電纜-架空混合線路行波測距方法研究

黃春勝 葉釗

（國網(wǎng)黃山供電公司 安徽黃山 242700）

電纜-架空混合線路行波測距方法研究

黃春勝 葉釗

（國網(wǎng)黃山供電公司 安徽黃山 242700）

由于電纜-架空線混合線路中電纜依頻特性突出，波頭不易準(zhǔn)確捕捉，線-纜接頭處波阻抗不連續(xù)，行波在電纜與架空線路中的波速不恒定，常規(guī)的行波測距原理算法無法適用。本文在常規(guī)計算原理上提出一種新的行波測距算法，即根據(jù)電纜-架空線混合線路的具體結(jié)構(gòu)，以及行波從線路一端傳播到線路中某點所需時間，來確定該點的位置。

行波；電纜；架空線；混合線路；測距算法

1 引言

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快和電網(wǎng)建設(shè)的推進，現(xiàn)在電力電纜在各個電壓等級電力線路中得到了廣泛的應(yīng)用。由于電纜線路一般都在地下，因此在發(fā)生故障后定點困難，對于低壓電纜來講，可以采用離線的方法進行測試，但對于高壓電纜來講，很難采用加入高壓信號還原故障的方法來對故障進行定點，因此離線方式不能適應(yīng)高電壓等級的線路測距需求。對于電纜——架空混和線路來講，在發(fā)生故障后，也需要對故障進行準(zhǔn)確定位，但阻抗法等方法顯然也不適應(yīng)于此種線路故障測距。因此，尋找實用、可靠的方法來對電纜、電纜——架空線路故障進行測距定位，具有現(xiàn)實意義。

快速、準(zhǔn)確地確定故障距離，可加快永久故障的修復(fù)，及時消除隱患，避免大量瞬時性故障的再次發(fā)生，對保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行有十分重要的意義。

行波測距是目前公認(rèn)的電力線路最為精確、使用范圍最寬的故障測距技術(shù)，且已有在較低電壓等級的電纜線路和超高壓輸電線路故障測距的成功先例，行波法對于電纜、電纜架空混合線路故障測距從工程技術(shù)上來講完全是可以的，但需要對算法、裝置以及工程現(xiàn)場做一定的改動，本文據(jù)此展開新方法研究。

2 本方法采用的基本原理

本方法采用行波測距原理來實現(xiàn)線路的故障測距，根據(jù)實現(xiàn)方式的不同，可分為多種模式，主要有雙端行波測距原理（D型）和單端行波測距原理（A型）。

2.1 利用故障電流信號的雙端行波測距原理（D型）

線路發(fā)生故障時產(chǎn)生向線路兩端運動的電壓和電流行波，如圖1所示。根據(jù)故障初始行波到達線路兩端母線的時間差，可計算故障距離：

式中：XS、XR分別為故障點到線路兩端母線S、R的距離；v為波速度；L為線路全長；TS和TR分別為故障初始行波到達線路兩端母線的絕對時刻。

圖1 行波測距原理示意圖（雙端）

對于目前運行的絕大多數(shù)輸電線路，故障開始行波測距脈沖抵達線路兩側(cè)母線后，將會產(chǎn)生一個暫態(tài)的電流脈沖信號。輸電線路兩側(cè)出現(xiàn)暫態(tài)電流的時間就是故障開始時行波到來的時間，所以可以利用線路兩側(cè)（線路兩側(cè)必須具備同一對時時間）收到暫態(tài)電流脈沖信號的絕對時間差值來計算故障點到線路兩側(cè)測量點的距離，來實現(xiàn)雙端行波故障測距，從而定位故障點。

雙端測距原理較為簡單，結(jié)果可靠，但需要安裝兩臺現(xiàn)場裝置，并且需要提供精確的時間同步信號。

2.2 采取故障時故障電流信號的單端行波測距原理（A型）

故障開始時行波到達母線后會產(chǎn)生反射波，反射波向故障點運動的，在故障點會又一次被反射，從而回到到母線，如圖2所示。根據(jù)母線處的反射波從故障點反射回來的時間差△t，計算故障距離：

圖2 行波測距原理示意圖（單端）

對于目前運行的絕大多數(shù)輸電線路，通過分析母線處收到的故障點的暫態(tài)電流信號，來判斷出其中來自故障點的行波分量，從而實現(xiàn)單端行波故障測距。

單端測距的原理只需安裝一臺設(shè)備，資金投入小，但波形分析流程較復(fù)雜，不適應(yīng)本案中電纜——架空線路測距要求。

2.3 適合本方法的行波測距原理

對于電纜線路，可采用雙端為主、單端人工輔助校正的方式實現(xiàn)行波故障測距，但對于電纜——架空混合線路來講，由于行波在架空線路和電纜線路波速度不同，且在架空線和電纜交接處由于阻抗不匹配會有折反射，故使用利用故障電流信號的單端行波測距原理（A型）方法幾乎不能準(zhǔn)確識別故障波頭，也就無法故障測距。利用故障電流信號的雙端行波測距原理（D型）的方法由于不需要識別故障反射波，所以架空線和電纜交接處由于阻抗不匹配導(dǎo)致的折反射不會影響本方法，可以應(yīng)用在混合線路上。

3 達到的目的

對于電纜線路來講，在故障發(fā)生后，實現(xiàn)雙端自動測距，給出故障距離（誤差不大于100m），以便線路維護人員盡快找到故障點，迅速修復(fù)線路，縮短故障停電時間。對于電纜——架空混合線路來說，首先要確定故障所發(fā)生的區(qū)段在電纜段還是架空段，然后再對故障進行定位，對于電纜段的測距誤差，同樣要求在100m內(nèi)。

4 測距系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程

適用于電纜、電纜——架空混合線路的行波故障測距系統(tǒng)由安裝在變（配）電所的現(xiàn)場行波測距裝置（完成數(shù)據(jù)采集與處理）、通信網(wǎng)絡(luò)和安裝在調(diào)度中心的系統(tǒng)分析主站組成，如圖3所示。

圖3 行波測距系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成及功能描述:

4.1 行波故障測距裝置

當(dāng)系統(tǒng)所監(jiān)視的混合線路發(fā)生故障后，兩端處理系統(tǒng)與行波采集可以非常精確地通過信息網(wǎng)絡(luò)自動進行故障暫態(tài)數(shù)據(jù)的交換（包括故障暫態(tài)波形數(shù)據(jù)和200ns的故障暫態(tài)觸發(fā)時間），并且能自動分析出雙端行波故障測距結(jié)果。

當(dāng)故障輸電線路兩側(cè)的處理系統(tǒng)與行波采集所記錄的故障數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到自動化終端的信息綜合分析系統(tǒng)后，該系統(tǒng)可以及時自動分析出最終結(jié)果。

為了能在所有故障條件下準(zhǔn)確得到故障開始時行波行進到達故障線路兩側(cè)測量點的時間，因此在雙端行波故障測距算法中采用的行波到達時刻規(guī)定為故障開始行波行進在第一個小波型最大值所對應(yīng)的時間。

4.2 人工波形分析

在特定條件下，根據(jù)雙端行波測距算法分析的測距結(jié)果可能并不可靠（尤其是GPS系統(tǒng)工作不正常時）。因此，自動故障測距最終得到的結(jié)果往往需要通過對故障時的暫態(tài)波形的進一步分析來驗證和校正。由于目前技術(shù)水平所達到的高度，現(xiàn)有的輸電線路暫態(tài)行波波形分析技術(shù)的應(yīng)用并不夠成熟，所以在本系統(tǒng)中提供了輔助的人工波形分析功能。在特定環(huán)境下，可以運用故障錄波器對需要記錄的波形中各行波行進到達各測量點的時刻進行記錄，從而達到對自動雙端故障測距的結(jié)果直接進行修正，同時可以得到單端行波故障測距結(jié)果。一般來講，由人工波形功能分析得到的獨端行波故障測距結(jié)果可以檢驗自動雙端行波故障測距結(jié)果的可靠性，同時對其進一步進行校正，從而獲得更為準(zhǔn)確的測距結(jié)果。

5 涉及的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 行波信號的獲取

行波在線測距裝置需高速采集來自本線路電流互感器（TA）二次側(cè)的三相電流信號，以實現(xiàn)高分辨率的故障區(qū)段識別。因此，對于電纜線路，要根據(jù)實際情況來確定現(xiàn)場是否要加裝TA。如電纜末端沒有電源時，則需采集電壓信號以實現(xiàn)雙端測距，因此需要加裝電壓互感器（TV）。

5.2 高速數(shù)據(jù)采集

當(dāng)電纜與架空線連接點附近發(fā)生故障時，為了保證故障定位模糊區(qū)不超過100m，因此行波信號采樣頻率一般不應(yīng)少于2000kHz。

5.3 精確時間同步

當(dāng)電纜——架空線連接點附近發(fā)生故障時，為了保證電纜線路故障定位模糊區(qū)不超過100m，混合線路兩端行波在線測距裝置之間的時鐘誤差應(yīng)不超過200ns。因此，需要在兩端加裝高精度時間同步裝置（模塊）。

5.4 遠(yuǎn)程通信

在條件允許的情況下，線路兩端行波在線測距裝置系統(tǒng)之間最好能夠通過專用或復(fù)用的網(wǎng)絡(luò)通道交換故障時間數(shù)據(jù)，以便提高數(shù)據(jù)通信效率。

5.5 混合線路雙端行波測距算法

常規(guī)的D型雙端行波故障測距原理算法適用于波速度恒定的電力線路，不適用于波速度不連續(xù)的電纜——架空混合線路。

對于一段電纜——架空混合輸電線路，線路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)具體完整，以及暫態(tài)行波在電纜——架空混合輸電線路的傳播速度，就可以計算出此行波在電纜——架空混合輸電線路中的傳播時間。同理如果已知混合輸電線路的具體結(jié)構(gòu)和行波從輸電線路一側(cè)傳播到該線路中某一位置所需的時間時，就可以判斷出該點的具體位置。根據(jù)上述所講的原理，得出適用于電纜——架空混合線路的行波故障測距新方法：時間中點法，其實現(xiàn)步驟如下：

（1）需要確定混合線路具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括所有電纜和架空線的實際波速度ν2、ν1以及線路長度。

（2）通過已知的輸電線路具體結(jié)構(gòu)參數(shù)來確定混合輸電線路的時間中點T0（行波信號從該點傳播到混合線路兩端的時間相等）。

（3）判斷故障尋找方向。假設(shè)在輸電線路N端和M端收到的行波波頭抵達的時間為TN、TM，定義一下時間參量△t=TM-TN。如果△t<0，則故障點必定在T0M段線路上，因此從T0點開始向M端搜索故障點；若△t>0，則故障點必定在T0N段線路上，則從T0點開始向N端搜索故障點；若△t=0，T0點即為故障點。

（4）確定故障點。行波從T0點沿故障查詢方向傳播△t/2時間到達的地方即為故障點。

假設(shè)圖4中的K點發(fā)生故障，行波以波速度ν1在T0A段架空線中運動需要的時間為t1，以波速度ν2在AB段電纜中運動需要的時間為t2，在BC段架空線中運動需要的時間為t3。根據(jù)線路兩端檢測到的行波波頭到達時間計算出參量△t，沿故障搜索方向從T0點向M端搜索，首先判斷△t/2與t1的關(guān)系，若△t/2t1，繼續(xù)向前搜索，然后判斷△t/2與t1+t2的關(guān)系，依次類推，最終判斷出t1+t2<△t/2

圖4 混合線路結(jié)構(gòu)圖

時間中點法不受介質(zhì)種類的影響，可適用于多種介質(zhì)并存（多種波速度）的配電混合線路。

6 結(jié)論

行波測距是目前公認(rèn)的電力線路最為精確、使用范圍最寬的故障測距技術(shù)，且已有在較低電壓等級的電纜線路和超高壓輸電線路故障測距的成功先例，行波法對于電纜、電纜——架空混合線路故障測距是可行的。在解決了使用的關(guān)鍵技術(shù)后，行波法在電纜、電纜架空混合線路中將得到更多的應(yīng)用。

TM247

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1004-7344（2016）12-0071-02

2016-4-10