基于行波理論的配電網(wǎng)故障定位方法的研究

徐林波

摘要：從信號(hào)的激動(dòng)度來(lái)說(shuō)對(duì)輸電線(xiàn)路故障予以行波定位處理的方法有兩種，一種是電壓行波，第二種是電流行波。但是在實(shí)際的工作中，CVT即電容式電壓互感器并不具備較強(qiáng)的暫態(tài)響應(yīng)性，因而其行波測(cè)量過(guò)程面臨較多的困難，工作人員多采用電流行波的方式對(duì)故障進(jìn)行定位處理。文中也將對(duì)以行波傳感器為基礎(chǔ)的輸電線(xiàn)路故障定位方法展開(kāi)研究，探究提取行波型號(hào)、研制行波傳感器的方法，并對(duì)故障定位方法展開(kāi)分析。

關(guān)鍵詞：行波傳感器;輸電線(xiàn)路;故障定位;方法

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)電力能源的需求量越來(lái)越高，無(wú)論是生產(chǎn)還是生活都離不開(kāi)電力的支持，但是電力系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)一定的故障，繼而影響電力的供給與支持，這對(duì)社會(huì)的建設(shè)與發(fā)展來(lái)說(shuō)是極為不利的，因此找到及時(shí)有效的故障定位方法顯得尤為必要。以行波傳感器為基礎(chǔ)的輸電線(xiàn)路故障定位方法具有重要的應(yīng)用價(jià)值，工作效率與定位準(zhǔn)確性極高，但是與我國(guó)電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況之間存在一定的差異，因而應(yīng)當(dāng)根據(jù)我國(guó)電力運(yùn)行的實(shí)際情況，對(duì)這一故障定位方法進(jìn)行改進(jìn)與完善。對(duì)此展開(kāi)探討有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、提取行波信號(hào)

（一）選取測(cè)量信號(hào)

線(xiàn)路電壓行波能夠通過(guò)CVT地線(xiàn)的電流行波反映出來(lái)，繼而對(duì)故障進(jìn)行有效定位，在此基礎(chǔ)上推出行波傳感器是具有可行性的，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)整體的監(jiān)管與故障定位。而CVT自身不具備較強(qiáng)的高頻傳輸性，因此無(wú)法在CVT的二次側(cè)將電壓行波直接提取出來(lái)，若將入地電流用i表示，將CVT電容用c表示，將對(duì)地電壓用u表示，則此時(shí)經(jīng)過(guò)CVT地線(xiàn)后電流行波的入地信號(hào)可以用公式表示為 。在該公式成立的前提下，CVT電流即為整個(gè)線(xiàn)路電壓對(duì)應(yīng)的導(dǎo)數(shù)，以正弦波為例，其導(dǎo)數(shù)會(huì)隨著頻率的增加而變大。由此可以判斷，在故障發(fā)生時(shí)，線(xiàn)路電壓對(duì)應(yīng)的行波波頭發(fā)生的突變遠(yuǎn)不如CVT入地電流對(duì)應(yīng)的行波波頭，因而對(duì)CVT信號(hào)進(jìn)行測(cè)量更能夠提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

（二）選取測(cè)量點(diǎn)

通常情況下，CVT地線(xiàn)的接地點(diǎn)為兩個(gè)，其中一個(gè)是與濾波器相結(jié)合的接地點(diǎn)，另一個(gè)是其內(nèi)部電壓互感器進(jìn)行接地的一次側(cè)點(diǎn)。通過(guò)高壓沖擊試驗(yàn)、仿真分析以及參數(shù)計(jì)算等方法，可以確定入地電流一般都通過(guò)與濾波器結(jié)合的接地點(diǎn)流入大地，因而測(cè)量點(diǎn)就可以選擇這里。在實(shí)際的測(cè)量工作中，為了能夠在正常運(yùn)行的情況下將行波傳感器安裝完成，可以將分接開(kāi)關(guān)與行波傳感器中的導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行并聯(lián)處理。

二、研制行波傳感器

（一）行波傳感器特性

行波傳感器有合金材料與線(xiàn)圈構(gòu)成，合金材料為鐵鈷鎳，其形狀為環(huán)形，截面較為均勻，線(xiàn)圈需以均勻緊密的方式纏繞到鐵鈷鎳材料上。此時(shí)大環(huán)線(xiàn)圈內(nèi)需放置測(cè)量導(dǎo)體，而它與二次線(xiàn)圈之間在電位方面不存在直接性的聯(lián)系。為了避免磁鏈影響的發(fā)生，工作人員需按照偶數(shù)層的標(biāo)準(zhǔn)纏繞線(xiàn)圈，同時(shí)緊挨著的兩層線(xiàn)圈需以相反方向繞制。從等效電路角度進(jìn)行分析，在負(fù)載R上，輸入電流能夠產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓，行波傳感器中的線(xiàn)圈各匝之間形成的電容與自感可以構(gòu)成濾波回路。在這個(gè)過(guò)程中傳感器可視為帶通濾波器，截止頻率不超過(guò)10兆赫茲，不低于6千赫茲，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，傳感器傳遞出的函數(shù)為常數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)中輸入1安電流后，可輸出1伏電壓。行波傳感器會(huì)將不足100次的諧波信號(hào)以及工頻信號(hào)濾掉。此時(shí)就可以根據(jù)行波傳感器發(fā)出的輸出信號(hào)直接定位故障位置，而無(wú)需應(yīng)用告訴采集系統(tǒng)，這一操作過(guò)程能夠有效簡(jiǎn)化定位過(guò)程，減少裝置的使用，最終使定位裝置成本得到有效降低。

（二）檢測(cè)行波波頭

行波定位裝置每隔0.1秒就對(duì)行波啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行一次記錄，同時(shí)在行波定位計(jì)算中使用繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘信號(hào)作為啟動(dòng)裝置。通過(guò)高壓沖擊實(shí)驗(yàn)與仿真分析方法選擇適宜的波頭辨識(shí)方法，辨識(shí)的依據(jù)包括三點(diǎn)，第一是行波變化頻率，其范圍在0.01pu/μs到0.1pu/μs之間，區(qū)中pu表示標(biāo)幺值，在分析的過(guò)程中選取其額定值;第二是行波下降或上升的時(shí)間，其選擇范圍在1μs到10μs之間;第三是波頭的變化幅值，其選擇范圍在0.1μs到0.5μs之間。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中行波高頻分量會(huì)被耦合電容方法，此時(shí)5千赫茲以下的信號(hào)會(huì)被行波傳感器濾除，因此行波傳感器自身輸出的信號(hào)變化率與幅值相對(duì)較大，大多數(shù)的故障發(fā)生時(shí)，TVS都會(huì)對(duì)輸出信號(hào)予以限制。

（三）記錄波頭到達(dá)時(shí)刻

當(dāng)行波波頭達(dá)到時(shí)，正負(fù)極性觸發(fā)信號(hào)會(huì)在第一時(shí)間產(chǎn)生并被送入到系統(tǒng)中，此時(shí)鎖存器會(huì)被觸發(fā)并將與GPS高度同步的守時(shí)鐘的時(shí)間值鎖存住。另外行波檢測(cè)信號(hào)也會(huì)被輸送到系統(tǒng)中，繼而使讀數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生，CPU會(huì)記錄好鎖存器的數(shù)據(jù)。在故障行波的定位計(jì)算中，會(huì)將初始波頭作為計(jì)算依據(jù)，此時(shí)為了使定位的準(zhǔn)確性與可靠性得到提升，應(yīng)當(dāng)同時(shí)展開(kāi)對(duì)三相行波波頭的測(cè)量工作，記錄好其到達(dá)的時(shí)間，以最先達(dá)到的時(shí)間為基準(zhǔn)，此時(shí)行波突變的情況最顯著，因而測(cè)量將更為準(zhǔn)確可靠。

三、機(jī)遇行波傳感器的輸電線(xiàn)路故障定位方法

（一）故障定位的具體方法

當(dāng)電網(wǎng)的在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)，行波傳感器會(huì)將行波波頭的到達(dá)時(shí)間完整的記錄下來(lái)，線(xiàn)路故障跳閘后，各變電站的記錄都會(huì)被調(diào)度所讀取，繼而對(duì)故障點(diǎn)位進(jìn)行確定。此時(shí)在故障位置的兩側(cè)選擇任意一個(gè)變電站就可以展開(kāi)計(jì)算，設(shè)兩側(cè)的變電站分別為變電站1、2，將變電站1與故障位置之間的距離設(shè)為l1，將變電站1、2以及故障線(xiàn)路之間的最短距離設(shè)為l，將變電站1、2之間行波的傳播速度設(shè)為v，將變電站1、檢測(cè)到的波頭達(dá)到時(shí)間分別設(shè)為t1、t2，此時(shí)故障定位的計(jì)算公式為 。利用變電站進(jìn)行故障定位能夠降低錯(cuò)誤的時(shí)間記錄對(duì)定位造成的不良影響，提高信息處理的質(zhì)量與效率，使故障處理的魯棒性提升。

（二）仿真分析

通過(guò)EMTP模型進(jìn)行仿真分析，將TVS分壓電路模型與縣衙電路模型、行波傳感器模型等全部加入其中，對(duì)故障情況進(jìn)行處理與分析，對(duì)雷擊以及故障狀況下行波傳感器的信號(hào)輸出變化情況進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是什么程度的故障，行波傳感器都會(huì)對(duì)故障產(chǎn)生響應(yīng)，繼而輸出信號(hào)，信號(hào)向度與故障位置的電壓變化成正相關(guān)關(guān)系。

（三）故障定位的有效分析

行波傳感器具有較強(qiáng)的靈敏度，可以及時(shí)檢測(cè)出行波波頭對(duì)應(yīng)的額高頻帶分量。此時(shí)應(yīng)注意到行波傳輸?shù)牧硪惶匦裕瓷ⅲ蚨诠收隙ㄎ挥?jì)算中應(yīng)當(dāng)將1兆赫茲作用的信號(hào)所相對(duì)的波速作為計(jì)算依據(jù)。通過(guò)分析線(xiàn)路結(jié)構(gòu)可知，1兆赫茲對(duì)應(yīng)的波速為每秒29.6*104千米。

四、結(jié)語(yǔ)

在行波傳感器基礎(chǔ)上研制出的故障定位方法具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其定位極為準(zhǔn)確，且成本相對(duì)較低，能夠較為準(zhǔn)確、快速的實(shí)現(xiàn)故障定位。CVT入地電流對(duì)應(yīng)的行波波頭為故障定位中的測(cè)量信號(hào)，以全網(wǎng)電壓為基礎(chǔ)展開(kāi)故障定位，其容錯(cuò)能力、魯棒性、準(zhǔn)確度均相對(duì)較高，在電網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)行波傳感器檢測(cè)波頭信號(hào)，進(jìn)行故障定位有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，應(yīng)當(dāng)將這一測(cè)量方法進(jìn)行推廣。

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