PCB電壓行波傳感器精確故障定位仿真

文/劉柏罕 賀達江 丁黎明 宋宏彪

1 引言

圖1：PCB電壓行波傳感器高頻暫態仿真模型

電網在發生故障、雷擊、操作時均會產生暫態行波信號，行波信號會在輸電線路中以光速進行傳播，在波阻抗不連續的地方會存在折射和反射現象。行波信號因其特殊性，為一種高頻信號，其檢測的關鍵是檢測行波信號突變波頭的時刻。帶鐵芯的電磁式互感器存在磁飽和以及不能有效傳變高頻行波信號的特點，使得無法有效檢測故障行波信號。這對行波傳感器的要求提出了很高的要求，需要能高效傳變故障行波信號的傳感器。

為解決行波信號精確檢測的難題，本文在原有傳感器的基礎上創新，設計了一種PCB電壓行波傳感器，測試其傳變高頻信號的可靠性。對設計的PCB電壓行波傳感器進行了仿真模型的搭建，并在ATP-EMTP仿真軟件中搭建了500kV輸電線路模型，模擬輸電線路發生不同故障類型、不同過渡電阻、不同故障初相角情況，驗證PCB電壓行波傳感器在輸電線路故障定位的精確性。

2 PCB電壓行波傳感器仿真模型搭建

PCB電壓行波傳感器具有良好的高頻傳變性能。PCB電壓行波傳感器在傳變高頻信號時，傳感器的分布電容不能忽略，因此可用多個單元的電感、電阻和電容組合來建立傳感器的高頻暫態模型。

經仿真建模比較，PCB電壓行波傳感器模型用10個級聯的單元表示能符合行波信號的檢測要求。如圖1所示，為PCB電壓行波傳感器高頻暫態模型。其中R1、R2、L1、L2分別為傳感器一、二次線圈單位長度電阻和電感，C1、C2分別為傳感器一、二次線圈的匝間等值電容，C10、C20分別為一、二次線圈的對地電容，C12為傳感器一、二次線圈繞組間電容。通過參數計算和實驗驗證，各參數具體取值如下：R1=R2=0.01Ω,L1=200mH,L2=20mH；C1=200pF，C2=20pF；C10=2F，C20=1F；C12=80pF。

3 PCB電壓行波傳感器的故障定位仿真

為驗證PCB電壓行波傳感器對高頻暫態信號的傳變特性，現模擬一段輸電線路發生故障，對500kV輸電網進行ATP-EMTP仿真，在故障處設置一個行波發生器，可有效產生行波信號，將變壓器暫態模型嵌入到電網中，其模型可等效為一等效電容替代。PCB電壓行波傳感器安裝在變壓器接地線上，架空線路都采用Z參數模型，系統的采樣頻率為10MHz。

為驗證PCB電壓行波傳感器提取行波信號，利用行波信號進行故障定位，可用輸電線路發生單相接地短路時，故障初相角較小為例進行仿真分析。將單條輸電線路長度設為100km，電壓等級為500kV，設定在距離變電站A端45km處發生金屬性單相接地故障，故障初相角為10。，分別在變電站A、B兩端接地線上放置PCB電壓行波傳感器采集裝置，提取來自故障點的電壓行波信號，如圖2所示。仿真模型中采樣頻率設為2MHz，即采樣步長為5×10-7s。利用線路參數整定，計算出行波波速為2.96×108m/s；最后利用波頭到達A、B兩端PCB電壓行波傳感器時刻，用行波雙端測量原理，準確檢測行波信號到達時刻，進行故障定位驗證。

PCB電壓行波互感器二次側A端、B端波形分別用紅色，藍色表示，A、B端行波到達PCB電壓行波傳感器的采樣突變點如圖3、4所示。

將A、B端故障行波到達時刻進行標定。由圖可知A端PCB電壓行波傳感器記錄波頭到達時刻為300個點，B端PCB電壓行波傳感器記錄波頭到達時刻為367個點，每個采樣點時間間隔為5×10-7s，根據雙端行波定位公式可求得故障距離A端的距離為45.042km，易求出定位誤差為42m。式中l為輸電線路長度，x為故障點距離A的位置，行波波頭到達線路A端的時刻為tA，行波波頭到達線路B端的時刻為tB，v為行波的傳播速度。

由雙端定位方法可求出故障距離A端的距離為：

原故障點距A為45km，易得出測量誤差為42m。

表1：不同短路類型故障定位結果

圖2：500kV輸電線路故障模型圖

圖3：A端行波到達時刻圖

圖4：B端行波到達時刻圖

為驗證文中方法在輸電線路不同故障類型下的定位效果，以距離線路A段45km處分別發生故障單相故障、兩相短路、兩相短路接地、三相短路四種不同短路類型為例，定位結果如表1所示。

發生故障單相故障為例，在不同過渡電阻下仿真測試，將過渡電阻由金屬性接地到高阻接地由小至大分別進行設置，以距離線路A段45km處分別采用不同大小過渡電阻如1Ω、100Ω、500Ω、1000Ω；其次，改變仿真模型參數，分別調整故障初相角為15°、30°、45°、60°；仿真測試結果均在100m內，均能滿足故障定位精度要求。

上述仿真模型仿真結果表明:利用PCB電壓行波傳感器能有效提取電壓行波信號，從而進行故障定位。在電力系統輸電線路各種仿真情況下，定位誤差均小于100m，由此可知利用PCB電壓行波傳感器提取故障電壓行波信號，進行故障定位具有較高的精度，能夠滿足精確故障定位的要求。

4 結語

本文設計的電壓行波傳感器模型考慮了分布參數對高頻信號的影響，能有效傳變高頻信號，對PCB電壓行波傳感器進行輸電線路故障定位仿真分析，并模擬不同短路類型、不同過渡電阻、不同故障初相角等故障情況，分別進行故障定位計算。仿真結果表明，PCB電壓行波傳感器模型的準確性，能保證輸電線路精確故障定位的要求。