基于暂态行波的配电线路故障测距探讨

摘要：近年来，随着我国经济的不断发展，人民的生活水平不断提高，对电力的需求也日益增加，长距离，超高压的输电线已经完全进入我国的电力输送系统中，为我国居民的生活、工作提供电力保障。但电路一旦发生故障将影响正常的供电，本文主要对配电线路故障行波进行分析，并介绍不同线路行波故障的测距方法，供同行参考。

关键词：输电线路；暂态电流行波；故障测距

【分类号】：F426.61

现在，为保障我国的正常供电水平，国内的电力系统大多采用超高压电线进行电力输送，但为了不影响正常供电，在电线出现故障时，应该在最短的时间内进行定位故障，进一步进行故障分析，解决故障，从而恢复正常供电。高压输电线路发生故障后的暂态电流行波中包含故障距离信息，其可以作为定位故障的重要依据。

1.配电线路故障行波暂态特征分析

1.1行波的基本理论

电力系统在进行供电的过程当中，难免会发生故障，线路在发生故障时，出现故障的地方电压一般会突变，电线线路会出现出现电弧暂态行波过程，故障一般跟行波的传播速度密切相关，而行波的传播速度又主要由线路的具体分布参数来决定。线路发生故障时产生的暂态行波过程可以用物理学的叠加原理来解释。如图一所示是一个简单的接地线路，线路发生故障时，故障点会产生一个虚拟电源，其方向与故障前的电压相反，产生的暂态行波波源就来源于此，产生的暂态行波以非常快的速度向两个相反的方向传播，并来回反射和折射，一段时间后，暂态行波的传播会进入一个相对稳定的状态。行波传播的情况实际上也反应了故障点的情况，因此，其可以作为线路故障测距的理论基础。即可以通过对暂态行波的监测与分析来确定线路的故障点，进一步确定维修方案，扫除线路故障，恢复正常供电。

1.2行波在混合线路中的传播特性

图二是一个由架空线路与地下电缆组成的混合线路，可以看见，地下电缆位于两段架空线路之间，幅值为U的入射电压行波经过一段混合线路，一般来说，电缆线与架空电线的波阻抗不同，A、B两点为架空线与地下电缆连接的地方，同时也叫混合线路波阻抗的不连续点，故障点（此图中为故障点产生的幅值为U的入射电压）产生的暂态行波发生折射和反射就在两个不连续点间，并且会持续一段时间，直到达到一个相对稳定的状态。混合线路很复杂，架空线和地下电缆线交替次数不一定，且每段地下电缆的长度也不一定，因此，暂态行波在传播中没有固定的规律，监测到的信号分析起来也比较复杂。

1.3行波在线路分支处的传播特性

现实的电路系统中，线路的分布很复杂，并不呈现固定的规律，且有很多线路是交叉分布的。如图三所示，就是电路系统中众多分叉线路的一个分支，分叉线路出的连接点的波阻抗也不相同，暂态行波会在每一个连接点出发生复杂的发射和折射，而且由于分叉线路大多比较复杂，M母线支路电线感受到的电压和电流都不相同，故障位置很难确定，因此，在进行暂态行波传播规律的分析时，每一个交叉点都需要考虑到。

2.配电线路行波故障测距方法

2.1 D型双端行波测距

在线路故障测距分析中，主要是要分析故障点产生的暂态行波的特征，在进一步确定确定故障点的位置以及故障原因，在传统的线路故障测距中，大多采用的是利用双端行波故障测距原理从而实现小电流接地系统线路故障定位以及测距，但此种方法应用的范围比较窄，对复杂的电路系统故障点产生的暂态行波特征不能准确分析。本文主要介绍一种新型的配电线路的行波故障测距方法，叫时间中点测距法。其能够切实解决配电线路架空线与电缆线混合线路以及复杂的交叉线路的故障定位问题，下面主要介绍三种典型电路的行波测距方法，首先是D型双端行波测距，在线路的两端配备高精度的实时时钟，当线路发生故障暂态行波时，准确计算初始行波到线路两侧的时间，再根据此时间差计算故障点到线路两端的距离，从而确定故障点的位置。

2.2 A型单端行波测距

A型单端行波测距是用得比较多确定线路故障点位置的方法，其测距原理则是根据现代物理学中利用故障暂态行波的单端测距原理。其需要在线路的一端设置一个测量点，当线路出现故障时，利用故障点发出第一个暂态行波到达测量点与暂态行波在故障点的反射波的时间差，从而计算故障点到测量点的距离，确定故障点的位置。在此种测量方法中，理论上不能忽略母线反射波的影响，即上述时间差需要扣除母线反射波的影响，这些都可以通过精密的仪器实现。

2.3 E型单端行波测距

E型现代行波故障测距则是利用故障线路重合闸暂态行波的单端测距原理。同样，需要在线路的一端设置一个测量点，与A型单端行波测距不同的是，其是利用测量端测量来自线路本端某级重合闸产生的初始行波到达测量点与其在故障点的反射波的时间差来确定故障点的位置。此种方法适合特定的线路类型，即断路器重合线路，当线路发生故障时，断路器触头间的电压发生突变，会产生暂态行波，E型现代行波故障测距即利用此暂态行波的传播进行故障定位。

2.4 F型单端行波测距

F型单端行波故障测距原理与与E型单端行波测距原理类似，同样需要在电路的一端设置测量点，其适用于较为分支较多的复杂电路，电路间有分闸分管各分支电路。当线路发生故障时（无论是母线还是支线发生故障都适用），会在各分闸点产生暂态行波，利用分闸产生的第一个暂态行波到达测量点与其在故障点的反射波确定故障点的位置。值得一提的是，测量点接收到的暂态行波必须保证其来自线路本端某级分闸，且要准确检测到其在故障点产生的反射波，防止由于其他波的干扰导致故障位置定位不准确的情况发生。

3.基于时间中点的双端行波故障测距方法

3.1确定线路结构

上文提到过，传统的利用双端行波故障测距原理可以实现对小电流接地系统线路故障定位以及测距，但其只适合暂态行波速度传播恒定的线路，不适用于波速度不连续的配电混合线路。而在现实的电路系统中，波速恒定的线路根本不存在，都是较为复杂的混合电路，因此采用基于时间中点的故障测距方法。本文主要介绍双端行波故障测距方法。此种方法首先是确定线路结构，对于一段混合线路，暂态行波在单一的线路中的波速可以近似看作恒定的，确定线路结构在于确定故障点产生的暂态行波在不同的线路类型中的传播速度（比如不同的架空线、地下电缆线等）。从而进一步通过行波传播的时间差来确定故障位置。

3.2确定时间中点

确定了线路结构后，接下来该确定暂态行波传播的时间中点，这里提到的时间中点，即线路中的某一点产生的方向相反的波到线路两端时间相同的点。若线路属于电气参数稳定的单一线路，即波在线路中传播的速度形同，此时，线路的距离中点即为时间中点。而混合线路中，线路组成比较复杂，波在线路中传播的速度不相同，时间中点与距离中点并不相同。需要确定不同的线路中行波的传播速度，通过公式计算确定线路的时间中点M。

3.3确定故障搜索方向与故障位置

假设线路的两端分别为A、B，线路发生故障时，分别测量故障点产生的行波到A、B两点的时间，根据两者的时间差与时间中点M的位置确定故障点的搜索方向。搜索方向确定后，可以进一步根据时间中点的位置与故障点所在线路行波到达线路端的时间来确定故障位置。

4.结语

综上所述，基于暂态行波的配电线路故障测距的方法比较多，如D型双端行波测距、A型单端行波测距、E型单端行波测距以及F型单端行波测距等，在实际的线路故障测距中，需要具体情况具体分析，根据线路的现实情况选择适当的方法进行故障确定，尽快解决线路的故障，恢复电路的正常供电。

参考文献

[1] 季涛，谭思圆，徐丙垠，等.基于波形分析的直流系统接地故障检测新方法.电力系统自动化，2008，28（22）：69―72.