基于电压行波原理故障测距的相关问题研究

孟 荣 徐红元 渠红涛

（河北省电力公司超高压输变电分公司，石家庄 050071）

线路发生故障后迅速准确地找到故障点，不仅对及时修复线路和快速恢复供电，而且对整个电力系统的安全稳定和经济运行都有着十分重要的意义。传统的继电保护装置和故障录波器均采用距离测距原理，距离测距原理易受短路点过渡电阻、线路串补电容及非工频分量的影响造成测距不准。近年来，故障行波测距技术得到了较快的发展，出现了许多行波故障测距算法和原理，随着行波理论和小波变换技术的不断完善，以及电子制造技术的发展，电力故障行波测距技术已进入快速实用化阶段。故障行波测距技术的推广应用将彻底解决距离测距原理测距不准确的问题。

1 电流和电压原理的行波测距的比较

现阶段应用的行波测距装置分为电流型和电压型两种原理，其中大多数为电流型行波故障测距。一般认为高压线路上广泛采用的电容式电压互感器（CVT），其行波传变特性不佳，电压行波故障测距的应用受到了较大的限制。这是因为受制于提取行波信号手段、及采样率低等缘故。

当输电线路发生故障时，在线路两端每相都有电流行波和电压行波产生。

电流行波和电压行波的相同点是：

1）都是高频暂态信号频率高，一般具有幅值较大的行波波头。

2）行波波头变化最为明显的是在第一波头，以后经母线、变压器、阻波器、故障点等多处反射和折射后，幅值有明显的衰减。

电流行波和电压行波的不同点是：

1）电压行波和电流行波在幅值上有较大的差异，系统阻抗较大时，电压行波突变量比电流行波突变量相对幅值大，理论上较易测量。另外，非雷击绝缘自然破坏时，通常易发生在电压峰值附近，电压行波较电流行波灵敏度高；从理论上，电压行波由幅值比较大，较易测量。

2）电流行波的采集信号受电晕干扰较大，对数据进行小波分析时，有时会出现波头定时不准，造成测距稳定性、可靠性和准确性不高。

3）仅用电流行波信号时，若装置本身原因导致起动失灵，导致测距失败。

4）电压行波测距，不仅具有高灵敏度，而且只需安装在母线上。如果在电网的每个变电站安装一套电压行波测距装置，通过检测母线电压行波信号，可以检测来自整个输电网的故障电压行波，形成GPS行波测量网络，实现了对各种故障的准确记录和测距，并可方便地实现波速地在线调整。

2 利用CVT二次电压行波进行测距的可行性论证

从图1中可以看出，一次电压具有明显的行波特征，在初始行波和反射电压行波到达时出现电压奇异。CVT内部电感和电容的谐振造成CVT的频率响应有多个谐振点，高频响应不佳，特别是谐振型阻尼CVT，CVT内部储能导致二次电压不能快速跟随一次电压变化，虽然速饱和电抗型阻尼CVT储能大大少于谐振型阻尼CVT，但是由于CVT内部的杂散电容，其高频响应和高频信号跟踪能力仍然不尽人意，一次电压行波波头经过CVT，引发CVT低频和高频振荡，行波波头被平滑和拉伸，且对应初始行波的到来，二次电压在故障点存在明显的高频振荡，如图1所示。后续行波由于经过线路的衰减和故障点、母线处的折反射，幅度大大降低，但是仍然能在CVT二次电压中反映出来，如图1所示。可见，尽管CVT二次电压行波特征不如一次电压明显的，但是一次行波的到来仍然能在二次电压中反映出来，也就是说 CVT二次电压虽然不能真实传变一次电压行波，但是在二次电压中包含了一次行波达到的信息，其中初始行波最为明显，后续折反射波检测也比较清晰。因此，直接借助CVT二次电压仍然可以实现故障行波测距的功能。

图1 CVT一次、二次电压初始行波与反射波

3 保证电压行波故障测距准确性的两个重要方法

3.1 小波变换的应用

输电线路扰动暂态信号和故障暂态行波信号中包含了比工频更丰富的故障信息、开关操作信息、输电线路雷击信息。小波在时域、频域都具有表征信号局部特征的能力，能够同时从时域和频域描述奇异信号的每一个细节，在处理输电线路故障等非平稳暂态信号等领域具有独特的优势，所以在故障后的行波奇异性检测方面受到关注和应用。CVT二次电压小波变换在较高尺度上行波奇异处具有明显的模极大值，模极大值极性与电压行波突变极性一致，测距装置能准确检测出CVT二次电压对应初始行波达到的畸变点。结合小波变换模极大值方法，可以实现行波奇异极性和突变点的检测。

3.2 高速数据采集

高速采集的电压信号受噪声干扰的影响小，有利于对电压信号的数据处理。以5MHz的高速采样、高性能A/D转换器，使一些在低速采样时容易“采空”的行波极大值被采到，更能精确地捕获行波波头，现场实际运行情况表明：测距误差小于300m。如图2所示高速数据采集基于DSP、FPGA为基本结构的数据采集平台。主要完成电压行波信号的高速数据采集和缓存，接受GPS对时信号，同步采样调整；支持PCI总线，并通过PCI总线获得高速采集的运行状况；接受开关量启动信号，进行行波数据记录。

图2 高速数据采集工作原理框图

4 应用情况及发展前景

采用电压行波原理，经高速数据采集直接提取CVT二次侧电压，经小波分析后，利用输入的故障线路的参数即可测出故障距离。目前已在宁夏电网、福建电网等得到了较好的应用，并且进行测距组网。电压行波故障测距装置运行稳定，安装简便，操作简单，自动化程度高，定位精确。随着电压行波故障测距装置的推广，将对输电线路测距功能的补充和完善具有很十分重要的意义。

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