電力系統(tǒng)輸電線路故障測(cè)距研究方法

1、電力系統(tǒng)輸電線路故障測(cè)距方法研究摘要：本文首先全面地介紹了故障測(cè)距在國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀。根據(jù)各測(cè)距算法采用的原理不同，將現(xiàn)有的各種測(cè)距算法分為行波法、阻抗法、故障分析法以及智能法，然后逐類對(duì)各種算法的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用條件上進(jìn)行了分析、對(duì)比和討論，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)得出了各測(cè)距算法的優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)題，指出了每種測(cè)距算法的適用范圍和應(yīng)用局限性。 其次設(shè)計(jì)了一套高壓輸電線路新型故障測(cè)距裝置，該測(cè)距裝置采用專門(mén)設(shè)計(jì)的高速采樣單元捕獲暫態(tài)電流行波信號(hào)，采用全球定位系統(tǒng)GPS為線路兩端提供精度高達(dá)1 s的統(tǒng)一時(shí)標(biāo),從而可實(shí)現(xiàn)高精度的雙端行波法測(cè)距。為了驗(yàn)證本論文提出的故障定位方法的可行性，通過(guò)分析研究，

2、其結(jié)果說(shuō)明本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案確實(shí)可行。理論和仿真結(jié)果表明，本文所作的工作提高了行波故障測(cè)距在不同線路結(jié)果情況下的適應(yīng)性、精度和可靠性。關(guān)鍵詞：輸電線路；故障測(cè)距；電力系統(tǒng)；行波；全球定位系統(tǒng)(GPS)Research about the measure of faultlocation in power system transmission lineAbstract：The development and general situation of the research in this field in China and in other countries is introduced i

3、n this paper. All the existing algorithms can be classified into 4 main methods those are traveling wave location, impedance location, fault analysis location and Intelligence location .Then the principle and application condition of each algorithm are presented and discussed. Based on the analysis

4、and comparison of each algorithm, the corresponding merits and application limitation are concluded.In this article, a new design scheme of the fault locator for HV transmission lines is presented. By using high-speed data acquisitioning unit designed specially to capture traveling waves of transien

5、t current, using Global Positioning System (GPS) to supply high precise time tagging for both ends and using wavelet transform theories to identify the head of the traveling waves, the fault locator can realize high precise double-ended traveling waves location. At the same time, using two-terminal

6、voltages and currents sampled by the medium-speed sampling and processing unit synchronized by the Pulse Per Second (1PPS) of GPS, can realize accurate double ended steady state location.In order to verifying the feasibility of the fault location method, which is presented in this thesis, the experi

7、ment is performed based on the locale condition. The result shows that the experimental scheme of this thesis is feasible. The analysis and simulation results indicate that the studies in this dissertation can improve the accuracy, reliability and adaptability of traveling wave fault location.Keywor

8、ds: power transmission line; Traveling wave; power system；Global Positioning System (GPS) ；fault location第1章 緒 論1.1 引言電能作為潔凈的二次能源，在當(dāng)代社會(huì)的能源比重原來(lái)越發(fā)揮著它不可替代的作用。電力行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，優(yōu)質(zhì)可靠的電力供應(yīng)是現(xiàn)代化社會(huì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要保證。因此，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，可靠性，快速性等至關(guān)重要。而輸電線路負(fù)擔(dān)著傳送電能的重要任務(wù)，是電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)命脈，其故障直接威脅到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)也是電力系統(tǒng)中發(fā)生故障最多的地方。1.2 輸電線路

9、的背景和意義隨著我國(guó)電力行業(yè)的飛速崛起，現(xiàn)代電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，輸電線路的輸送容量和電壓等級(jí)不斷提高，遠(yuǎn)距離輸電線路日益增多，輸電線路故障對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民日常生活的危害也與日俱增。所以，及時(shí)排除輸電線路故障并及時(shí)排除各種隱患，不僅對(duì)修復(fù)電路和保證持續(xù)可靠供電，而且對(duì)保證整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有是有十分重要的意義1。電力系統(tǒng)輸電線路上經(jīng)常發(fā)生各種短路故障，在故障點(diǎn)有些故障比較明顯，容易辨別，有些故障則難以發(fā)覺(jué)，如在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于接地電流小，所以在故障點(diǎn)造成的損害小，當(dāng)保護(hù)切除這一故障后，故障點(diǎn)有時(shí)很難查找，但這一故障點(diǎn)由于絕緣已經(jīng)發(fā)生變化

10、，相對(duì)整個(gè)線路來(lái)講比較薄弱，很可能就是下次故障的發(fā)生地，因此，仍然需要盡快找到其位置。其次，輸電線路穿越的地形復(fù)雜，氣候惡劣，特別是遠(yuǎn)距離輸電線路，難免要穿越山區(qū)，沙漠這些人跡罕至的偏僻地帶，交通十分不便。再者，多數(shù)故障往往發(fā)生在風(fēng)雪，雷雨等較為惡劣的天氣中發(fā)生。另外，我國(guó)電力系統(tǒng)的巡線裝備簡(jiǎn)陋，使得故障測(cè)距的準(zhǔn)確度，對(duì)故障巡線工作起了關(guān)鍵性的作用2。概況起來(lái)，輸電線路故障測(cè)距的意義主要包括以下幾個(gè)方面：（1）對(duì)于永久性故障，準(zhǔn)確的故障測(cè)距結(jié)果能夠幫助巡線人員快速查找故障點(diǎn)，及時(shí)排除故障，快速恢復(fù)供電，提高供電可靠性和連續(xù)性，減少停電帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)損失和巡線所耗費(fèi)的大量人力、財(cái)力、物力。（2）

11、對(duì)于瞬時(shí)性故障，準(zhǔn)確的故障測(cè)距有助于分析故障原因，發(fā)現(xiàn)絕緣隱患，從而采取積極的預(yù)防措施，避免形成永久故障，節(jié)約檢修時(shí)間和費(fèi)用。（3）如果故障測(cè)距算法精度高，運(yùn)算量小，那么故障測(cè)距本身就可以作為距離保護(hù)的元件，從而對(duì)提高保護(hù)性能、保證系統(tǒng)安全運(yùn)行有重要的意義。1.3 輸電線路故障測(cè)距研究的發(fā)展和現(xiàn)狀1.3.1 故障測(cè)距的發(fā)展和分類長(zhǎng)期以來(lái)，輸電線路故障測(cè)距的研究一直受到學(xué)術(shù)界和電力工業(yè)部門(mén)的重視。早在1955年前，經(jīng)統(tǒng)計(jì)有關(guān)故障測(cè)距的文獻(xiàn)就有120多篇。在五十年代中后期，人民就開(kāi)始了利用行波對(duì)架空線路的故障測(cè)距研究。六十年代的中期，人們對(duì)多傳輸?shù)男胁▊鬏斠?guī)律有了較為深刻的認(rèn)識(shí)，加上電子技術(shù)的發(fā)展

12、，進(jìn)一步促進(jìn)了行波測(cè)距的發(fā)展。七十年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，尤其是微機(jī)保護(hù)和故障錄波裝置的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用，加速了故障測(cè)距技術(shù)的實(shí)用化的進(jìn)程。于此同時(shí)，故障測(cè)距算法也得到了較快的發(fā)展。1979年M.T.Sant和Y.G.Paithanka首次提出了利用一端電壓和電流的適用于單端電源系統(tǒng)的故障定位方法。1982年Takagi和1983年A.Wisznicwski先后提出利用故障前后的電氣量，將電力網(wǎng)絡(luò)分解成正常狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)和故障分量網(wǎng)絡(luò)，考慮負(fù)荷電流的影響，并且求取故障分量電流分布系數(shù)解決兩側(cè)系統(tǒng)阻抗的影響。1985年L.Eriksson考慮了系統(tǒng)的運(yùn)行方式變化的影響，提出了遠(yuǎn)端饋入補(bǔ)償算

13、法，應(yīng)用解二次方程的方法求解故障距離。1988年Sachdev和Agaral提出了最早的雙端測(cè)距思想。國(guó)內(nèi)從八十年代也開(kāi)始了故障測(cè)距的研究。利用暫態(tài)行波對(duì)輸電線路的故障測(cè)距進(jìn)行了深入的研究，促進(jìn)了行波測(cè)距的應(yīng)用和發(fā)展。對(duì)另外對(duì)單端故障測(cè)距進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，對(duì)雙端測(cè)距、T型線路、直配線路等進(jìn)行了全面的研究。故障測(cè)距又稱故障定位，對(duì)于輸電線路來(lái)說(shuō)，是指在線路發(fā)生故障后，根據(jù)不同的故障特征，迅速準(zhǔn)確地測(cè)定出故障點(diǎn)的位置。現(xiàn)有的故障測(cè)距算法按其工作原理可以分為行波法、阻抗法、故障分析法、智能化測(cè)距法。由于阻抗法和故障分析法本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別，都是分析短路后的故障特征量，利用短路計(jì)算的逆運(yùn)算求解故障距離。因

14、此把阻抗法和故障分析法統(tǒng)稱為故障分析法。1.3.1.1 行波法行波法是根據(jù)行波理論現(xiàn)實(shí)的測(cè)距方法，始于上個(gè)世紀(jì)五十年代，隨著六十年代多傳輸線的行波傳播規(guī)律的更為深入的研究和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，行波測(cè)距的理論和技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，行波測(cè)距的裝置現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。行波測(cè)距方案可分為A、B、C三類。A型測(cè)距原理是根據(jù)測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)往返一次的時(shí)間和行波波速確定故障點(diǎn)的距離。這個(gè)測(cè)距裝置比較簡(jiǎn)單，只能裝置在一端，不要求和線路對(duì)側(cè)進(jìn)行通信聯(lián)系。不受過(guò)渡電阻影響，可以達(dá)到較高的精度。但是，A型測(cè)距要求記錄行波波形，而故障暫態(tài)信號(hào)只持續(xù)很多的時(shí)間，為保證有足夠的精度，應(yīng)采用足夠高的采樣率，因此A型行波測(cè)

15、距對(duì)硬件要求比較高。B型測(cè)距是根據(jù)故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間并借助于專用通道的通信聯(lián)系實(shí)現(xiàn)測(cè)距的。由于這種測(cè)距裝備利用的是故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波第一次到達(dá)兩端的信息，因此不受故障點(diǎn)投射波的影響，實(shí)現(xiàn)起來(lái)困難較小。但是B型測(cè)距對(duì)通道有高要求，使得投資巨大，目前難以在國(guó)內(nèi)廣泛采用。C型測(cè)距裝置是故障發(fā)生后由裝置發(fā)射高壓高頻或直流脈沖，根據(jù)高頻脈沖由裝置到故障點(diǎn)往返時(shí)間進(jìn)行測(cè)距。這個(gè)裝置的工作原理和雷達(dá)相同，只是行波沿電力線路傳播而已。對(duì)于瞬時(shí)性故障，C型測(cè)距靠人為施加雷達(dá)信號(hào)往往測(cè)不到故障。另外，高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器造價(jià)昂貴。由于通道技術(shù)條件的限制，高壓脈沖信號(hào)強(qiáng)度不能太高，故障點(diǎn)反射脈沖往往很難

16、與干擾相區(qū)別，種種因素都限制了C型測(cè)距的發(fā)展。1.3.1.2 故障分析法故障分析法依據(jù)電壓電流的測(cè)量值，通過(guò)故障分析根據(jù)各種特征構(gòu)造各種原理（如阻抗與距離成正比，用兩端數(shù)據(jù)計(jì)算到的故障點(diǎn)電壓相等，過(guò)渡電阻的純阻性等）的測(cè)距方程，進(jìn)行故障測(cè)距。事實(shí)上，在線路參數(shù)已知的情況下，輸電線路某處發(fā)生故障時(shí)，線路兩端的電壓電流均為故障距離的函數(shù)，其實(shí)質(zhì)是短路電流的逆運(yùn)算。故障分析法由于簡(jiǎn)單易行，對(duì)設(shè)備要求較低，投資小，獲得了廣泛的運(yùn)用。早起的故障分析方法主要是利用單端電氣量的測(cè)距算法，常見(jiàn)的單端算法主要有工頻阻抗法3，解微方程算法4，零序電流相位修正法5，故障電流相位修正法5,6，解二次方程法7,8，對(duì)稱

17、分量法9，解一次方程法10，網(wǎng)孔方程法11。上述單端測(cè)距算法都無(wú)法從原理上同時(shí)消除過(guò)渡電阻和對(duì)側(cè)系統(tǒng)阻抗的影響。制約了單端測(cè)距的發(fā)展。隨著通道的發(fā)展，能夠較為容易的獲得對(duì)側(cè)的電壓電流，因此雙端測(cè)距方法逐漸發(fā)展起來(lái)。1.3.1.3 智能化測(cè)距法近年來(lái)，將智能理論引入故障測(cè)距的算法研究越來(lái)越多，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論居多。各種智能技術(shù)之間的交叉結(jié)合，如模糊專家系統(tǒng)，模糊網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)等相繼提出，但大多數(shù)還處于研究階段，還有待于各種智能技術(shù)的發(fā)展和成熟，相關(guān)科學(xué)成果如小波變換、遺傳算法、卡爾曼濾波技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、概率與統(tǒng)計(jì)決策方法等也被引入到故障測(cè)距中。1.3.2故障測(cè)距的基本要求在

18、不同場(chǎng)合，對(duì)故障測(cè)距的要求也不盡相同。但是要滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要，對(duì)算法有以下幾點(diǎn)基本要求：（1）可靠性要求在故障發(fā)生后能可靠地進(jìn)行測(cè)距，無(wú)論何種故障類型和故障條件，不能因?yàn)闇y(cè)距方法內(nèi)在缺陷出現(xiàn)測(cè)距結(jié)果的發(fā)散情況。而在無(wú)故障情況下，不能錯(cuò)誤地啟動(dòng)故障測(cè)距。（2）準(zhǔn)確性保護(hù)裝置中，為了滿足繼電保護(hù)的技術(shù)要求，除了測(cè)距的精度外，更注重的則是如何快速地得到這一結(jié)。而在繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)中，由于是離線（或準(zhǔn)在線）系統(tǒng)，對(duì)于時(shí)間無(wú)嚴(yán)格要求，所以更注意的是測(cè)距精度，沒(méi)有足夠的準(zhǔn)確性就意味著測(cè)距失敗。（3）實(shí)用性要求故障測(cè)距算法不受故障類型、系統(tǒng)運(yùn)行方式、過(guò)渡電阻及其故障距離等的影響，在各種情況下均能獲得較

19、高的精度。在實(shí)際使用中，能減少人的工作量，方便易用。（4）經(jīng)濟(jì)性易于實(shí)現(xiàn)，且轉(zhuǎn)化成裝置時(shí)對(duì)元件、材料等要求適當(dāng)，成本低，生產(chǎn)的測(cè)距裝置物美價(jià)廉，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，能夠推廣使用。1.3.3輸電線路故障測(cè)距研究的現(xiàn)狀迄今為止，國(guó)內(nèi)外已有大量探討輸電線路故障測(cè)距的文章發(fā)表，有些測(cè)距裝置已投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。而且隨著通信技術(shù)和數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展，故障測(cè)距已經(jīng)能夠方便的獲得對(duì)側(cè)的信息并且測(cè)量裝置的硬件計(jì)算處理能力大大增強(qiáng)，能夠滿足復(fù)雜的運(yùn)算。1.3.4行波法存在的問(wèn)題眾觀現(xiàn)有的行波故障定位法，尚有幾個(gè)問(wèn)題有待解決：(1) 線路兩端非線性原件的動(dòng)態(tài)延時(shí)電流互感器是提取電流行波的耦合元件，其二次側(cè)的時(shí)間常數(shù)按試驗(yàn)數(shù)據(jù)

20、估計(jì)一般約為百微秒12，但要受鐵芯飽和及剩磁影響，這將使電流互感器的動(dòng)態(tài)時(shí)延具有較大的分散性；行波起動(dòng)元件也有分散延時(shí)，在新型B型故障定位算法中，1微秒的時(shí)間誤差所對(duì)應(yīng)的最大定位誤差約300米，而這種由耦合和啟動(dòng)等非線性元件引起的分散性動(dòng)態(tài)時(shí)延對(duì)行波法定位精度的影響，在現(xiàn)在的文獻(xiàn)中還幾乎沒(méi)有定量考慮。(2) 波速的影響在行波故障定位方法中波速是主要的影響因素，而其計(jì)算取決于大地電阻率和架空線的配置。高壓線路線的地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜，不同的地質(zhì)段的土壤電阻率有不同取值，且與氣候密切相關(guān)。而現(xiàn)在的行波故障定位法是建立在假設(shè)行波在輸電線路上固定的傳播波速13。1.4論文研究的主要內(nèi)容對(duì)于電力系統(tǒng)輸電線路

21、的故障測(cè)距研究，至今還要一些尚未很好解決的問(wèn)題。本文的研究工作正是圍繞著這些問(wèn)題展開(kāi)。主要的內(nèi)容和安排如下：(1)在查閱大量參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外輸電線路故障測(cè)距的基本方法和原理，并對(duì)各種測(cè)距方法的應(yīng)用情況和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較;對(duì)輸電線路的波過(guò)程基本理論和行波測(cè)距的基本原理進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述。(2)分析行波發(fā)法單端和雙端測(cè)距的基本原理，分別分析影響單端測(cè)距和雙端測(cè)距的因素。(3)在信號(hào)采集中，本文首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換，其次進(jìn)行濾波和放大，最后通過(guò)比較器進(jìn)行比較，這樣可以消除外界因素的干擾及裝置誤啟動(dòng)現(xiàn)象，提高了裝置測(cè)距的可靠性。(4)對(duì)以往各種高速采集電路的工作原理和性能特點(diǎn)進(jìn)行了

22、分析，并結(jié)合當(dāng)前微電子技術(shù)，提出了一種CPLD現(xiàn)場(chǎng)可編程器件等技術(shù)，設(shè)計(jì)出了高速數(shù)據(jù)采集電路，實(shí)現(xiàn)了多次連續(xù)、無(wú)死區(qū)記錄超高速暫態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，克服“漏記故障”現(xiàn)象，提高基于暫態(tài)信號(hào)的電力系統(tǒng)監(jiān)視、控制、保護(hù)裝置的可靠性。(5)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)裝置的可行性和采集結(jié)果的可信性。其用于輸電線路故障測(cè)距，成功捕捉到了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際故障波形，進(jìn)一步證明系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是成功的。第2章 現(xiàn)代行波測(cè)距原理2.1行波的基本概念在傳輸線間加上電壓并有電流流過(guò)時(shí)，在傳輸線及其周?chē)臻g建立了電場(chǎng) 和磁場(chǎng)。如果激勵(lì)電壓隨時(shí)間變化，則上述電場(chǎng)和磁場(chǎng)也將隨時(shí)間變化。時(shí)變 電磁場(chǎng)的普遍規(guī)律決定了傳輸線上的電壓和電流隨時(shí)間和空間

23、而變化的規(guī)律。 因此，可以說(shuō)傳輸線上的電流電壓的變化規(guī)律，就是電磁場(chǎng)在空間變化的體現(xiàn)。 電磁場(chǎng)是以波的形式向周?chē)鷤鞑サ?，所以電流電壓也是以波的形式在傳輸線上 傳播的。當(dāng)在電力系統(tǒng)沒(méi)有故障的時(shí)候，電流電壓的波形是50赫茲的正/余弦 波。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電壓電流波形將發(fā)生畸變，在這些畸變的電流電 壓行波中，包含著豐富的系統(tǒng)故障信息。若能成功提取并分析這些故障信息，這ui+ri-=Lxt 當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，由于輸電線具有分布電容和電感的存在，所以故 iu-=C+gu障電壓會(huì)以電場(chǎng)的形式以一定速度向線路兩端運(yùn)動(dòng)，即形成電壓波。同時(shí)又會(huì) tx有與電壓相對(duì)應(yīng)的電流流過(guò)，并形成磁場(chǎng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)的電流

24、就是電流波。圖2.1 單導(dǎo)線等值電路現(xiàn)在以單導(dǎo)線等值電路為例，在具有分布參數(shù)輸電線路中，若假設(shè)每單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的電感及電阻為L(zhǎng)及r，每單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的對(duì)地電容及電導(dǎo)為c及g， 則線路的等值電路如圖 (2.1)所示。嚴(yán)格地說(shuō)，輸電線的L、x、c、g都是頻率的函數(shù)。但一般輸電線的對(duì)地 電導(dǎo)g較小，而以地為回路的線路電阻:要引起波形的衰減和變形，其影響將隨 波的傳播距離而增加，為了分析方便，假設(shè)L、r、C、g均為常數(shù)，且r=0，g=0。 此時(shí)線路為無(wú)損，本文僅論及無(wú)損線路的行波過(guò)程。這樣對(duì)單相無(wú)損的分布參數(shù)線路的波動(dòng)方程可簡(jiǎn)寫(xiě)為：式（2.2）對(duì)式（2.2）進(jìn)行拉式變換求解，可得：式（2.3）式中， v=

25、1L稱為波阻抗；為電壓和電流行波沿輸電線路 ZC=ui-=LLCCxtu傳播的速度，u+-分別表示正向行波電壓和反向行波電壓；i+i-分別表示正向電-i=Cxt流 和反向行波電流。由上述方程組可以得出無(wú)損單導(dǎo)線中波過(guò)程的一些基本規(guī)律。其為：導(dǎo)線上任何一點(diǎn)的電壓或電流，等于通過(guò)該點(diǎn)的正向行波和反向行波電壓或電流之和；正向行波電壓與正向行xxu=ut-+u+ - t+Zc；反向行波電壓與反波電流之比等于正向波阻抗 vvx。 向行波電流之比等于反向波阻抗x-Zi=it-+it+ - vv 但是均勻傳輸線的波阻抗與電路中阻抗的概念不同。因其具有阻抗的量綱， x1xit-=u+ t-L。和對(duì)地電容 vZ

26、cvc。，波阻抗與線路長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。在真空中，波速為300，000Km/s，對(duì)電纜來(lái)說(shuō)，因其單位長(zhǎng)it+x=-1ut+x- -較大，故電纜中的波速一般約為vZv度對(duì)地電容C1/22/3光速。 cO0xu1 t-= v C式中，C為常數(shù)。 t<xv 式（2.4） xtv當(dāng)時(shí)間由t1，變到t2時(shí)，電壓值不變，就必須滿足t-x=C，再微分可得： vdx=v 式（2.5） dt由前可知，正向電壓行波u1，與正向電流行波i1，同極性;反向電壓行波。u2與反向電流行波i2極性相反。線路上的正向行波和反向行波，并非在任何時(shí)刻和任何情況下都同時(shí)存在。有時(shí)可能只有正向行波，例如直流電勢(shì)合閘于線路，將有一與電源

27、電壓相同方向的正向電壓行波，自電源側(cè)向線路末端運(yùn)動(dòng)。在正向電壓行波到達(dá)線路末端之前，線路上只有正向行波，沒(méi)有反向行波。需要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)線路上某點(diǎn)的正向行波與反向行波同時(shí)存在時(shí)，則該點(diǎn)的電壓與電流之比并不等于波阻抗，即 u1+u2ZCi1+i2 式（2.6）從電磁場(chǎng)的角度來(lái)說(shuō)明行波在無(wú)損線路上的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)行波在無(wú)損導(dǎo)線上傳播時(shí)，在行波到達(dá)處的導(dǎo)線周?chē)臻g建立了電場(chǎng)和磁場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度向量互相垂直并且完全處于垂直于導(dǎo)線軸的平面內(nèi)，成為平面電磁場(chǎng)。因此，行波沿?zé)o損導(dǎo)線的傳播過(guò)程就是平面電磁場(chǎng)的傳播過(guò)程。2.2 行波源在電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障的瞬間，故障點(diǎn)的電壓為零。根據(jù)迭加原理，故 障點(diǎn)電壓可視為

28、故障前的瞬間電壓穩(wěn)態(tài)和與其反相的同幅值故障暫態(tài)電壓的迭 加。因此，故障后的電力系統(tǒng)可以分成兩部分，一部分是正常運(yùn)行的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)； 另部分是故障附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)。正常運(yùn)行的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)就是故障前正常運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)， 故障附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)只在故障后發(fā)生出現(xiàn)，作用在該網(wǎng)絡(luò)中的電源就是與故障前該點(diǎn)電壓數(shù)值相等但方向相反的等效電壓源(設(shè)為E(t)。該電源稱為行波源，在該電源的作用下，故障附加網(wǎng)絡(luò)將只包含故障分量的電壓和電流。因此分析故障后系統(tǒng)的暫態(tài)行波，就是分析故障后電力系統(tǒng)的故障附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的行 波。2.3行波的發(fā)射和折射2.3.1反射波和折射波產(chǎn)生的原因輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障產(chǎn)生的電壓和電流行波在故障點(diǎn)及母線之間

29、來(lái)回反射，大多還將發(fā)生折射。輸電線上各點(diǎn)電流電壓波形是反射和折射疊加的結(jié)果。如架空輸電線路為無(wú)限長(zhǎng)均勻輸電線，電壓行波u和電流行波i之間的關(guān)系由波阻抗Z決定。此時(shí)，電磁波在傳播過(guò)程中向周?chē)橘|(zhì)散發(fā)功率，對(duì)波源的電源而言，無(wú)限長(zhǎng)均勻輸電線可以用一等值電阻R=Z來(lái)表示。若將輸電線路看作是一個(gè)均勻的分布參數(shù)元件，行波在沿線路傳播時(shí)，所遇到的波阻抗是不變的。但是當(dāng)行波傳播到線路與其它電力設(shè)備的連接點(diǎn)時(shí)，電路參數(shù)會(huì)發(fā)生突變，波阻抗也隨之發(fā)生突變，電壓和電流行波在線路上建立起來(lái)的傳播關(guān)系也就被破壞。這時(shí)會(huì)有一部分行波返回到原輸電線路上，另一部分則通過(guò)連接點(diǎn)傳至其它電路環(huán)節(jié)中，這種現(xiàn)象稱為行波的反射和折射現(xiàn)

30、象。由線路傳向連接點(diǎn)的行波稱為入射波，由連接點(diǎn)返回到原線路上的行波稱為反射波，而傳播到其它電路設(shè)備上的行波稱為折射波。并且這些行波在連接點(diǎn)處都滿足基爾霍夫定律。2.3.2反射波和折射波的計(jì)算輸電線路上的行波沿線傳播時(shí)，若通過(guò)具有不同波阻抗的兩條線路連接點(diǎn)時(shí)，即遇到線路參數(shù)或波阻抗不連續(xù)時(shí)，必然發(fā)生電壓與電流的變化，即發(fā)生行波的反射和折射現(xiàn)象，如圖 (2.2)所示。圖2.2行波的反射和折射現(xiàn)象當(dāng)電壓正向行波u1r；沿線路1傳播時(shí)，為了保持單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的電場(chǎng)和磁場(chǎng)能相等的規(guī)律，在線路1和線路2參數(shù)不相等的情況下，必然發(fā)生電壓與電流的變化，即發(fā)生行波的反射和折射現(xiàn)象。如圖(2.2)所示，電壓波沿輸電

31、線1入射，在到達(dá)點(diǎn)F之前，輸電線上只存在正向前行電壓波u1r;和與之相對(duì)應(yīng)的電流波前行波I1r，在到達(dá)點(diǎn)F后發(fā)生反射和折射，產(chǎn)生了沿輸電線1反行的電壓波u1f、電流波I1f以及沿輸電線2前行的電壓波u2z和電流波I2z。由于點(diǎn)F處電壓和電流的連續(xù)性，且滿足基爾霍夫電壓電流定律。則可列以下表達(dá)式：u1r+u1f=u1zI1r+I1f=I1z 式（2.7） 在由電壓波和對(duì)應(yīng)的電流波之間的關(guān)系可列以下表達(dá)式：u1r=z1I1r u1f=-z1I1f u2z=z2I2 式（2.8） 由式（2.7）和式（2.8）可得F點(diǎn)出折射電壓和電流和反射電壓和電流與入射電壓和電流之間的關(guān)系，其如以下表達(dá)式所示：z2

32、-z1= = u u 1 f uu 1 r 式（2.9） 1r z2+z1 u1f z I = 1-z2I 式（2.10） i=-=1fi1x1r z 1 z 2 +z1u 2 z1 式（2.11） i2z=aii1r=2t=i1r z 2 z +z12 2z2u2z=auu1r=u1r式（2.12） z1+z2-z1z-z式中， z 稱為電流反射系數(shù)； u= 2 稱為電壓反射系數(shù)；i=-21z2+z1z2+z12z22z1= a i = a u z1+z2z1+2z2根據(jù)彼德遜法則，還可求出具有波阻抗的線路和一個(gè)集中等值電路相連時(shí)，接點(diǎn)處的電壓和電流。此時(shí)，反射和透射系數(shù)可用LAPLACE函

33、數(shù)表示為如下形式(以電壓行波為例)： ( s ) = 21 式（2.13） z(s)-zz2(s)+z1= 2 式（2.14） ( s )2z(s)z1+z2(s)式中，z2(s)為不連續(xù)點(diǎn)，除線路1之外所以元件的等值阻抗。2.3.3行波反射和折射的特點(diǎn)通過(guò)對(duì)反射波與折射波計(jì)算公式的推導(dǎo)，可總結(jié)出反射波與折射波由以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）當(dāng)無(wú)限長(zhǎng)均勻輸電線路末端短路(即z2=0)時(shí)18，按上式計(jì)算可得：u1f=-u1f I1f=I1r u2z=0 I2z=2I1r由此可得入射電壓波u1r在短路點(diǎn)發(fā)生了負(fù)的全反射，反射電流與入射電流 相等但從而使線路末端折射電壓降為0，折射電流上升為入射電流的2倍。結(jié)

34、合 波過(guò)程的物理概念可知，此時(shí)線路末端的電場(chǎng)能量全部轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能量。（2）當(dāng)無(wú)限長(zhǎng)均勻輸電線路末端開(kāi)路(即z2=)時(shí)，同樣根據(jù)上式分別計(jì) 算可得：u1f=u1r I1f=-I1r u2z=2u1r I2z=0由此可得入射電壓波u1r在線路末端發(fā)生了正的全反射，使得入射電壓等于 反射電壓，同時(shí)電流波發(fā)生了負(fù)的全反射，即入射電流等于負(fù)的反射電流。但從而使折射波的波頭降低。（4）對(duì)于雙電源的輸電線路，線路中間某一點(diǎn)F發(fā)生接地故障時(shí)，由上述分析可知，故障點(diǎn)將同時(shí)產(chǎn)生向線路兩端傳播的同極性的電壓反射波，此反射波的極性與故障前點(diǎn)F的電壓極性相反。而從能量轉(zhuǎn)換的角度看，故障點(diǎn)出現(xiàn)了 電場(chǎng)能量向磁場(chǎng)能量的轉(zhuǎn)化

35、，從而使故障處的電流上升，并逐步向線路兩端發(fā)展。通常情況下，由于故障點(diǎn)存在過(guò)渡電阻，由上述的分析可知，在線路的兩個(gè)端點(diǎn)測(cè)量得到的電流或電壓隨時(shí)間變化的波形中包含了復(fù)雜的波的折射和反射過(guò)程。2.4 波的衰弱和變形圖2.3均勻有損輸電線分布參數(shù)等效電路如前所述，前面己討論過(guò)無(wú)損輸電線的波動(dòng)過(guò)程的規(guī)律2。但是由于實(shí)際輸電線路并非均勻無(wú)損傳輸線，因此當(dāng)行波沿著實(shí)際線路傳播時(shí)會(huì)由于輸電線電阻、大地電阻、輸電線對(duì)地電導(dǎo)，以及電暈等損耗而發(fā)生衰減和變形。由前述的行波的物理概念可知，波在波阻抗均勻的無(wú)損輸電線路中傳播時(shí)，電壓波和電流波之間的關(guān)系由波阻抗決定，輸電線路上單位長(zhǎng)度介質(zhì)空間獲得的電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量相

36、等，而波在經(jīng)過(guò)兩種不同的波阻抗介質(zhì)交界處時(shí)，由于發(fā)生了磁場(chǎng)能量和電場(chǎng)能量的相互轉(zhuǎn)化而形成了波的折射和反射。下面從能量轉(zhuǎn)化的角度來(lái)分析電壓波和電流波的衰減規(guī)律。如圖(2.3)所示。假設(shè)幅值為U的電壓波沿均勻有損輸電線傳播時(shí)，由物理知識(shí)可知單位長(zhǎng)度輸電線周?chē)臻g電場(chǎng)能量為Cu，輸電線在單位長(zhǎng)度對(duì)地電導(dǎo)上消耗的電能為gu，于是，由于電場(chǎng)能量的損耗而引起的電壓波衰減規(guī)律以如下式所示的指數(shù)衰減變化： 22gxu=Uexp(-)式（2.15） cv式中：x為波的傳播距離；g為單位長(zhǎng)度對(duì)地電導(dǎo)；c為單位長(zhǎng)度輸電線周?chē)臻g電場(chǎng)；v為波速。同理，幅值為I的電流波沿均勻有損輸電線路傳播時(shí)，單位長(zhǎng)度輸電線路周?chē)臻g

37、的磁場(chǎng)能量為L(zhǎng)i2，輸電線路在單位長(zhǎng)度電阻上消耗的電能為ri而引起的電流波衰減規(guī)律如下所示： 22。于是，由于電磁能量的損耗i=Iexp(-)式（2.16）由上面分析可知，由于電壓波和電流波總是相伴傳播的，在二者初始到達(dá)輸電線的某一點(diǎn)時(shí)，空間的電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量相等。此后，電導(dǎo)g和電阻r對(duì) rLxv電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量的消耗，空間電場(chǎng)能量密度將大于磁場(chǎng)能量密度。因此，行波在有損輸電線的傳播過(guò)程中將不斷發(fā)生電場(chǎng)能量向磁場(chǎng)能量的轉(zhuǎn)化。即電壓波在前進(jìn)的過(guò)程中不斷發(fā)生負(fù)反射，而電流波在前進(jìn)的過(guò)程中不斷的發(fā)生正反射，從而使波前電壓不斷降低而波前電流則不斷增大，以維持電磁波在前進(jìn)方向上首端電壓波和電流波的比

38、例為波阻抗的關(guān)系式。因此，電壓波和電流波在實(shí)際的傳播過(guò)程中由于衰減，使波頭逐漸削平。2.5現(xiàn)代行波測(cè)距方法2.5.1單端A型測(cè)距方法A型現(xiàn)代行波測(cè)距原理為單端原理10,11。根據(jù)所檢測(cè)反射波性質(zhì)的不同，可以將A型現(xiàn)代行波測(cè)距原理分為三種運(yùn)行模式，即標(biāo)準(zhǔn)模式、擴(kuò)展模式和綜合模式。結(jié)果表明，其誤差一般不超過(guò)500m。2.5.1.1 標(biāo)準(zhǔn)模式當(dāng)被監(jiān)測(cè)的線路發(fā)生故障時(shí)，故障產(chǎn)生的電流行波會(huì)在故障點(diǎn)及母線之間來(lái)回反射。裝設(shè)于母線處的測(cè)距裝置接入來(lái)自電流互感器二次側(cè)的暫態(tài)行波信號(hào)，使用模擬或數(shù)字高通濾波器濾出行波波頭脈沖，形成如圖 (2.4)所示的電流行波波形。其原理是利用線路故障時(shí)在測(cè)量端感受到的第1個(gè)

39、正向行波浪涌與其在故障點(diǎn)反射波之間的時(shí)延計(jì)算測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)之間的距離。由于母線阻抗與線路波阻抗不一樣，電流行波在母線與故障點(diǎn)都是產(chǎn)生正反射，故故障點(diǎn)反射與故障初始行波同極性，而故障初始行波脈沖與故障點(diǎn)反射回來(lái)的行波脈沖之間的時(shí)間差t對(duì)應(yīng)行波在母線與故障點(diǎn)之間往返一趟的時(shí)間，可以用來(lái)計(jì)算故障距離。設(shè)故障初始行波與由故障點(diǎn)反射波到達(dá)母線的時(shí)間分別為T(mén)s1，和Ts2，行波波速v(接近為光速，具體取決與線路分布參數(shù))則故障距離Xs如下式所示：圖2.4A型測(cè)距原理示意圖Xs=vt=v(Ts2-Ts1) 式（2.17）為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模式下的A型現(xiàn)代行波故障測(cè)距原理，在測(cè)量端必須能夠準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)到故障引起

40、的第1個(gè)正向行波浪涌在故障點(diǎn)的反射波。2.5.1.2擴(kuò)展模式當(dāng)故障點(diǎn)對(duì)暫態(tài)行波的反射系數(shù)較小時(shí)，在測(cè)量端可能檢測(cè)不到本端第1個(gè)正向行波浪涌在故障點(diǎn)的反射波，從而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)模式下的A型現(xiàn)代行波故障測(cè)距原理失效。但在這種情況下，擴(kuò)展模式下的A型現(xiàn)代行波故障測(cè)距原理卻能很好地發(fā)揮作用。擴(kuò)展模式下的A型現(xiàn)代行波故障測(cè)距原理，是利用線路故障時(shí)在測(cè)量端感受到的第1個(gè)反向行波浪涌，與經(jīng)過(guò)故障點(diǎn)折射過(guò)來(lái)的故障初始行波浪涌在對(duì)端母線反射波之間的時(shí)延，來(lái)計(jì)算對(duì)端母線到故障點(diǎn)之間的距離。若當(dāng)故障點(diǎn)在線路中點(diǎn)以內(nèi)時(shí)，由于來(lái)自故障線路方向的第二同極性行波波頭是故障點(diǎn)反射波，根據(jù)它與故障初始行波的時(shí)間差t，利用式 (2.1

41、7)來(lái)測(cè)距。當(dāng)故障點(diǎn)在線路中點(diǎn)以外時(shí)，來(lái)自線路方向的第二個(gè)行波波頭是來(lái)自故障線路對(duì)端的反射波，由于觀察到的對(duì)端反射波與故障初始行波反極性，故時(shí)間差t'對(duì)應(yīng)行波在故障點(diǎn)與對(duì)端母線間往返一趟的時(shí)間，因此，計(jì)算出故障點(diǎn)距對(duì)端的距離如下式所示： 1212XR=vt'=v(TS2-TS1)式（2.18）S 11圖2.5故障點(diǎn)存在透射時(shí)A型測(cè)距原理示意為了實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展模式下的A型現(xiàn)代行波故障測(cè)距原理，在測(cè)量端必須能夠準(zhǔn) 確、可靠地檢測(cè)到經(jīng)故障點(diǎn)透射過(guò)來(lái)的故障初始行波浪涌在對(duì)端母線的反射波。2.5.1.3綜合模式綜合模式下的A型現(xiàn)代行波故障測(cè)距原理是利用線路故障時(shí)，在測(cè)量端感受到的第1個(gè)正向行波

42、浪涌，與第2個(gè)反向行波浪涌之間的時(shí)延來(lái)計(jì)算本端測(cè)量點(diǎn)或?qū)Χ四妇€到故障點(diǎn)之間的距離的。分析表明，無(wú)論母線接線方式如何，故障初始行波浪涌到達(dá)母線時(shí)都能夠產(chǎn)生幅度較為明顯的反射波?？梢?jiàn)，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，測(cè)量端感受到第1個(gè)正向行波浪涌和第1個(gè)反向行波浪涌的時(shí)間是相同的。測(cè)量端感受到的第2個(gè)反向行波浪涌，既可以是第1個(gè)正向行波浪涌在故障點(diǎn)的反射波(當(dāng)故障點(diǎn)位于線路中點(diǎn)以內(nèi)時(shí))，也可以是經(jīng)過(guò)故障點(diǎn)透射過(guò)來(lái)的故障初始行波浪涌在對(duì)端母線的反射波(當(dāng)故障點(diǎn)位于線路中點(diǎn)以外時(shí))，還可以是二者的疊加(當(dāng)故障點(diǎn)正好位于線路中點(diǎn)時(shí))。對(duì)于高阻故障(故障點(diǎn)反射波較弱)，即便故障點(diǎn)位于線路中點(diǎn)以內(nèi)，在測(cè)量點(diǎn)感受到的第2個(gè)

43、反向行波浪涌也有可能對(duì)端母線反射波對(duì)于故障點(diǎn)電弧過(guò)早熄滅的故障(故障點(diǎn)不存在反射波)，無(wú)論故障點(diǎn)位置如何，在測(cè)量點(diǎn)感受到的第2個(gè)反向行波浪涌均為對(duì)端母線反射波。因此，當(dāng)線路故障時(shí)，如果在測(cè)量端能夠正確識(shí)別所感受到的第2個(gè)反向行 波浪涌的性質(zhì)，即可實(shí)現(xiàn)單端行波故障測(cè)距。具體說(shuō)來(lái)，當(dāng)?shù)?個(gè)反向行波浪涌 為本端第1個(gè)正向行波浪涌在故障點(diǎn)的反射波時(shí)，二者之間的時(shí)間延遲對(duì)應(yīng)于本 端測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)之間的距離;當(dāng)?shù)?個(gè)反向行波浪涌為對(duì)端母線反射波時(shí)，它與本端測(cè)量點(diǎn)第1個(gè)正向行波浪涌之間的時(shí)延，便對(duì)應(yīng)于對(duì)端母線到故障點(diǎn)之間的距離。 可見(jiàn)，為了實(shí)現(xiàn)綜合模式下的A型現(xiàn)代行波故障測(cè)距，在測(cè)量端必須能夠準(zhǔn)確和可靠地檢

44、測(cè)到故障引起的第2個(gè)反向行波浪涌，并且識(shí)別其性質(zhì)。2.5.2雙端D型測(cè)距方法D型現(xiàn)代行波故障測(cè)距原理為利用故障暫態(tài)行波的雙端測(cè)距原理12，它利用 線路內(nèi)部故障產(chǎn)生的初始行波浪涌到達(dá)線路兩端測(cè)量點(diǎn)時(shí)的絕對(duì)時(shí)間之差，來(lái)計(jì)算故障點(diǎn)到兩端測(cè)量點(diǎn)之間的距離。設(shè)線路長(zhǎng)度為L(zhǎng)，行波波速為v，故障產(chǎn)生的初始行波波頭到兩測(cè)母線的時(shí) 間分別為T(mén)S和TR，如圖 (2.6)所示。裝于線路兩端測(cè)距裝置記錄下故障行波波頭到達(dá)兩端母線的時(shí)間，則故障點(diǎn)到母線S及R的距離XS、XR分別如下式所示：式（2.19） XS=(TS-TR)v+L/2式（2.20） XR=(TR-TS)v+L/2從上式可以看出D型現(xiàn)代行波故障測(cè)距原理是

45、利用線路長(zhǎng)度、波速度和故障初始行波浪涌，到達(dá)故障線路兩端母線時(shí)的絕對(duì)時(shí)間之差值計(jì)算故障距離。不需要考慮后續(xù)的反射與折射行波，原理簡(jiǎn)單，測(cè)距結(jié)果可靠。但是運(yùn)用這種方法，需要在線路兩端裝設(shè)數(shù)據(jù)采集及時(shí)間同步裝置(GPS時(shí)鐘)，且其兩側(cè)還要進(jìn)行通信，以交換記錄到的故障初始行波達(dá)到的時(shí)間信息，而后才能測(cè)出故障距離來(lái)。若不具備自動(dòng)通信條件，當(dāng)然可借用電話方式進(jìn)行聯(lián)系，人工交換記錄到的故障初始行波到達(dá)的時(shí)間，再利用公式計(jì)算故障距離。這樣，能否獲得準(zhǔn)確的線路長(zhǎng)度、波速度和故障初始行波浪涌的到達(dá)時(shí)刻，將直接影響到測(cè)距的準(zhǔn)確性。各因素的影響分析如下：首先是線路長(zhǎng)度的影響，嚴(yán)格來(lái)講，無(wú)論是傳統(tǒng)的故障測(cè)距原理，還是

46、行波 故障測(cè)距原理，其測(cè)距結(jié)果都表示故障點(diǎn)到線路末端的實(shí)際導(dǎo)線長(zhǎng)度。但巡線時(shí)往往將測(cè)距結(jié)果當(dāng)作地理上的水平距離，并以此作為查找故障和計(jì)算測(cè)距誤差的依據(jù)，而并不考慮線路弧垂的影響。同樣，線路全長(zhǎng)也是以水平距離的形式預(yù)先給定，當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí)，計(jì)算弧垂影響后的實(shí)際導(dǎo)線長(zhǎng)度與導(dǎo)線水平長(zhǎng)度相差較大。可是D型行波故障測(cè)距方法需要利用線路全長(zhǎng)，因而其測(cè)距誤差往往比其它不需線路全長(zhǎng)的行波故障測(cè)距方法(如A型原理法)的測(cè)距誤差要大。較理想的做法是利用線路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算出不同溫度條件下沿線各檔距內(nèi)的實(shí)際導(dǎo)線長(zhǎng)度，進(jìn)而獲得實(shí)際線路導(dǎo)線的總長(zhǎng)度(用于D型測(cè)距)，并最終將故障測(cè)距結(jié)果換算為故障所在檔距或桿塔號(hào)。其次是波速的

47、影響，故障暫態(tài)行波具有從低頻到高頻的連續(xù)頻譜，其中不同頻率分量的傳播速度是不相同的。行波分量的頻率越低，其傳播速度越慢;行波分量的頻率越高，其傳播速度也越快，并且越趨于一致(接近光速)。隨著電壓等級(jí)的不同，輸電線路暫態(tài)行波中高頻分量的傳播速度大約在光速的97%一990%范圍內(nèi)變化，具體可以利用線路結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，也可以實(shí)際測(cè)量。最后是初始行波浪漏的到達(dá)時(shí)刻的影響。為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)距結(jié)果，故障初始行波浪涌的到達(dá)時(shí)刻，應(yīng)定義為其中能夠到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的最高頻率分量的到達(dá)時(shí)刻。從時(shí)域來(lái)看，故障初始行波浪涌的到達(dá)時(shí)刻，就是其波頭起始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，該時(shí)刻的測(cè)量誤差取決于采樣頻率和GPS對(duì)時(shí)誤差。采樣頻率越

48、高，對(duì)故障初始行波波頭起始位置的標(biāo)定誤差越小;GPS對(duì)時(shí)誤差越小，對(duì)故障初始行波波頭起始時(shí)刻的標(biāo)定誤差越小。但是，由于暫態(tài)行波中的高頻分量在傳播過(guò)程中隨傳播距離的增加會(huì)發(fā)生較大程度的衰減，因此當(dāng)采用固定的波速度時(shí)，到達(dá)線路兩端的故障初始波頭時(shí)間差越大(即故障點(diǎn)越靠近線路某一端)，其測(cè)量誤差也越大。此外，研究發(fā)現(xiàn)GPS接收機(jī)普遍存在輸出信號(hào)瞬時(shí)不穩(wěn)定、衛(wèi)星失鎖以及時(shí)鐘跳變等問(wèn)題，因而其輸出的時(shí)間信息和秒脈沖信號(hào)(IPPS)不能直接利用，必須附加高穩(wěn)定度守時(shí)鐘，且需要消除偏差超過(guò)某一限定范圍的時(shí)間同步信號(hào)。綜合考慮以上因素，D型現(xiàn)代行波故障測(cè)距原理的準(zhǔn)確性將略低于A型現(xiàn)代 行波故障測(cè)距原理的準(zhǔn)確性

49、，但測(cè)距誤差一般不會(huì)超過(guò)1km，這一點(diǎn)也己經(jīng)被實(shí)測(cè)故障分析所證明。然而，現(xiàn)在一些文獻(xiàn)中提出了一種帶補(bǔ)償量的D型測(cè)距方法，其利用故障初始行波浪涌波頭起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)刻，與測(cè)距裝置直接檢測(cè)到該行波浪涌到達(dá)絕對(duì)時(shí)刻之間的相對(duì)差值對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，這給測(cè)距算法的實(shí)時(shí)應(yīng)用帶來(lái)了方便。2.6幾種測(cè)距的比較上述幾種行波測(cè)距方法，都是通過(guò)測(cè)定行波在線路中傳播時(shí)間來(lái)確定故障點(diǎn)。A型利用重合閘動(dòng)作產(chǎn)生的行波和利用斷路器動(dòng)作產(chǎn)生的行波進(jìn)行故障測(cè)距，所用儀器最少(前端只用一個(gè)高采樣率采集器即可)；D型需要配備穩(wěn)定性很好的通信通道。從處理信息過(guò)程來(lái)看，A型則需要有效區(qū)分是從故障點(diǎn)反射來(lái)的行波，還是對(duì)端母線反射來(lái)的行

50、波，以及連于同一母線上的其它線路上傳播并透射到此線路上的行波；D型利用的是故障點(diǎn)產(chǎn)生的第一個(gè)行波浪涌，較容易取得，且不存在上述問(wèn)題。A型先利用故障點(diǎn)反射波存在一定的盲區(qū)，但如果利用對(duì)端母線反射的行波或信號(hào)模量有望消除盲區(qū)；D型不存在盲區(qū)問(wèn)題。各種類型的行波法都存在一個(gè)準(zhǔn)確測(cè)定行波到來(lái)時(shí)刻的問(wèn)題。另外，D型還存在一個(gè)線路兩端基準(zhǔn)時(shí)間要高度同步的問(wèn)題。行波信號(hào)源與故障發(fā)生時(shí)刻也有很大關(guān)系;在電壓過(guò)零附近故障時(shí)，暫態(tài)行波十分微弱，此時(shí)A型和D型測(cè)距方法將失效。實(shí)際故障記錄表明，線路的絕大多數(shù)故障都發(fā)生在電壓峰值前約40角以內(nèi)，在電壓過(guò)零點(diǎn)的故障是十分罕見(jiàn)的。另外，借助其它測(cè)距法（如阻抗法）可消除此問(wèn)

51、題。各種行波法面臨的一個(gè)共同問(wèn)題是外界干擾問(wèn)題。D型增加了通道線，抗干擾工作也相應(yīng)增加。綜上所述，目前A型、D型都有使用價(jià)值。A型測(cè)距技術(shù)已經(jīng)成熟，但仍需進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度和降低裝置的使用難度。在線測(cè)距法還有很大的發(fā)展空間，其中A型測(cè)距法在以后的開(kāi)發(fā)研制中可能是主要方法?？梢哉J(rèn)為，開(kāi)發(fā)價(jià)格較低、可靠性高，且在線實(shí)時(shí)測(cè)量的故障測(cè)距裝置，選用A型行波測(cè)距法為主，其它方法為輔的測(cè)距方法較為適宜3,4。如果把測(cè)距分為單端和雙端，那么上面所述中的二種測(cè)距方法中，A型測(cè)距是屬為單端測(cè)距，而D型測(cè)距是雙端測(cè)距?，F(xiàn)在從它們的裝置本身的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)的原理來(lái)比較一下它們的優(yōu)缺點(diǎn)。 02.6.1單端法優(yōu)缺點(diǎn)由上述分析

52、可知單端法優(yōu)點(diǎn)是：（1）單端測(cè)距法較雙端測(cè)距法的成本降低一半以上，可不需要GPS時(shí)標(biāo)系 統(tǒng)及兩端數(shù)據(jù)通訊等，測(cè)距結(jié)果的實(shí)時(shí)性高；（2）如果準(zhǔn)確判斷出故障點(diǎn)反射或透射回到測(cè)量點(diǎn)的行波，由于測(cè)距結(jié)果基本不受線路兩端所涉及的設(shè)備和硬件的時(shí)間不一致性影響，則測(cè)距精確，能夠滿足電力系統(tǒng)對(duì)精確故障定位的要求。但是單端法還存在一些不足，其缺點(diǎn)主要為：?jiǎn)味藴y(cè)距法原理上存在較大缺陷。行波的極性和幅值是行波最重要的特征之一，在很多線路結(jié)構(gòu)和故障情況下，無(wú)法進(jìn)行單端測(cè)距。同時(shí)，單端測(cè)距還存在測(cè)距死區(qū)的問(wèn)題，并且由于行波在整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)各個(gè)一次設(shè)備和各條線路的連接處都要發(fā)生反射和折射，且行波傳輸過(guò)程中衰減較大，使得故障點(diǎn)

53、反射行波波頭的辨識(shí)變得復(fù)雜。因此，行波法對(duì)硬件設(shè)施的要求限制了它的應(yīng)用。若想用單端法來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠測(cè)距，需要結(jié)合阻抗法進(jìn)行聯(lián)合單端測(cè)距組合而成。該方法的特點(diǎn)是基本阻抗測(cè)距算法穩(wěn)定性可靠性高，電流行波測(cè)距算法簡(jiǎn)捷可靠，并且它們都己經(jīng)過(guò)多年實(shí)際運(yùn)行的考驗(yàn)。該方法綜合了二者的優(yōu)點(diǎn)，具有可靠性高，測(cè)距準(zhǔn)確的特點(diǎn)，這樣實(shí)現(xiàn)可靠的故障定位。2.6.2雙端法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)于D型雙端法測(cè)距其優(yōu)點(diǎn)主要是：（1）由于母線兩端都只檢測(cè)第一個(gè)到達(dá)的行波，線路的過(guò)渡電阻的電弧特性、系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化（是否多分支線路等）、線路的分布電容，以及負(fù)荷電流等對(duì)測(cè)距復(fù)雜性不會(huì)造成大的影響，不用考慮行波的反射與折射，行波幅值大，易于辨識(shí)，使

54、得計(jì)算處理簡(jiǎn)單。因此，雙端行波法比單端行波法測(cè)距結(jié)果更準(zhǔn)確和可靠；（2）雙端法的測(cè)距結(jié)果一般能夠滿足電力系統(tǒng)對(duì)精確故障定位的要求，測(cè)距誤差可在500米以內(nèi)；（3）由于輸電線路的長(zhǎng)度參數(shù)一般都是通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)或是實(shí)測(cè)參數(shù)得到的，而設(shè)計(jì)參數(shù)一般與線路施工后的實(shí)際參數(shù)會(huì)有一定差別，同時(shí)實(shí)測(cè)輸電線路長(zhǎng)度時(shí)，都是通過(guò)測(cè)量線路的有關(guān)工頻參數(shù)來(lái)推算線路長(zhǎng)度，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求很高，并且常常會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)參數(shù)結(jié)果不準(zhǔn)確。由于雙端行波法測(cè)距的準(zhǔn)確性，可以用它通過(guò)區(qū)外故障和區(qū)內(nèi)故障校核輸電線路實(shí)際長(zhǎng)度，該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施，對(duì)繼電保護(hù)的整定計(jì)算和EMS高級(jí)應(yīng)用軟件的計(jì)算精度具有重要意義。但是雙端法也存在缺點(diǎn)，其主要為：（1）

55、雙端測(cè)距法的成本較高，還需要GPS時(shí)鐘系統(tǒng)及兩端數(shù)據(jù)通訊等；（2）對(duì)多回線路結(jié)構(gòu)，原理上存在不足，需要單端行波法作為補(bǔ)充；（3）在實(shí)際應(yīng)用中，即使采用GPS同步采樣，現(xiàn)場(chǎng)的電壓電流互感器及保護(hù)裝置對(duì)電壓電流的傳輸具有一定的時(shí)延，很難做到真正意義上的雙端數(shù)據(jù)同步。 1 s的時(shí)間誤差所對(duì)應(yīng)的測(cè)距誤差300m，而這種由藕合和啟動(dòng)等非線性元件引起的分散性動(dòng)態(tài)時(shí)延對(duì)行波法測(cè)距精度的影響，在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中還幾乎沒(méi)有定量考慮。當(dāng)利用GPS雙端定位系統(tǒng)時(shí)，由于采樣部分信號(hào)傳輸特性及采樣頻率的限制，無(wú)法辨識(shí)近距故障行波，一般只能辨識(shí)低150kHZ的行波信號(hào)。而且要在廣闊的地理區(qū)域提供采用GPS的微秒級(jí)定時(shí)精度，其

56、基建和維護(hù)需要大量資金投入，故在應(yīng)用上有一定的局限性。第3章故障測(cè)距裝置硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案與功能當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障行波會(huì)從故障點(diǎn)沿著故障電路向兩側(cè)母線傳播，根據(jù)行波法A型原理進(jìn)行故障測(cè)距時(shí)需要準(zhǔn)確記錄故障行波的波形，根據(jù)D型原理進(jìn)行故障測(cè)距時(shí)需要記錄行波信號(hào)到達(dá)線路兩端的時(shí)間。本文行波法故障測(cè)距實(shí)驗(yàn)裝置主要根據(jù)行波法的A型原理和D型原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。圖3.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)行波故障測(cè)距系統(tǒng)主要包括行波采集與處理系統(tǒng)、與PC主站相連的行波綜合分析系統(tǒng)和遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)，以及通信通道等4部分組成27，如圖 (3.1)所示。行波采集與處理系統(tǒng)安裝在廠站端。它采用集中組屏式結(jié)構(gòu)，包括行波采集

57、裝置、T-GPS電力系統(tǒng)同步時(shí)鐘、以及當(dāng)?shù)靥幚頇C(jī)3部分21-23，如圖 (3.2)所示。行波采集裝置采用插箱式單CPU(單片機(jī))結(jié)構(gòu)，包括模擬信號(hào)變換器、高速A/D轉(zhuǎn)換器、高速數(shù)據(jù)采集單元(DSP)、SDRAM、可編程邏輯控制器、中央處理器、高精度時(shí)鐘單元以及電源等插件，它主要是功能是負(fù)責(zé)暫態(tài)電流/電壓信號(hào)的采集、緩存以及暫態(tài)啟動(dòng)，并生成啟動(dòng)報(bào)告，其包括暫態(tài)行波觸發(fā)時(shí)刻(精確到s觸發(fā)線路、觸發(fā)類型和暫態(tài)電流/電壓波形等信息。T-GPS電力系統(tǒng)同步時(shí)鐘內(nèi)置全球定位系統(tǒng)(GPS)及全球統(tǒng)一時(shí)間信息，主要是實(shí)現(xiàn)兩端時(shí)間的同步。當(dāng)?shù)靥幚頇C(jī)由一臺(tái)工控機(jī)構(gòu)成，它負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)來(lái)自行波采集裝置的暫態(tài)啟動(dòng)報(bào)告，并與安裝在線路的另一端的變電所內(nèi)的行波采集與處理系統(tǒng)交換啟動(dòng)數(shù)據(jù)，最后交到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而自動(dòng)給出雙端行波故障測(cè)距。圖3.2行波采集與處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)行波綜合分析系統(tǒng)一般在調(diào)度端。它由一臺(tái)普通PC機(jī)構(gòu)成，主要有以下主要功能：(l)自動(dòng)或人工遠(yuǎn)程提取廠站端行波采集與處理系統(tǒng)的暫態(tài)啟動(dòng)報(bào)告，并永久保存；(2)自動(dòng)進(jìn)行雙端行波故障測(cè)距；(3)提供人工波形分析功能及基于匹配濾波器、小波變換和計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)的自動(dòng)波形