1 引言 　　輸電線路故障行波定位按信號(hào)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(tài)響應(yīng)特性差，滿足不了行波測(cè)量的要求，因此電壓行波故障定位實(shí)現(xiàn)困難。國(guó)內(nèi)對(duì)電壓行波故障定位研究較少，主要研究采用電流行波進(jìn)行故障定位[1～3]。 　　輸電線路故障行波定位的關(guān)鍵是尋找行波波頭到達(dá)時(shí)刻，國(guó)內(nèi)通常采用軟件方法進(jìn)行查找。該方法需要高速采集系統(tǒng)（若采用雙端行波定位，還需要記錄GPS時(shí)鐘信號(hào)）及復(fù)雜的分析計(jì)算；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要強(qiáng)有力的硬件和軟件支持，增加了行波定位裝置的造價(jià)，且檢測(cè)精度有限，難以檢測(cè)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(wǎng)運(yùn)行的電壓行波故障定位系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)定位誤差小于300m[4]。該系統(tǒng)在CVT地線上串接一電抗器，提取電力系統(tǒng)故障或擾動(dòng)產(chǎn)生的電壓行波，經(jīng)峰值和上升時(shí)間判據(jù)檢測(cè)行波波頭 （上升時(shí)間為0.7～8.3ms，對(duì)應(yīng)的行波頻率為30～350kHz），直接由行波波頭到達(dá)時(shí)間進(jìn)行故障定位，因而無(wú)需復(fù)雜的高速采集和信息處理[4]。但該定位系統(tǒng)安裝時(shí)，需要改變一次系統(tǒng)接線，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成一定影響，在我國(guó)難以得到電力運(yùn)行部門的認(rèn)可，難以推廣應(yīng)用。因此，有必要研制一種與一次系統(tǒng)無(wú)直接電聯(lián)系，不影響系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)行故障定位的方法，研制了行波傳感器，可實(shí)現(xiàn)基于整個(gè)電網(wǎng)的電壓行波故障定位。 [b]2 行波信號(hào)的提取 　　2.1 測(cè)量信號(hào)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(cè)提取。經(jīng)分析，CVT地線上入地的電流行波信號(hào)式中 i為從線路或母線經(jīng)CVT流入大地的電流；c為CVT電容；u為線路對(duì)地電壓。式（1）可以反映線路或母線的電壓行波信號(hào)。CVT地線上的電流是線路電壓的導(dǎo)數(shù)。對(duì)于正弦波，導(dǎo)數(shù)與頻率有關(guān)，頻率越高，導(dǎo)數(shù)值越大。由于故障暫態(tài)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(cè)。 　　以圖1所示某500kV電網(wǎng)為例，考慮線路的實(shí)際結(jié)構(gòu)及頻率響應(yīng)特性，采用EMTP仿真軟件進(jìn)行分析。D-E線接地故障時(shí)，將D側(cè)測(cè)量的電流行波、電壓行波及CVT的入地電流行波進(jìn)行比較，波形如圖2所示?？梢钥闯觯? （1）由于D變母線出線為3回（>2回），且受變電站對(duì)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(cè)； （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(hào)比線路電壓行波波頭突變信號(hào)變化明顯，更易于檢測(cè)； 　　（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(cè)量點(diǎn)的選取 [/b]　　一般CVT存在2個(gè)接地點(diǎn)，如圖3所示，D1為CVT的內(nèi)部電壓互感器一次側(cè)接地點(diǎn)，D2為結(jié)合濾波器的接地點(diǎn)。通過(guò)參數(shù)計(jì)算、仿真分析和高壓沖擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，CVT的入地電流絕大部分通過(guò)D2流入大地，行波傳感器宜安裝在D2點(diǎn)。為了在保護(hù)不退出運(yùn)行的條件下安裝行波傳感器，穿過(guò)行波傳感器的導(dǎo)線可并聯(lián)一分接開關(guān)。 [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(huán)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(cè)量導(dǎo)體位于行波傳感器的大環(huán)形線圈內(nèi)，與二次線圈沒有直接的電位聯(lián)系。為消除大線圈所交 鏈的磁鏈影響，線圈繞成偶數(shù)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(cè)輸入電流i 在負(fù)載R上產(chǎn)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(gè)傳感器相當(dāng)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(nèi)，傳遞函數(shù)為一常數(shù)。對(duì)應(yīng)一次側(cè)1 A電流輸入，傳感器輸出電壓為1 V。電力系統(tǒng)工頻信號(hào)及100次以下的諧波信號(hào)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(hào)進(jìn)行故障定位，免去高速采集系統(tǒng)。因此可簡(jiǎn)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(hào)的傳輸路徑如圖3所示，經(jīng)行波傳感器副變并聯(lián)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(dòng)信號(hào)，送入行波波頭檢測(cè)電路進(jìn)行行波波頭辨識(shí) ，其檢測(cè)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(cè) [/b]　　 行波定位裝置連續(xù)兩次記錄行波啟動(dòng)的時(shí)間間隔僅為0.1s，并采用繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘信號(hào)（把關(guān)）啟動(dòng)行波定位計(jì)算，電力系統(tǒng)故障行波與干擾信號(hào)的識(shí)別分析非常復(fù)雜，有待深入研究。本文根據(jù)EMTP仿真分析、高壓沖擊實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)[4]，采用行波的變化率、上升或下降時(shí)間和行波波頭的幅值進(jìn)行行波波頭辨識(shí)，選取整定值為： ① 變化率取0.01- 0.1pu/ms,（pu為標(biāo)幺值，取額定值）；② 上升或下降時(shí)間取1-10ms; ③幅值取0.1-0.5pu。由于耦合電容對(duì)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(hào)，故行波傳感器輸出信號(hào)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(hào)被TVS限波，使得上升或下降時(shí)間<10ms、幅值>1V，不同的故障行波經(jīng)過(guò)電壓抑制及分壓器輸出的信號(hào)相差不大，便于整定。對(duì)應(yīng)行波傳感器的輸出信號(hào)，圖5所示的行波波頭檢測(cè)回路中通常整定為：變化率電平為0.3V，保持時(shí)間為10ms，峰值電平為1V。該整定值已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)得到驗(yàn)證。 　　行波波頭檢測(cè)回路能夠檢測(cè)行波波頭極性，可進(jìn)一步用于行波方向保護(hù)。 [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(dá)時(shí)刻的記錄 [/b]　　行波波頭到達(dá)的最初時(shí)刻，在圖5中產(chǎn)生的正極性觸發(fā)信號(hào)、負(fù)極性觸發(fā)信號(hào)送入圖6，觸發(fā)鎖存器鎖存GPS同步高精度守時(shí)鐘的時(shí)間值。圖5中產(chǎn)生的行波檢測(cè)信號(hào)也送入圖6，產(chǎn)生一讀數(shù)據(jù)信號(hào)，把鎖存器數(shù)據(jù)讀入CPU。由于采用故障行波的初始波頭進(jìn)行定位計(jì)算，為提高記錄的可靠性，同時(shí)測(cè)量三相行波波頭到達(dá)時(shí)刻，在測(cè)量到的3個(gè)時(shí)間中，以最先的時(shí)間為準(zhǔn)。通常故障相的行波突變最大，測(cè)量到的波頭到達(dá)時(shí)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(wǎng)中各變電站母線CVT地線上套裝一電壓行波傳感器，當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生故障時(shí)，記錄行波波頭的到達(dá)時(shí)刻，當(dāng)線路故障跳閘后，由調(diào)度讀取各變電站記錄的行波波頭到達(dá)時(shí)間，便可進(jìn)行故障定位[5～8]。在故障點(diǎn)兩側(cè)任意選取一變電站進(jìn)行故障定位計(jì)算，如在電網(wǎng)中故障點(diǎn)一側(cè)選取變電站1，另一側(cè)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(diǎn)離變電站1的距離；l為從變電站1經(jīng)由故障線路到達(dá)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(cè)到的行波波頭到達(dá)時(shí)間，t2為變電站2檢測(cè)到的行波波頭到達(dá)時(shí)間。 　　由故障線路兩端任意2個(gè)變電站測(cè)量的行波波頭到達(dá)時(shí)間就可進(jìn)行故障定位。由整個(gè)電網(wǎng)中多個(gè)變電站測(cè)量的行波到達(dá)時(shí)間信息融合處理、容錯(cuò)分析，可以消除部分變電站記錄的錯(cuò)誤時(shí)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(shí)間差可以在線測(cè)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(duì)各種故障進(jìn)行仿真分析，測(cè)量各種故障及雷擊條件下行波傳感器的響應(yīng)情況。結(jié)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(chǎn)生輸出信號(hào)。故障點(diǎn)的電壓變化越大，傳感器輸出信號(hào)也越大。因篇幅限制，在此僅給出D-E線距D側(cè)155.2km處故障時(shí)，各變電站測(cè)量的行波波形，見圖7。由圖中可看出： 　?。?）一般故障條件下，行波傳感器輸出行波波頭信號(hào)都被TVS截波。輸出信號(hào)達(dá)滿刻度2.5V時(shí)，幅值從0V上升到1V的時(shí)間小于4ms，符合行波啟動(dòng)判據(jù)； 　?。?） 電壓過(guò)零瞬間故障時(shí)，行波波頭上升變緩、幅值較小，滿足不了行波啟動(dòng)判據(jù)，但根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料和理論分析，電壓過(guò)零瞬間故障幾乎不會(huì)發(fā)生，該故障只能采用其它常規(guī)方法進(jìn)行定位計(jì)算[5,6]； 　　（3） 電壓過(guò)零附近故障 （-1.8°～1.8°區(qū)間以外）時(shí)，故障線路兩端傳感器輸出信號(hào)的突變量能夠滿足故障啟動(dòng)定位要求，而距故障點(diǎn)500km以外的電廠或變電站行波啟動(dòng)困難。因此，基于行波傳感器的定位方法可以對(duì)電壓過(guò)零附近時(shí)刻的接地故障進(jìn)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(cè)靈敏度，且檢測(cè)到的信號(hào)是波頭中的高頻帶分量，考慮行波傳輸?shù)纳⑻匦?，選取1MHz附近頻率信號(hào)對(duì)應(yīng)的行波波速進(jìn)行故障定位計(jì)算。根據(jù)線路結(jié)構(gòu),計(jì)算1MHz附近頻率信號(hào)對(duì)應(yīng)的行波波速約為296?103km/s，計(jì)算D-E線距D側(cè)155.2km處故障的故障定位仿真結(jié)果如表1所示，定位誤差最大為0.73km，相當(dāng)于2個(gè)桿塔之間的距離，此距離現(xiàn)場(chǎng)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(jié)論 [/b]　　為降低行波定位裝置的造價(jià)、提高定位精度，本文研制了專門的行波傳感器，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)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(diǎn)： 　?。?）行波傳感器套在CVT的地線上, 可測(cè)量經(jīng)CVT入地的電流行波，與一次設(shè)備無(wú)直接的電聯(lián)系，便于推廣應(yīng)用； 　?。?）行波傳感器具有較好的頻率響應(yīng)特性，能有效地濾除5kHz以下的頻率信號(hào)，且耦合電容的微分對(duì)高頻信號(hào)有放大作用，能有效地提高測(cè)量行波波頭的靈敏度，有利于縮小電壓過(guò)零附近行波定位的死區(qū)； 　?。?）基于整個(gè)電網(wǎng)的電壓行波故障定位，具有一定的容錯(cuò)能力，定位結(jié)果精度高、魯棒性強(qiáng)； 　?。?）該行波傳感器與行波檢測(cè)回路能夠檢測(cè)行波波頭的極性，可望用于行波方向保護(hù)。 　　行波定位裝置已通過(guò)高壓沖擊實(shí)驗(yàn)及RTDS實(shí)驗(yàn)的測(cè)試，樣機(jī)正在現(xiàn)場(chǎng)良好地運(yùn)行。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 徐丙垠（Xu Bingyin）．利用暫態(tài)行波的輸電線路故障測(cè)距技術(shù)（Techniques for fault location of transmission lines using tran-sient traveling-waves）[D].西安：西安交通大學(xué)（Xi‘a(chǎn)n: Xi‘a(chǎn)n Jiaotong University），1991. 　　[2] 董新洲（Dong Xinzhou）．小波理論應(yīng)用于輸電線路故障測(cè)距研究 （Wavelet theory applied to study on fault location of transmission lines）[D]．西安：西安交通大學(xué)（Xi‘a(chǎn)n: Xi‘a(chǎn)n Jaotong University），1996. 　　[3] 覃劍（Qin Jian）.小波變換應(yīng)用于輸電線路行波故障測(cè)距的研究： （Study of wavelet transform applied in traveling-wave fault location of transmission line）[D].北京：電力科學(xué)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(xiàng)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(tǒng)研究 （Study on a new type of integrative fault location system for transmission line） [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)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(cè)與定位新原理及其信息融合實(shí)現(xiàn)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(xué)（Wuhan, Huazhong University of Science and Technology），2000. 　　[7] 曾祥君，尹項(xiàng)根，陳德樹，等（Zeng Xiangjun, Yin Xianggen, Chen Deshu, et al）.基于整個(gè)輸電網(wǎng)GPS行波故障定位系統(tǒng)的研究（GPS Traveling-wave fault location systems for transmission network）[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems）,1999, 23（10）:8-10. 　　[8] 曾祥君，尹項(xiàng)根，陳浩，等（Zeng Xiangjun, Yin Xianggen, Chen Hao, et al）.基于GPS同步的電力系統(tǒng)暫態(tài)記錄儀的研制（The development of GPS synchronous transient data acquisition systems）.高電壓技術(shù)（High Voltage Engineering），2000,26（2）：56-58.[/align]