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0.7~8.3ms，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。
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

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）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。

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。

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/ms,（pu为标幺值，取额定值）；② 上升或下降时间取1-10ms; 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<10ms、幅值>1V，不同的故障行波经过电压抑制及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10ms，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。

3.3  行波波头到达时刻的记录
    行波波头到达的最初时刻，在图5中产生的正极性触发信号、负极性触发信号送入图6，触发锁存器锁存GPS同步高精度守时钟的时间值。图5中产生的行波检测信号也送入图6，产生一读数据信号，把锁存器数据读入CPU。由于采用故障行波的初始波头进行定位计算，为提高记录的可靠性，同时测量三相行波波头到达时刻，在测量到的3个时间中，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。
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

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； 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。因篇幅限制，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4ms，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。

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