电缆-架空混合线路行波测距方法研究

2016-08-09黄春胜叶钊

大科技 2016年12期

关键词：架空线双端行波

黄春胜叶钊

（国网黄山供电公司安徽黄山 242700）

电缆-架空混合线路行波测距方法研究

黄春胜叶钊

（国网黄山供电公司安徽黄山 242700）

由于电缆-架空线混合线路中电缆依频特性突出，波头不易准确捕捉，线-缆接头处波阻抗不连续，行波在电缆与架空线路中的波速不恒定，常规的行波测距原理算法无法适用。本文在常规计算原理上提出一种新的行波测距算法，即根据电缆-架空线混合线路的具体结构，以及行波从线路一端传播到线路中某点所需时间，来确定该点的位置。

行波；电缆；架空线；混合线路；测距算法

1 引言

随着城镇化进程的加快和电网建设的推进，现在电力电缆在各个电压等级电力线路中得到了广泛的应用。由于电缆线路一般都在地下，因此在发生故障后定点困难，对于低压电缆来讲，可以采用离线的方法进行测试，但对于高压电缆来讲，很难采用加入高压信号还原故障的方法来对故障进行定点，因此离线方式不能适应高电压等级的线路测距需求。对于电缆——架空混和线路来讲，在发生故障后，也需要对故障进行准确定位，但阻抗法等方法显然也不适应于此种线路故障测距。因此，寻找实用、可靠的方法来对电缆、电缆——架空线路故障进行测距定位，具有现实意义。

快速、准确地确定故障距离，可加快永久故障的修复，及时消除隐患，避免大量瞬时性故障的再次发生，对保证电力系统的安全稳定和经济运行有十分重要的意义。

行波测距是目前公认的电力线路最为精确、使用范围最宽的故障测距技术，且已有在较低电压等级的电缆线路和超高压输电线路故障测距的成功先例，行波法对于电缆、电缆架空混合线路故障测距从工程技术上来讲完全是可以的，但需要对算法、装置以及工程现场做一定的改动，本文据此展开新方法研究。

2 本方法采用的基本原理

本方法采用行波测距原理来实现线路的故障测距，根据实现方式的不同，可分为多种模式，主要有双端行波测距原理（D型）和单端行波测距原理（A型）。

2.1 利用故障电流信号的双端行波测距原理（D型）

线路发生故障时产生向线路两端运动的电压和电流行波，如图1所示。根据故障初始行波到达线路两端母线的时间差，可计算故障距离：

式中：XS、XR分别为故障点到线路两端母线S、R的距离；v为波速度；L为线路全长；TS和TR分别为故障初始行波到达线路两端母线的绝对时刻。

图1 行波测距原理示意图（双端）

对于目前运行的绝大多数输电线路，故障开始行波测距脉冲抵达线路两侧母线后，将会产生一个暂态的电流脉冲信号。输电线路两侧出现暂态电流的时间就是故障开始时行波到来的时间，所以可以利用线路两侧（线路两侧必须具备同一对时时间）收到暂态电流脉冲信号的绝对时间差值来计算故障点到线路两侧测量点的距离，来实现双端行波故障测距，从而定位故障点。

双端测距原理较为简单，结果可靠，但需要安装两台现场装置，并且需要提供精确的时间同步信号。

2.2 采取故障时故障电流信号的单端行波测距原理（A型）

故障开始时行波到达母线后会产生反射波，反射波向故障点运动的，在故障点会又一次被反射，从而回到到母线，如图2所示。根据母线处的反射波从故障点反射回来的时间差△t，计算故障距离：

图2 行波测距原理示意图（单端）

对于目前运行的绝大多数输电线路，通过分析母线处收到的故障点的暂态电流信号，来判断出其中来自故障点的行波分量，从而实现单端行波故障测距。

单端测距的原理只需安装一台设备，资金投入小，但波形分析流程较复杂，不适应本案中电缆——架空线路测距要求。

2.3 适合本方法的行波测距原理

对于电缆线路，可采用双端为主、单端人工辅助校正的方式实现行波故障测距，但对于电缆——架空混合线路来讲，由于行波在架空线路和电缆线路波速度不同，且在架空线和电缆交接处由于阻抗不匹配会有折反射，故使用利用故障电流信号的单端行波测距原理（A型）方法几乎不能准确识别故障波头，也就无法故障测距。利用故障电流信号的双端行波测距原理（D型）的方法由于不需要识别故障反射波，所以架空线和电缆交接处由于阻抗不匹配导致的折反射不会影响本方法，可以应用在混合线路上。

3 达到的目的

对于电缆线路来讲，在故障发生后，实现双端自动测距，给出故障距离（误差不大于100m），以便线路维护人员尽快找到故障点，迅速修复线路，缩短故障停电时间。对于电缆——架空混合线路来说，首先要确定故障所发生的区段在电缆段还是架空段，然后再对故障进行定位，对于电缆段的测距误差，同样要求在100m内。

4 测距系统构成及工作流程

适用于电缆、电缆——架空混合线路的行波故障测距系统由安装在变（配）电所的现场行波测距装置（完成数据采集与处理）、通信网络和安装在调度中心的系统分析主站组成，如图3所示。

图3 行波测距系统构成

系统构成及功能描述:

4.1 行波故障测距装置

当系统所监视的混合线路发生故障后，两端处理系统与行波采集可以非常精确地通过信息网络自动进行故障暂态数据的交换（包括故障暂态波形数据和200ns的故障暂态触发时间），并且能自动分析出双端行波故障测距结果。

当故障输电线路两侧的处理系统与行波采集所记录的故障数据远传到自动化终端的信息综合分析系统后，该系统可以及时自动分析出最终结果。

为了能在所有故障条件下准确得到故障开始时行波行进到达故障线路两侧测量点的时间，因此在双端行波故障测距算法中采用的行波到达时刻规定为故障开始行波行进在第一个小波型最大值所对应的时间。

4.2 人工波形分析

在特定条件下，根据双端行波测距算法分析的测距结果可能并不可靠（尤其是GPS系统工作不正常时）。因此，自动故障测距最终得到的结果往往需要通过对故障时的暂态波形的进一步分析来验证和校正。由于目前技术水平所达到的高度，现有的输电线路暂态行波波形分析技术的应用并不够成熟，所以在本系统中提供了辅助的人工波形分析功能。在特定环境下，可以运用故障录波器对需要记录的波形中各行波行进到达各测量点的时刻进行记录，从而达到对自动双端故障测距的结果直接进行修正，同时可以得到单端行波故障测距结果。一般来讲，由人工波形功能分析得到的独端行波故障测距结果可以检验自动双端行波故障测距结果的可靠性，同时对其进一步进行校正，从而获得更为准确的测距结果。

5 涉及的关键技术

5.1 行波信号的获取

行波在线测距装置需高速采集来自本线路电流互感器（TA）二次侧的三相电流信号，以实现高分辨率的故障区段识别。因此，对于电缆线路，要根据实际情况来确定现场是否要加装TA。如电缆末端没有电源时，则需采集电压信号以实现双端测距，因此需要加装电压互感器（TV）。

5.2 高速数据采集

当电缆与架空线连接点附近发生故障时，为了保证故障定位模糊区不超过100m，因此行波信号采样频率一般不应少于2000kHz。

5.3 精确时间同步

当电缆——架空线连接点附近发生故障时，为了保证电缆线路故障定位模糊区不超过100m，混合线路两端行波在线测距装置之间的时钟误差应不超过200ns。因此，需要在两端加装高精度时间同步装置（模块）。

5.4 远程通信

在条件允许的情况下，线路两端行波在线测距装置系统之间最好能够通过专用或复用的网络通道交换故障时间数据，以便提高数据通信效率。

5.5 混合线路双端行波测距算法

常规的D型双端行波故障测距原理算法适用于波速度恒定的电力线路，不适用于波速度不连续的电缆——架空混合线路。

对于一段电缆——架空混合输电线路，线路结构数据具体完整，以及暂态行波在电缆——架空混合输电线路的传播速度，就可以计算出此行波在电缆——架空混合输电线路中的传播时间。同理如果已知混合输电线路的具体结构和行波从输电线路一侧传播到该线路中某一位置所需的时间时，就可以判断出该点的具体位置。根据上述所讲的原理，得出适用于电缆——架空混合线路的行波故障测距新方法：时间中点法，其实现步骤如下：

（1）需要确定混合线路具体的结构参数，包括所有电缆和架空线的实际波速度ν2、ν1以及线路长度。

（2）通过已知的输电线路具体结构参数来确定混合输电线路的时间中点T0（行波信号从该点传播到混合线路两端的时间相等）。

（3）判断故障寻找方向。假设在输电线路N端和M端收到的行波波头抵达的时间为TN、TM，定义一下时间参量△t=TM-TN。如果△t<0，则故障点必定在T0M段线路上，因此从T0点开始向M端搜索故障点；若△t>0，则故障点必定在T0N段线路上，则从T0点开始向N端搜索故障点；若△t=0，T0点即为故障点。

（4）确定故障点。行波从T0点沿故障查询方向传播△t/2时间到达的地方即为故障点。

假设图4中的K点发生故障，行波以波速度ν1在T0A段架空线中运动需要的时间为t1，以波速度ν2在AB段电缆中运动需要的时间为t2，在BC段架空线中运动需要的时间为t3。根据线路两端检测到的行波波头到达时间计算出参量△t，沿故障搜索方向从T0点向M端搜索，首先判断△t/2与t1的关系，若△t/2t1，继续向前搜索，然后判断△t/2与t1+t2的关系，依次类推，最终判断出t1+t2<△t/2