1 引言 　　輸電線路故障行波定位按信號可分為：電流行波故障定位和電壓行波故障定位。由于電容式電壓互感器（CVT）暫態響應特性差，滿足不了行波測量的要求，因此電壓行波故障定位實現困難。國內對電壓行波故障定位研究較少，主要研究采用電流行波進行故障定位[1～3]。 　　輸電線路故障行波定位的關鍵是尋找行波波頭到達時刻，國內通常采用軟件方法進行查找。該方法需要高速采集系統（若采用雙端行波定位，還需要記錄GPS時鐘信號）及復雜的分析計算；現場實現時，需要強有力的硬件和軟件支持，增加了行波定位裝置的造價，且檢測精度有限，難以檢測初相角10°以下的故障[1,2]。 　　加拿大研制成功并在B.C Hydro 輸電網運行的電壓行波故障定位系統，現場定位誤差小于300m[4]。該系統在CVT地線上串接一電抗器，提取電力系統故障或擾動產生的電壓行波，經峰值和上升時間判據檢測行波波頭 （上升時間為0.7～8.3ms，對應的行波頻率為30～350kHz），直接由行波波頭到達時間進行故障定位，因而無需復雜的高速采集和信息處理[4]。但該定位系統安裝時，需要改變一次系統接線，可能會對系統運行造成一定影響，在我國難以得到電力運行部門的認可，難以推廣應用。因此，有必要研制一種與一次系統無直接電聯系，不影響系統運行的行波傳感器。 　　本文采用CVT地線上電流行波反映線路電壓行波進行故障定位的方法，研制了行波傳感器，可實現基于整個電網的電壓行波故障定位。 [b]2 行波信號的提取 　　2.1 測量信號的選取 [/b]　　由于CVT高頻傳輸特性差，電壓行波不能直接從CVT二次側提取。經分析，CVT地線上入地的電流行波信號式中 i為從線路或母線經CVT流入大地的電流；c為CVT電容；u為線路對地電壓。式（1）可以反映線路或母線的電壓行波信號。CVT地線上的電流是線路電壓的導數。對于正弦波，導數與頻率有關，頻率越高，導數值越大。由于故障暫態行波波頭含有豐富的高頻分量，因此, CVT入地電流的故障行波波頭比線路電壓的故障行波波頭突變更大，更有利于故障檢測。 　　以圖1所示某500kV電網為例，考慮線路的實際結構及頻率響應特性，采用EMTP仿真軟件進行分析。D-E線接地故障時，將D側測量的電流行波、電壓行波及CVT的入地電流行波進行比較，波形如圖2所示。可以看出： （1）由于D變母線出線為3回（>2回），且受變電站對地分布電容的影響，線路電流行波波頭比線路電壓行波波頭突變明顯，故易于檢測； （2）由于耦合電容的微分作用，CVT上入地電流行波波頭突變信號比線路電壓行波波頭突變信號變化明顯，更易于檢測； 　　（3）受阻波器的影響，線路CVT上的入地電流突變大于母線CVT上的入地電流突變。采用線路CVT上的入地電流最容易查找行波波頭。 　　[b] 2.2 測量點的選取 [/b]　　一般CVT存在2個接地點，如圖3所示，D1為CVT的內部電壓互感器一次側接地點，D2為結合濾波器的接地點。通過參數計算、仿真分析和高壓沖擊實驗驗證，CVT的入地電流絕大部分通過D2流入大地，行波傳感器宜安裝在D2點。為了在保護不退出運行的條件下安裝行波傳感器，穿過行波傳感器的導線可并聯一分接開關。 [img=350,336]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/zgdjgcxb/2002-6/43-4.jpg[/img] [b]3 行波傳感器的研制 　　3.1 行波傳感器特性分析 [/b]　　行波傳感器是在一根截面均勻的環形鐵鈷鎳合金材料上均勻密繞若干層線圈而成。如圖3所示，測量導體位于行波傳感器的大環形線圈內，與二次線圈沒有直接的電位聯系。為消除大線圈所交 鏈的磁鏈影響，線圈繞成偶數層，并使相鄰兩層線圈的繞制方向剛好相反。 　　傳感器的等效電路如圖4所示，傳感器一次側輸入電流i 在負載R上產生一輸出電壓u1。線圈的自感L和線圈的匝間電容C0組成一濾波回路。整個傳感器相當于一帶通濾波器，下限截止頻率為6 kHz，上限截止頻率為10 MHz，且在通帶頻率范圍內，傳遞函數為一常數。對應一次側1 A電流輸入，傳感器輸出電壓為1 V。電力系統工頻信號及100次以下的諧波信號將被行波傳感器濾掉，可以直接采用行波傳感器的輸出信號進行故障定位，免去高速采集系統。因此可簡化定位裝置，降低裝置成本。 [img=291,124]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/zgdjgcxb/2002-6/44-1.jpg[/img] 　　 行波傳感器輸出信號的傳輸路徑如圖3所示，經行波傳感器副變并聯的避雷器及TVS（Transient Voltage Suppressor） 限壓后，由電阻分壓電路分壓，輸出 -2.5～2.5V 的行波硬件啟動信號，送入行波波頭檢測電路進行行波波頭辨識 ，其檢測回路如圖5所示。 [img=334,276]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/zgdjgcxb/2002-6/44-2.jpg[/img] 　 [b]3.2 行波波頭的檢測 [/b]　　 行波定位裝置連續兩次記錄行波啟動的時間間隔僅為0.1s，并采用繼電保護動作跳閘信號（把關）啟動行波定位計算，電力系統故障行波與干擾信號的識別分析非常復雜，有待深入研究。本文根據EMTP仿真分析、高壓沖擊實驗和文獻[4]，采用行波的變化率、上升或下降時間和行波波頭的幅值進行行波波頭辨識，選取整定值為： ① 變化率取0.01- 0.1pu/ms,（pu為標幺值，取額定值）；② 上升或下降時間取1-10ms; ③幅值取0.1-0.5pu。由于耦合電容對行波高頻分量有放大作用，且行波傳感器能濾除5kHz以下的信號，故行波傳感器輸出信號的幅值和變化率較大。在絕大部分故障情況下，傳感器輸出信號被TVS限波，使得上升或下降時間<10ms、幅值>1V，不同的故障行波經過電壓抑制及分壓器輸出的信號相差不大，便于整定。對應行波傳感器的輸出信號，圖5所示的行波波頭檢測回路中通常整定為：變化率電平為0.3V，保持時間為10ms，峰值電平為1V。該整定值已經在現場得到驗證。 　　行波波頭檢測回路能夠檢測行波波頭極性，可進一步用于行波方向保護。 [img=352,229]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/zgdjgcxb/2002-6/44-3.jpg[/img] 　　[b]3.3 行波波頭到達時刻的記錄 [/b]　　行波波頭到達的最初時刻，在圖5中產生的正極性觸發信號、負極性觸發信號送入圖6，觸發鎖存器鎖存GPS同步高精度守時鐘的時間值。圖5中產生的行波檢測信號也送入圖6，產生一讀數據信號，把鎖存器數據讀入CPU。由于采用故障行波的初始波頭進行定位計算，為提高記錄的可靠性，同時測量三相行波波頭到達時刻，在測量到的3個時間中，以最先的時間為準。通常故障相的行波突變最大，測量到的波頭到達時間最先。 [b]4 基于行波傳感器的電壓行波故障定位 　　4.1 故障定位方法[/b] 　　在電網中各變電站母線CVT地線上套裝一電壓行波傳感器，當電網中發生故障時，記錄行波波頭的到達時刻，當線路故障跳閘后，由調度讀取各變電站記錄的行波波頭到達時間，便可進行故障定位[5～8]。在故障點兩側任意選取一變電站進行故障定位計算，如在電網中故障點一側選取變電站1，另一側選取變電站2，故障定位公式為 [img=288,36]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/zgdjgcxb/2002-6/44-5.jpg[/img] 　　式中 l1為故障點離變電站1的距離；l為從變電站1經由故障線路到達變電站2的電力線路最短距離； 為行波在線路1-2上的傳播速度；t1為變電站1檢測到的行波波頭到達時間，t2為變電站2檢測到的行波波頭到達時間。 　　由故障線路兩端任意2個變電站測量的行波波頭到達時間就可進行故障定位。由整個電網中多個變電站測量的行波到達時間信息融合處理、容錯分析，可以消除部分變電站記錄的錯誤時間的影響，提高故障定位的魯棒性。并且，由非故障線路兩端記錄的時間差可以在線測量行波波速。 　　 [b]4.2 傳感器輸出波形仿真分析 [/b]　　將行波傳感器模型、TVS限壓電路模型及分壓電路模型加入圖1的EMTP仿真模型中，對各種故障進行仿真分析，測量各種故障及雷擊條件下行波傳感器的響應情況。結果表明：在各種故障包括輕微故障的條件下，行波傳感器都能產生輸出信號。故障點的電壓變化越大，傳感器輸出信號也越大。因篇幅限制，在此僅給出D-E線距D側155.2km處故障時，各變電站測量的行波波形，見圖7。由圖中可看出： 　　（1）一般故障條件下，行波傳感器輸出行波波頭信號都被TVS截波。輸出信號達滿刻度2.5V時，幅值從0V上升到1V的時間小于4ms，符合行波啟動判據； 　　（2） 電壓過零瞬間故障時，行波波頭上升變緩、幅值較小，滿足不了行波啟動判據，但根據統計資料和理論分析，電壓過零瞬間故障幾乎不會發生，該故障只能采用其它常規方法進行定位計算[5,6]； 　　（3） 電壓過零附近故障 （-1.8°～1.8°區間以外）時，故障線路兩端傳感器輸出信號的突變量能夠滿足故障啟動定位要求，而距故障點500km以外的電廠或變電站行波啟動困難。因此，基于行波傳感器的定位方法可以對電壓過零附近時刻的接地故障進行定位。 [img=268,251]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/zgdjgcxb/2002-6/45-1.jpg[/img] [img=331,246]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/zgdjgcxb/2002-6/45-2.jpg[/img] [img=331,246]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/zgdjgcxb/2002-6/45-3.jpg[/img] [img=331,311]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/zgdjgcxb/2002-6/45-4.jpg[/img] 　　4.3 故障定位分析 　　由于行波傳感器具有很高的行波波頭檢測靈敏度，且檢測到的信號是波頭中的高頻帶分量，考慮行波傳輸的色散特性，選取1MHz附近頻率信號對應的行波波速進行故障定位計算。根據線路結構,計算1MHz附近頻率信號對應的行波波速約為296?103km/s，計算D-E線距D側155.2km處故障的故障定位仿真結果如表1所示，定位誤差最大為0.73km，相當于2個桿塔之間的距離，此距離現場可以接收。 [align=left][img=400,177]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/zgdjgcxb/2002-6/46-2.jpg[/img] [b]5 結論 [/b]　　為降低行波定位裝置的造價、提高定位精度，本文研制了專門的行波傳感器，實現了簡單的不需高速采集的電壓行波故障定位。該行波定位方法具有如下特點： 　　（1）行波傳感器套在CVT的地線上, 可測量經CVT入地的電流行波，與一次設備無直接的電聯系，便于推廣應用； 　　（2）行波傳感器具有較好的頻率響應特性，能有效地濾除5kHz以下的頻率信號，且耦合電容的微分對高頻信號有放大作用，能有效地提高測量行波波頭的靈敏度，有利于縮小電壓過零附近行波定位的死區； 　　（3）基于整個電網的電壓行波故障定位，具有一定的容錯能力，定位結果精度高、魯棒性強； 　　（4）該行波傳感器與行波檢測回路能夠檢測行波波頭的極性，可望用于行波方向保護。 　　行波定位裝置已通過高壓沖擊實驗及RTDS實驗的測試，樣機正在現場良好地運行。 參考文獻 　　[1] 徐丙垠（Xu Bingyin）．利用暫態行波的輸電線路故障測距技術（Techniques for fault location of transmission lines using tran-sient traveling-waves）[D].西安：西安交通大學（Xi‘an: Xi‘an Jiaotong University），1991. 　　[2] 董新洲（Dong Xinzhou）．小波理論應用于輸電線路故障測距研究 （Wavelet theory applied to study on fault location of transmission lines）[D]．西安：西安交通大學（Xi‘an: Xi‘an Jaotong University），1996. 　　[3] 覃劍（Qin Jian）.小波變換應用于輸電線路行波故障測距的研究： （Study of wavelet transform applied in traveling-wave fault location of transmission line）[D].北京：電力科學研究院（Beijing: Electric Power Research Institute），1998. 　　[4] Lee H, Mousa A M. GPS Traveling-wave fault locator systems: investigation into the anomalous measurements related to lightning strikes[J]. IEEE Trans on Power Delivery, 1996, 11（3）: 1214-1223. 　　[5] 曾祥君，尹項根，陳德樹, 等（Zeng Xiangjun, Yin Xianggen, Chen Deshu, et al.） 新型輸電線路故障綜合定位系統研究 （Study on a new type of integrative fault location system for transmission line） [J].電力系統自動化 （Automation of Electric Power Systems），2000, 24（22）:39-40. 　　[6] 曾祥君（Zeng Xiangjun）.電力線路故障檢測與定位新原理及其信息融合實現研究 （Research on advanced principles of power lines fault detection & fault location and their implementation with information fusion）[D]. 武漢：華中科技大學（Wuhan, Huazhong University of Science and Technology），2000. 　　[7] 曾祥君，尹項根，陳德樹，等（Zeng Xiangjun, Yin Xianggen, Chen Deshu, et al）.基于整個輸電網GPS行波故障定位系統的研究（GPS Traveling-wave fault location systems for transmission network）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems）,1999, 23（10）:8-10. 　　[8] 曾祥君，尹項根，陳浩，等（Zeng Xiangjun, Yin Xianggen, Chen Hao, et al）.基于GPS同步的電力系統暫態記錄儀的研制（The development of GPS synchronous transient data acquisition systems）.高電壓技術（High Voltage Engineering），2000,26（2）：56-58.[/align]