基于行波传感器的输电线路故障定位方法研究

基于行波传感器的输电线路故障定位方法研究

曾祥君

1

, 尹项根2, 林福昌2, 李晓华2, 陈德树2

(1． 长沙电力学院电力系， 湖南 长沙410077；2. 华中科技大学电气与电子工程学院，湖北 武汉430074)

STUDY ON FAULT LOCATION FOR TRANSMISSION LINES BASED

ON THE SENSOR OF TRAVELING-WAVE ZENG Xiang-jun1, YIN Xiang-gen2, LIN Fu-chang2, LI Xiao-hua2, CHEN De-shu2

(1. Department of Electric Power, Changsha University of Electric Power, Changsha 410077, China ;

2. College of Electrical & Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology,

Wuhan 430074, China)

ABSTRACT: The voltage traveling-wave in transmission line is difficult to be accurately detected in the secondary of capacitive voltage transformer (CVT) which has bad character to transform high frequency signals. A new sensor to detect the voltage traveling-wave is designed in this paper. It can measure the current traveling-wave from CVT to ground. The incipient times of traveling-wave appearing in every station are measured and a new fault location system for the whole grid is implemented. Simulations and prototype testing show that this fault location method has high precision and can be implemented easily and cheaply.

KEY WORDS: fault location; traveling-wave sensor; capa- citive voltage transformer (CVT)

摘要：电容式电压互感器高频响应特性差，满足不了对电压行波测量的要求。该文利用测量电容式电压互感器(CVT)的入地电流行波来检测线路电压行波，设计了行波传感器，提出了硬件行波波头检测方法，并应用于基于整个电网的行波故障定位。仿真分析及装置实验测试表明：该方法实现简单、安装方便、鲁棒性强、定位精度高。该技术已申请国家发明专利。

关键词：故障定位； 行波； 传感器； 电容式电压互感器(CVT)

中图分类号：TM711 文献标识码：A

压互感器（CVT）暂态响应特性差，满足不了行波

测量的要求，因此电压行波故障定位实现困难。国内对电压行波故障定位研究较少，主要研究采用电流行波进行故障定位[1~3]。

输电线路故障行波定位的关键是寻找行波波头到达时刻，国内通常采用软件方法进行查找。该方法需要高速采集系统（若采用双端行波定位，还需要记录GPS时钟信号）及复杂的分析计算；现场实现时，需要强有力的硬件和软件支持，增加了行波定位装置的造价，且检测精度有限，难以检测初相角10°以下的故障[1,2]。

加拿大研制成功并在B.C Hydro 输电网运行的电压行波故障定位系统，现场定位误差小于300m[4]。该系统在CVT地线上串接一电抗器，提取电力系统故障或扰动产生的电压行波，经峰值和上升时间判据检测行波波头 (上升时间为0.7~8.3µs，对应的行波频率为30~350kHz)，直接由行波波头到达时间进行故障定位，因而无需复杂的高速采集和信息处理[4]。但该定位系统安装时，需要改变一次系统接线，可能会对系统运行造成一定影响，在我国难以得到电力运行部门的认可，难以推广应用。因此，有必要研制一种与一次系统无直接电联系，不影响系统运行的行波传感器。

本文采用CVT地线上电流行波反映线路电压行波进行故障定位的方法，研制了行波传感器，可实现基于整个电网的电压行波故障定位。

1 引言

输电线路故障行波定位按信号可分为：电流行波故障定位和电压行波故障定位。由于电容式电

国家发明专利项目：申请号(00131128⋅x)。

第6期 曾祥君等：　　基于行波传感器的输电线路故障定位方法研究 　　　　　 43

2 行波信号的提取

2.1 测量信号的选取

由于CVT高频传输特性差，电压行波不能直接从CVT二次侧提取。经分析，CVT地线上入地的电流行波信号为

dui＝c (1)

dt

式中 i为从线路或母线经CVT流入大地的电流；c为CVT电容；u为线路对地电压。

式(1)可以反映线路或母线的电压行波信号。CVT地线上的电流是线路电压的导数。对于正弦波，导数与频率有关，频率越高，导数值越大。由于故障暂态行波波头含有丰富的高频分量，因此, CVT入地电流的故障行波波头比线路电压的故障行波波头突变更大，更有利于故障检测。

以图1所示某500kV电网为例，考虑线路的实际结构及频率响应特性，采用EMTP仿真软件进行分析。D−E线接地故障时，将D侧测量的电流行波、电压行波及CVT的入地电流行波进行比

124kmA B DFH174.3km 77.5km 194km 328km 60km 194km 343kmKEJ123km116.3km 209.6km3.3kmCG 36.5km I M 129km L 变化明显，更易于检测；

（3）受阻波器的影响，线路CVT上的入地电流突变大于母线CVT上的入地电流突变。采用线路CVT上的入地电流最容易查找行波波头。 2.2 测量点的选取

一般CVT存在2个接地点，如图3所示，D1为CVT的内部电压互感器一次侧接地点，D2为结

阻波器

母线

TA

A

耦合电容器

B

避雷器2

C

同轴电缆

D2

L2

L1R1 C1

C2C3

500kV出线

CVT二次侧

内部电压 互感器避雷器1

D1

C4

L3

RL

载波信号结合滤波器TVSE

行波硬件启动信号 双屏蔽信号电缆

行波传感器

过电压抑制及分压器

图3 行波传感器安装图

Fig.3 The installation graph for traveling-wave sensor

注：R1=3Ω；RL=240Ω；C1=5.6nF；C2=5.35nF; C3=79.282nF；C4=6.0nF；L1=0.2mH；L2=0.5mH；L3=1.0mH；避雷器1:30kV rms,70kV peak; 避雷器2: 1.3kV rms,3.3kV peak

图１　某500kV电网仿真分析模型　

Fig.1 Simulation model for a 500kV grid

较，波形如图2所示。可以看出：

（1）由于D变母线出线为3回（>2回)，且受变电站对地分布电容的影响，线路电流行波波头比线路电压行波波头突变明显，故易于检测；

-2-3-4-5 A相电压与电流母线电压

(a)

合滤波器的接地点。通过参数计算、仿真分析和高压冲击实验验证，CVT的入地电流绝大部分通过D2流入大地，行波传感器宜安装在D2点。为了在保护不退出运行的条件下安装行波传感器，穿过行波传感器的导线可并联一分接开关。

3 行波传感器的研制

3.1 行波传感器特性分析

行波传感器是在一根截面均匀的环形铁钴镍合金材料上均匀密绕若干层线圈而成。如图3所示，测量导体位于行波传感器的大环形线圈内，与二次

线圈没有直接的电位联系。为消除大线圈所交 链的磁链影响，线圈绕成偶数层，并使相邻两层线圈的绕制方向刚好相反。

传感器的等效电路如图4所示，传感器一次侧输入电流i 在负载R上产生一输出电压u1。线圈的

1000500

线路电流0-500

200100

0线路

CVT上入地电流-100

(b)

(c)

10050

0母线

CVT上入地电流

-50

0 400 800 1200 1600 t/µs

(d)

图2 D侧测量的行波波形比较

Fig.2 Comparison between traveling-waves in D station.

（2）由于耦合电容的微分作用，CVT上入地电流行波波头突变信号比线路电压行波波头突变信号

自感L和线圈的匝间电容C0组成一滤波回路。整个传感器相当于一带通滤波器，下限截止频率为 6 kHz，上限截止频率为10 MHz，且在通带频率范围内，传递函数为一常数。对应一次侧1 A电流输入，传感器输出电压为1 V。电力系统工频信号及100

44 中 国 电 机 工 程 学 报 第22卷

次以下的谐波信号将被行波传感器滤掉，可以直接采用行波传感器的输出信号进行故障定位，免去高速采集系统。因此可简化定位装置，降低装置成本。

传感器 负载iMLrC0RU1i1

分压器输出的信号相差不大，便于整定。对应行波传感器的输出信号，图5所示的行波波头检测回路中通常整定为：变化率电平为0.3V，保持时间为10µs，峰值电平为1V。该整定值已经在现场得到验证。

行波波头检测回路能够检测行波波头极性，可进一步用于行波方向保护。

正极性触发信号或天线负极性触发信号门

图4 行波传感器测量回路的等效电路

Fig.4 Equivalent circuit for traveling-wave sensor

行波传感器输出信号的传输路径如图3所示，经行波传感器副变并联的避雷器及TVS (Transient Voltage Suppressor) 限压后，由电阻分压电路分压，输出 −2.5～2.5V 的行波硬件启动信号，送入行波波头检测电路进行行波波头辨识 ，其检测回路如图5所示。

正变化率电平整定行波硬件启动信号微分电路正极性触发信号电平比较高电平锁存信号波头到 GPS秒脉冲锁达时刻接受机高精度GPSCPU存同步守时钟10MHz恒温器高精度晶振读取信号正极性检测信号或

负极性检测信号门

图6 行波波头到达时刻的记录回路 Fig.6 Scheme for recording the time of

traveling-wave coming

3.3 行波波头到达时刻的记录

正极性行波波头到达的最初时刻，在图5中产生的正保持时间整定 保持与检测信号极性触发信号、负极性触发信号送入图6，触发锁电平门存器锁存GPS同步高精度守时钟的时间值。图5中正峰值电平整定比较负极性触发信号产生的行波检测信号也送入图6，产生一读数据信负变化率电平整定电平号，把锁存器数据读入CPU。由于采用故障行波的微分电路高电平比较 负极性初始波头进行定位计算，为提高记录的可靠性，同保持时间整定 保持与检测信号时测量三相行波波头到达时刻，在测量到的3个时电平门负峰值电平整定比较间中，以最先的时间为准。通常故障相的行波突变

最大，测量到的波头到达时间最先。 图5 行波波头检测回路

Fig.5 Scheme for detecting traveling-wave coming

4 基于行波传感器的电压行波故障定位

４．１　故障定位方法　

在电网中各变电站母线CVT地线上套装一电压行波传感器，当电网中发生故障时，记录行波波头的到达时刻，当线路故障跳闸后，由调度读取各变电站记录的行波波头到达时间，便可进行故障定位[5~8]。在故障点两侧任意选取一变电站进行故障定位计算，如在电网中故障点一侧选取变电站1，另一侧选取变电站2，故障定位公式为

1

l1=[l+v(t1−t2)] （2）

2

式中 l1为故障点离变电站1的距离；l为从变电站1经由故障线路到达变电站2的电力线路最短距离；v为行波在线路1~2上的传播速度；t1为变电站1检测到的行波波头到达时间，t2为变电站2检

3.2 行波波头的检测

行波定位装置连续两次记录行波启动的时间间隔仅为0.1s，并采用继电保护动作跳闸信号（把关）启动行波定位计算，电力系统故障行波与干扰信号的识别分析非常复杂，有待深入研究。本文根据EMTP仿真分析、高压冲击实验和文献[4]，采用行波的变化率、上升或下降时间和行波波头的幅值进行行波波头辨识，选取整定值为：① 变化率取0.01 ~ 0.1pu/µs,（pu为标幺值，取额定值）；② 上升或下降时间取1~10µs; ③ 幅值取0.1~ 0.5pu。 由于耦合电容对行波高频分量有放大作用，且行波传感器能滤除5kHz以下的信号，故行波传感器输出信号的幅值和变化率较大。在绝大部分故障情况下，传感器输出信号被TVS限波，使得上升或下降时间<10µs、幅值>1V，不同的故障行波经过电压抑制及

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测到的行波波头到达时间。

由故障线路两端任意2个变电站测量的行波波头到达时间就可进行故障定位。由整个电网中多个变电站测量的行波到达时间信息融合处理、容错分析，可以消除部分变电站记录的错误时间的影响，提高故障定位的鲁棒性。并且，由非故障线路两端记录的时间差可以在线测量行波波速。 4.2 传感器输出波形仿真分析

将行波传感器模型、TVS限压电路模型及分压电路模型加入图1的EMTP仿真模型中，对各种故障进行仿真分析，测量各种故障及雷击条件下行波传感器的响应情况。结果表明：在各种故障包括轻微故障的条件下，行波传感器都能产生输出信号。故障点的电压变化越大，传感器输出信号也越大。因篇幅，在此仅给出D−E线距D侧155.2km处故障时，各变电站测量的行波波形，见图7。由图中可看出：

（1）一般故障条件下，行波传感器输出行波波头信号都被TVS截波。输出信号达满刻度2.5V时，幅值从0V上升到1V的时间小于4µs，符合行波启动判据；

（2） 电压过零瞬间故障时，行波波头上升变缓、幅值较小，满足不了行波启动判据，但根据统计资料和理论分析，电压过零瞬间故障几乎不会发生，该故障只能采用其它常规方法进行定位计算[5,6]

； （3） 电压过零附近故障 (−1.8°～1.8°区间以外)时，故障线路两端传感器输出信号的突变量能够满足故障启动定位要求，而距故障点500km以外的电厂或变电站行波启动困难。因此，基于行波传感器的定位方法可以对电压过零附近时刻的接地故障进行定位。

20-2E

100 110 120 130 140 t/µs20K-2

1690 1700 1710 1720 1730 t/µs20M-2

2540 2550 2560 2570 2580 t/µs20-2D

500 510 520 530 540 t/µs20-2A

1350 1360 1370 1380 1390 t/µs

(a) DE线A相电压65°时刻接地故障

输出电压/V0.20.0E-0.2

100 110 120 130 140 t/µs0.050.00K-0.05

1690 1700 1710 1720 1730 t/µs0.020.00M-0.02

2540 2550 2560 2570 2580 t/µs0.2

0.0

D-0.2

500 510 520 530 540 t/µs0.20.0A-0.2

1350 1360 1370 1380 1390 t/µs

(b) DE线A相电压过零的时刻接地故障20-2E

100 110 120 130 140 t/µs20K-2

1690 1700 1710 1720 1730 t/µs2

0M-22540 2550 2560 2570 2580 t/µs20-2D

500 510 520 530 540 t/µs20-2A

1350 1360 1370 1380 1390 t/µs

(c) DE线A相电压65°时刻接地故障20-2E100 110 120 130 140 t/µs20K-2

1690 1700 1710 1720 1730 t/µs2

0M-2

2540 2550 2560 2570 2580 t/µs20-2D

500 510 520 530 540 t/µs20-2A

1350 1360 1370 1380 1390 t/µs

(d) DE线AB相间电压10.4kV时刻相间故障

输出电压/V 输出电压/V

图7 各变电站行波传感器测量的电压行波波形

Fig.7 Traveling-wave waveforms measured by sensors of

traveling-wave in some stations.

４．３　故障定位分析　

由于行波传感器具有很高的行波波头检测灵敏度，且检测到的信号是波头中的高频带分量，考虑行波传输的色散特性，选取1MHz附近频率信号对应的行波波速进行故障定位计算。根据线路结构,计算1MHz附近频率信号对应的行波波速约为296×103km/s，计算D−E线距D侧155.2km处故障的故障定位仿真结果如表1所示，定位误差最大为

输出电压/V46 中 国 电 机 工 程 学 报 第22卷

0.73km，相当于2个杆塔之间的距离，此距离现场可以接收。

表1 基于行波传感受器的电压行波故障定位结果 Tab.1 Results for voltage traveling-wave based fault

location

参考文献

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曾祥君，尹项根，陈浩，等(Zeng Xiangjun, Yin Xianggen, Chen Hao, et al).基于GPS同步的电力系统暂态记录仪的研制(The development of GPS synchronous transient data acquisition systems).高电压技术(High Voltage Engineering)，2000,26(2)：56-58. 收稿日期：2001-08-16。 作者简介：

曾祥君(1972-)，男，博士，副教授，从事电力系统微机保护与控制等方面的研究开发工作；

尹项根(1954-)，男，教授，博士生导师，研究生院副院长，从事电力系统继电保护与控制等领域的教学、研究工作；

林福昌(1969-)，男，博士，副教授，从事高电压新技术等方面的教学、研究工作；

李晓华(1975-)，女，博士生，从事电力系统继电保护与控制等领域的研究开发工作；

陈德树(1930-)，男，教授，博士生导师，从事电力系统继电保护与安全稳定控制等领域的教学、研究工作。

故障定位用

的两变电站 D E D K D M A E A K A M 故障定位用 的两变电站 D E D K D M A E A K A M

t1/µs 521 521 521 1370 1370 1370 v/108m⋅s-1 2.96 2.96 2.96 2.96 2.96 2.96

t2/µs 131 1705 2560 131 1705 2560 l1/km 154.720 155.268 154.728 406.272 406.420 406.280

∆t/µs 390 -1184 -2039 1239 -335 -1190 lD/km 154.72 155.268 154.728 154.472 154.620 154.480

两侧变电站 间距离/km 194.00 661.00 913.00 445.80 912.00 11.8 故障定位误差

/km -0.480 0.068 -0.472 -0.728 -0.580 -0.720

注：(1)表中行波到达时间以故障行波发生时刻为参考，作为计时起点; (2)t1为行波到达一侧时间; t2为行波到达另一侧时间；∆t为行波到达两侧时间差; lD为折算到故障点踞D变电站的距离。

５　　结论　

为降低行波定位装置的造价、提高定位精度，本文研制了专门的行波传感器，实现了简单的不需高速采集的电压行波故障定位。该行波定位方法具有如下特点：

（1）行波传感器套在CVT的地线上, 可测量经CVT入地的电流行波，与一次设备无直接的电联系，便于推广应用； （2）行波传感器具有较好的频率响应特性，能有效地滤除5kHz以下的频率信号，且耦合电容的微分对高频信号有放大作用，能有效地提高测量行波波头的灵敏度，有利于缩小电压过零附近行波定位的死区； （3）基于整个电网的电压行波故障定位，具有一定的容错能力，定位结果精度高、鲁棒性强； （4）该行波传感器与行波检测回路能够检测行波波头的极性，可望用于行波方向保护。

行波定位装置已通过高压冲击实验及RTDS实验的测试，样机正在现场良好地运行。

致 谢 感谢华中电力集团公司邹建明、许汉平等协助完成本课题的研究工作。

（责任编辑 喻银凤）