

1　高阻接地故障及行波信號(hào)分析

本文采用MaYr電弧模型來模擬高阻弧光接地現(xiàn)象，研究故障的發(fā)展過程。MaYr電弧模型的表達(dá)式為：

式中：g為單位長(zhǎng)度電弧電導(dǎo)，S；τm為電弧慣性時(shí)間常數(shù)；E為單位長(zhǎng)度電弧電勢(shì)，cm；i為電弧電流，A；Pm為單位長(zhǎng)度電弧能量損耗，W。

在式（1）中，當(dāng)電弧長(zhǎng)度保持恒定，即單位長(zhǎng)度電弧電勢(shì)E隨電弧電壓線性變化時(shí)，決定電弧能否持續(xù)燃燒的關(guān)鍵變量是單位長(zhǎng)度電弧的能量損耗Pm與電弧慣性時(shí)間常數(shù)τm，改變這兩個(gè)參數(shù)可以模擬瞬時(shí)弧光接地、間歇性弧光接地和永久性弧光接地。

利用EMTP仿真軟件建立MaYr電弧模型，如圖1所示為典型電纜-架空混合線路的多回電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1　典型電纜-架空混合線路的多回電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 The structure of the typical overhead line and cable hybrid circuit

在線路1距離母線5 km處發(fā)生A相弧光高阻接地故障，令τm=9×10-5，Pm=9×104W，電弧長(zhǎng)度20 cm，模擬線路瞬時(shí)性弧光接地，得到電弧電壓、母線零序電壓、零序電流，如圖2所示。

2　雷電波的行波信號(hào)及對(duì)比分析

雷電沖擊通常為一單極性脈沖電流波，上升時(shí)間和下降時(shí)間都很短，具有明顯的高頻特性。雷擊輸電線路時(shí)，所注入的雷電流將以行波的形式向輸電線路兩端傳播，并在不連續(xù)點(diǎn)上發(fā)生折反射，形成一系列的高頻干擾信號(hào)，易引起行波保護(hù)的誤動(dòng)作。所以，基于行波原理的保護(hù)必須具有防雷電干擾誤動(dòng)措施，必須能正確識(shí)別以下3種情況：

圖2　瞬時(shí)性弧光接地故障仿真Fig. 2 Simulation of the transient Arc grounding fault

1）雷擊輸電線路，未引起輸電線路故障。

2）雷擊輸電線路，引起輸電線路故障。

3）普通高阻弧光接地故障。

行波保護(hù)裝置對(duì)1）要可靠不動(dòng)作；對(duì)2）要允許重合閘動(dòng)作；對(duì)3）要可靠動(dòng)作。

由于雷云放電時(shí)，受到各種因素的影響，雷電流的波形和幅值具有一定的隨機(jī)性。但實(shí)測(cè)表明，雷電流的幅值、陡度、波頭和波尾雖然有一定差別，但都是單極性脈沖波，一般可以用一個(gè)雙指數(shù)函數(shù)來描述：

式中：I0為雷電流幅值；T1、T2分別為波頭和波尾部時(shí)間常數(shù)。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，雷電流的波頭一般在1～5 μs的范圍內(nèi)變化，半峰時(shí)間一般在20～100 μs的范圍內(nèi)變化。

以IEC規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)雷電波（波頭為1.2 μs、半峰時(shí)間為50 μs）為研究對(duì)象來分析雷電波的特征。對(duì)圖3的標(biāo)準(zhǔn)雷電波進(jìn)行頻譜分析，數(shù)據(jù)窗為2 ms，如圖4所示。由圖4可知，由于標(biāo)準(zhǔn)雷電波是波頭和波尾時(shí)間很短、幅值很大的突變信號(hào)，信號(hào)中包含了很多高頻分量，在5～10 kHz以下的頻率成分與0～5 kHz的頻率成分含量處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。

而故障后電流行波由附加電源產(chǎn)生，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析中疊加原理的方法，故障附加電源是一個(gè)工頻電壓源，其幅值大小等于故障前線路在故障點(diǎn)的電壓，極性相反。故障后電流行波的初始波可以簡(jiǎn)單表示為：

圖3　標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波（2.6/40 μs）Fig. 3 Standard Lightning shock wave（2.6/40 s）

圖4　標(biāo)準(zhǔn)雷電波頻率響應(yīng)Fig. 4 Frequency response of standard lightning wave

式中：Im為故障電流幅值；f1為工頻；φ0為故障初始角。故障初始行波在波阻抗不連續(xù)處會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的折反射，在故障后的暫態(tài)過程中，電流故障行波具有明顯的高頻特性。

圖5（a）是如圖1所示線路1上單相短路后的a1Pha模量電流故障行波；圖5（b）是故障后2 ms時(shí)間窗內(nèi)的局部放大圖。由圖5可知，在故障行波波頭之間的電流具有明顯的工頻電流特征，變化較平滑。對(duì)圖5（b）進(jìn)行頻譜分析，如圖6所示。

圖5　電流故障行波模量圖Fig. 5 Current fault traveling wave modulus

由圖6可知，電流故障行波的頻譜主要是在1 kHz以下的頻段，這是由于故障附加電源是由工頻性質(zhì)決定的，在2～10 kHz頻帶中的頻率成分比0～1 kHz頻帶中頻率成分含量顯然要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，這個(gè)特征可以作為識(shí)別雷電行波非故障和高阻弧光接地故障行波的有力判據(jù)。而對(duì)于雷擊后引起輸電線路故障的情況，雷擊識(shí)別元件（LSRR）同樣需要有效識(shí)別，雷擊輸電線路故障后的行波，同時(shí)包含了故障行波和雷電行波，可表示為：

由式（4）可知，當(dāng)雷電流幅值I0和故障初始行波電流幅值Im隨著雷擊和故障情況的不同時(shí)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的結(jié)果顯然也是不同的，即比值σ= I0/Im的大小受到雷擊位置、雷電波參數(shù)及故障情況影響變化較大，一般σ=1～10。對(duì)一典型的雷擊后故障情況進(jìn)行頻譜分析，對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，如圖7所示（雷電波波頭被截波）。

對(duì)圖4、圖6、圖8 3種情況下的電流行波頻譜圖（特別是10 kHz以下的頻段）進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)3種情況下頻譜特性具有明顯差別：

圖6　電流故障行波幅頻響應(yīng)圖Fig. 6 Amplitude frequency response of current fault traveling wave

圖7　雷擊后故障時(shí)電流故障行波Fig. 7 Current fault traveling waves after lightning strike

1）雷擊非故障時(shí)，頻譜圖中0～6 kHz頻率分量的含量幾乎處于同一數(shù)量級(jí)，歸一化后的直流分量為1，而6 kHz時(shí)為0.5左右。若以E1表示0～3 kHz頻譜能量，E2表示3～6 kHz頻譜能量，則對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)雷電波，比值E1/E2≈1.5。

2）高阻弧光接地故障時(shí)，頻譜圖中1 kHz以下頻率分量明顯高于1～10 kHz頻段的其他頻率成分，能量比E1/E2≈100。

圖8　雷擊后故障時(shí)電流故障行波頻譜圖Fig. 8 Spectrum of the current fault traveling wave after lightning strike

3）高阻弧光接地故障時(shí)，頻譜圖中1 kHz以下頻率分量明顯高于1～10 kHz頻段的其他頻率成分，能量比E1/E2≈100。

綜上，取0～3 kHz為第一個(gè)特征頻帶，計(jì)算其能量E1；取3～6 kHz為第二個(gè)特征頻帶，計(jì)算其能量E2，并以能量比δ=E1/E2作為判據(jù)，來區(qū)分雷擊非故障與雷擊故障及高阻弧光接地故障的判據(jù)，下文將重點(diǎn)分析雷擊非故障和雷擊故障的區(qū)別。

3　雷電行波與故障行波時(shí)域特征

定義波形系數(shù)λ=KT1/KT2，其中KT1為波頭斜率系數(shù)；KT2稱為波尾斜率系數(shù)。對(duì)于雷擊非故障，波形系數(shù)λ大于10，而對(duì)于雷擊故障，波形系數(shù)λ約為1。需要說明的是圖9和圖10對(duì)應(yīng)的是雷擊后弱故障（過渡電阻Rg為300 Ω，且故障初始角φ為20°的A相接地故障）。很顯然，波形系數(shù)對(duì)于雷擊非故障和雷擊故障的區(qū)分度很好，且波形系數(shù)不受故障后是否為弱故障的影響。因?yàn)橹灰讚艉蟀l(fā)生故障，則在雷電波的半峰值左右就會(huì)發(fā)生明顯的截波現(xiàn)象，通過小波變換后波尾變化率系數(shù)KT2和波頭斜率KT1系數(shù)是同一數(shù)量級(jí)；而雷擊非故障時(shí)，波尾系數(shù)的大小取決于雷電波的形狀，根據(jù)現(xiàn)有雷電波的錄波結(jié)果，一般波尾斜率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波頭斜率。所以波形系數(shù)可以有效區(qū)分雷擊非故障和雷擊故障。

圖9　電流故障行波alpha模量Fig. 9 Alpha modulus of the current fault traveling wave

圖10　電流故障行波alpha模量小波變換模極大值Fig. 10 Wavelet transform for alpha modulus of the current fault traveling wave

4　結(jié)果分析

通過對(duì)時(shí)域、頻域特征的分析，可以有效區(qū)分雷擊故障、雷擊非故障和高阻弧光接地故障3種情況。根據(jù)圖1中所示的電力系統(tǒng)在電磁暫態(tài)仿真軟件EMTP/ATP中建立仿真模型，避雷器的模型及參數(shù)采取IEEE避雷器工作組推薦的避雷器模型，對(duì)雷擊故障、雷擊非故障和高阻弧光接地故障3種情況下，進(jìn)行了大量的仿真，仿真結(jié)果表明時(shí)域和頻域特征可以有效區(qū)分雷擊非故障與雷擊故障、高阻弧光接地故障。部分仿真結(jié)果如表1所示。

表1　雷電波仿真結(jié)果Tab. 1 Simulation results of lightning wave

由表1可知，可以采用電流故障行波的兩個(gè)特征頻帶E1（0～3 kHz）和E2（3～6 kHz）中的頻譜能量比及波形系數(shù)來有效區(qū)分雷擊非故障與雷擊故障、高阻弧光接地故障。在電磁暫態(tài)軟件中建立仿真模型，對(duì)各種雷擊情況進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，本文采用的雷擊識(shí)別方法可以有效識(shí)別雷擊非故障與雷擊故障、高阻弧光接地故障，大大提高了行波保護(hù)的抗干擾性能。

5　結(jié)論

本文主要針對(duì)高阻瞬時(shí)接地故障和架空線路雷擊故障，對(duì)其故障行波信號(hào)的識(shí)別進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

采用電流故障行波的2個(gè)特征頻帶E1（0～3 kHz）和E2（3～6 kHz）中的頻譜能量比及波形系數(shù)可以有效區(qū)分雷擊非故障與雷擊故障、高阻弧光接地故障。在電磁暫態(tài)軟件中建立仿真模型，對(duì)各種雷擊情況進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，本文采用的雷擊識(shí)別方法可以有效識(shí)別雷擊非故障與雷擊故障、普通故障，大大提高了行波保護(hù)的抗干擾性能。

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Research on Signal Recognition of Fault Traveling Wave for Cable-0verhead Mixed Line

WANG Sheng，XU Wei
（Zhuhai Power SuPP1Y Bureau，Guangdong Power Grid CorPoration，Zhuhai 519000，Guangdong，China）

ABSTRACT：This PaPer dea1s with fau1t recognition of the cab1e-overhead mixed 1ine. With focus on the high resistance instantaneous ground fau1t and overhead 1ine 1ightning fau1t of the mixed 1ine，the PaPer ProPoses that the sPectrum energY ratio of two characteristic frequencY bands and waveform factor in the fau1t current trave1ing wave be used to distinguish non 1ightning strike fau1t，1ightning fau1t and high imPedance arc ground fau1t. The simu1ation mode1 of the e1ectromagnetic transient software is used to simu1ate the 1ightning strike on the cab1e-overhead mixed 1ine；meanwhi1e，the fau1t trave1ing wave signa1 is identified. The simu1ation resu1ts show that the method ProPosed can effective1Y identifY three kinds of fau1ts.

文章編號(hào)：1674-3814（2016）04-0052-06中圖分類號(hào)：TM247

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：陜西省協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2014XT-07）；廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司職工技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目。

收稿日期：2015-12-11。

作者簡(jiǎn)介：

王升（1985—），男，本科，工程師，從事高壓試驗(yàn)研究工作。

（編輯董小兵）