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下面我们讲本课程的最后一讲

第34讲

行波的故障测距

上一讲我们介绍了小波变换

小波变换的作用

就是利用小波变换来

获得不同的行波到达的时间

从而可以利用这个时间来获得故障的位置

对于故障测距及定位的发展来说

早在20世纪40年代就已提出了

利用行波进行输电线路故障测距的多种原理

利用电流暂态行波

实现输电线路故障测距的原理与技术的研究

使行波保护得到了发展

小波变换应用于输电线路行波测距

促进了这样一个故障测距的研究

得到了快速的发展

这是一个输电线路故障测试仪

故障测距的原理

就是分析故障时

电流和电压波的特性

来确定故障的位置

输电线故障测距装置按其工作原理

可分为行波法 阻抗测距算法 故障分析法

阻抗法是利用故障时

测量得到的电流和电压量

来计算出故障回路阻抗

由于线路长度与阻抗成正比

而求一组和几组电压平衡方程

就能求出故障点的位置

故障分析法是指利用故障时记录下的电压

和电流的波对故障进行分析计算

另外根据线路保护是否需要通信

可分为无通道保护和有通道保护

无通道保护的特点是不需要两端的信息交换

不受通信装置可靠性的影响

动作速度相对较快

传统的无通道保护是不能保护线路的全长

受系统运行方式影响严重

动作速度不够快

故障产生的暂态高频分量中

含有了大量的故障信息

用它判断线路是否发生故障

是近年来继电保护的一个新的发展方向

当输电线路发生故障时

在故障点

会产生高频暂态的行波沿输电线路传播

行波速度接近于光速且固定不变

因此行波法是建立在行波在线路上

固定的传播速度的基础上

通过测量

由于故障产生的行波

在故障线路上的传播时间来实现测距

实现行波理论根据刑波理论实现的测距方法

早期的行波故障测距

装置可分为ABC三种型号

A型行波测距原理是

利用故障点产生的行波

到达母线端后反射到故障点

再由故障点反射后到达母线的时间差

和行波波速来确定故障点的位置

也就是说它来回折反射

所以测量得到的时间

就是故障点到母线时间的两倍

这个原理早已提出

但当时技术难以实现记录行波的波形

而没有得到很快的应用

这个方法需要解决

区分故障点的反射波

和对侧母线端反射波带故障点的

透射波的问题

也就是说当故障点发生在中间的时候

往右侧的波返回来之后

会透射故障点和你左边的反射波再返回去

到达的时间是同时到达的

但是这两个波形的是极性相反

如果这两个波形是同样的大小

它就抵消了

你就测量不到它的一个反射波

所以导致测距存在问题

这是要解决的一个问题

B型行波测距的原理

是利用记录故障点产生的行波到达

线路两端的时间

然后借助于通信联系实现测距的

只利用故障后到达母线端的第一次行波的信息

不存在识别故障点的反射波

和对端母线反射波在故障点的透射波的问题

线路两端要有通讯联系

且两端时标要一致

这样的话就很容易求出它的故障的位置

C型故障测距是线路故障时

我们在输电线路上叠加一个高频的脉冲波

这个脉冲波有一个特定的

高压脉冲信号发生装置来产生

然后根据这个波到达故障点再返回的时间

从而就可以得到它故障的距离

它的主要的困难是要使用电力线的载波通讯

而高压脉冲信号的强度不能太高

因此故障点反射脉冲往往很难与干扰相区别

就使得装置的可靠性降低了

高频行波方法

是提取电压和电流的高频行波的分量

然后进行数字信号处理

依据A型行波法原理进行故障测距

根据高频下母线端的反向特性

区分了故障点的反射波

和对侧母线端反射波在故障点的透射波

双端同时采样时

可以利用GPS系统来定时

确保双端的时钟同步

这是一个传输线

假设我们在中间x点发生了故障

对于均匀换位的线路

已知输电线路上

任意一点的相电压和电流的话

就可以求出输电线路上任意点的电压和电流

也就是说只要知道任意一点的电压和电流

整个输电线路上的电压和电流都可以表示出来

这样的话

我们就可以根据K点的电压电流的测量结果

来获得S端的电压和电流

假设故障发生时的三相输电系统故障点是F

这个故障点F是唯一的一个

可以用两端电压电流来表示的那个点

它也可以用S端的电压电流表征

也可以用K端的电压电流来表征

也就是说

这F点的电压与两端表示的结果是相等的

我们假设由于对应的正常三相输电系统

假设它的K端的瞬时电压电流

和对应的故障线路K端的瞬时电压电流

Uᴋ iᴋ是完全相同的

这样的话

我们利用正常和故障时候

推导得到的S点的电压电流应该是相等的

由于fᵤ对于电压和电流的线性性质

我们可以得到这样一个等式

这里面的变量是△uₛ和△iₛ

△uₛ和△iₛ包含了两端电压和电流的值

uₛiₛ是故障值S值的测量值

uₛ' iₛ'

是由故障时K端的测量值计算得到的

间接的把故障距离x和线路两段的瞬时

向电压和瞬时向电流联系起来

要得到故障点的x

必须同步测量故障线路两端的电压和电流

然后我们可以离散化 这里f为采量的频率

这样的话

可以故障距离x在方程没有明确地表示出来

它可以间接地反映在这个方程里面

为了计算线路上任意一点的电压和电流值

必须知道另外点上的电压电流的

前行波和反行波

它们是距离的函数

可以看出这个方程只有一个未知数m

对其采用最小二乘法

找出下式最小的m

再由x等于m乘v乘△t

来求出故障点的位置

对于三相输电线路而言

必须采用模变换的方法

求解故障距离时

只需选用一个模电压和模电流

就可用上述输电线路的方法求出故障距离

这个图给出了

输电线路的高频行波测距的方法

在两端进行电压和电流的采样

中间要有通讯的装置

对于短距离输电线路

可忽略输电线路的分布电容和漏电导

任意一段输电线路

等效于一个集中的参数阻抗

这里给出一个例子

假设500kV的交流线路长300m

观测点在线路的一端

故障点距离测点是80km

仿真步长是1μs

采用率是1MHz

故障点与0.5005s时刻

发生A相短路接地故障

记录0.5s后3000μs的故障电流波形

进行小波的分析

这是故障电流的线模分量

这是2尺度小波的变换系数

以及小波变换的模极大值

这样的话

我们根据不同的模量出现的位置

来求得故障点的位置

可以看出最终的结果都是非常接近的

另外一个例子是

对在MN进入两侧装设的方向行波距离保护

来进行仿真的分析

MN线路距M侧10km处发生的故障

与上面的MN线路距N侧10km故障时的

测距结果

如上图所示

下图是小波变换的结果

这个表格给出了是一个预测的结果

我们可以看出

都可以比较准确的预测故障点的位置

目前来说基于行波故障测距的方法

还是存在一些问题

关键是行波出现的时间很难准确地确定

为了更好的识别输电线路的故障的位置

和识别输电线路的故障类型

目前发展的趋势

在输电线路沿线分布式地安装故障监测装置

如在输电系统的一个档距中

装一个这样的监测装置

这样的话

就能够有效地快速地识别故障点的位置

同时也能够快速的

告诉你发生了什么样的故障

这是目前发展的一个趋势

这节课就到这里

这也是本门课程的最后一讲

谢谢各位同学选修电磁暂态分析