雷電波對電力系統行波故障測距法的影響分析

張 欣，雷 震，許棟棟

(江蘇省電力公司，江蘇 南京210024)

輸電線路故障測距技術具有極大的經濟效益和社會效益，是近年來國內外電力生產和科研部門密切關注的研究課題。行波法因其穩定和準確性在電力系統中廣泛應用。在實際運行過程中，電網的各種干擾都會給行波故障測距帶來很大的影響，因此考慮各種干擾情況下的行波故障測距非常必要。在江蘇，雷電是導致電力系統故障的主要原因之一，而雷電波又是影響行波故障測距的重要因素之一，非故障性雷擊和故障性雷擊對行波故障測距產生的影響也不同。因此研究雷電波對行波故障測距的影響特別有針對性。應用ATPdraw分別建立了非故障性雷擊和故障性雷擊作用在線路上的模型，進行仿真并應用Matlab對仿真數據進行處理，分析了雷電波對行波故障測距的影響。

1 行波法概述

1.1 行波法分類

行波法[1-3]是利用故障時在測量端量測到的故障點產生的故障行波進行故障定位。故障行波可以通過互感器獲得，通常電壓互感器獲取高頻電壓行波的效果較差，而電流行波可通過電流互感器較好地獲取，故目前一般采用電流行波進行故障定位。目前，行波法有多種測距原理，主要分為單端法和雙端法[4]。

單端測距方法只需在線路一側安裝定位裝置，通過檢測故障行波在故障點或對端母線與測量端傳播的時間差，結合行波波速進行故障定位，行波在輸電線路上以接近光速的速度進行傳播。該法設備投資少，實現簡單，測距精度較高，但存在波頭識別等困難，可靠性需要進一步提高。

雙端測距方法利用故障點產生的故障行波到達兩測量端母線的時間差進行故障定位。只需檢測到達兩端母線的初始行波，由于初始行波幅值較大，容易檢測，故該法可靠性較高，但在兩測量端均需安裝測距裝置，且需建立通信通道，硬件投資大，經濟性較差。文中主要應用雙端法進行仿真計算。

雙端法的原理如圖1所示，只需要利用到達M，N端的初始行波。

圖1 雙端行波故障測距原理

圖1中，F點發生故障后，產生向M，N端傳播的行波，令M測量母線端檢測到初始波頭的時刻為t1，N測量母線端檢測到初始波頭的時刻為t2，則可得故障距離x：

雙端法的一個關鍵是精確測定t1以及t2，這需要M，N端的數據同步，GPS接收模塊的電力系統同步時鐘實現精確秒同步，這使得線路兩端的時間同步誤差平均不超過1μs，而由此產生的絕對測距誤差不超過150 m。

行波法的突出優點是測距精度高，一般測距誤差為±200 m以內，最大測距誤差不超過±500 m。目前，行波法在電網中已有較豐富的運行經驗，且現場運行效果較好，隨著行波測距理論及其測距裝置的不斷發展完善，行波法將在電網中應用更加廣泛。

1.2 行波故障測距算法

行波測距算法的一個關鍵因素是行波波頭的識別和檢測，雙端法對故障波頭的檢測比較容易，而單端法由于干擾因素較多，對波頭的識別比較困難，目前的行波測距算法主要有相關分析法、小波模極大值法、匹配濾波器法、極大似然估計法等。其中相關法主要利用波形相似原理，由于互相關函數中的相關峰與行波波頭相對應，故可借助互相關函數來識別波頭，根據相關峰之間的時間差來進行故障定位。目前小波模極大值法應用較為廣泛，根據突變信號對應的模極大值之間的時間差來進行故障定位。

目前，故障測距方法主要是基于ATP-EMTP等一些軟件的仿真來驗證的，很少考慮實際的故障行波情況，即沒有太多的干擾因素。實際線路中存在著大量的干擾，比如信號采集設備噪聲、雷電波、斷路器和隔離開關的操作等都會給行波故障測距帶來很大的影響。

2 雷電波對行波故障測距的影響

2.1 雷電對電網的影響

在多雷地區，往往會造成大氣過電壓，對電網的安全造成影響。大氣過電壓中的感應雷過電壓對電網影響較小，而直擊雷過電壓產生的雷電流較大，對電網的干擾較大，甚至會造成輸電線路故障。

直擊雷過電壓分為：直擊、反擊、繞擊3種，其中反擊產生的過電壓比較嚴重。

標準雙指數雷電波[6]模擬雷擊線路時產生的雷電流波形如下式所示：

式中：A為常數；IL為雷電流的幅值；α為衰減系數；β為衰減系數。

2.2 雷電波對行波故障測距的影響

當雷擊較輕，不產生閃絡時，其不會對測距系統造成破壞，但由雷擊所引起的雷擊電流可能會對裝置產生干擾，引起裝置的誤啟動，特別當雷擊和故障時間比較接近時，測距裝置可能來不及再次啟動，故障信息就被忽略掉，影響了測距裝置的可靠性，因此，測距裝置在設計時要考慮這個因素，盡量縮短死區時間。

當線路受到雷擊并出現故障時，測量到的波形較為復雜，因為其既包括雷擊電流，也包含故障電流。通常，若發生閃絡，將出現在雷擊后不久，兩者出現的時間可近似視為一致，這時可采用雙端法進行故障定位，精度影響不大。若閃絡出現在雷擊發生的一段時間之后，可利用檢測到的故障行波，通過獲取其首波頭抵達測量端的時間，對雙端法進行檢驗。

通常，變電所內都安裝抗雷線圈，而抗雷線圈會對測距產生影響，因此，常在其周圍安裝互感器，幫助完成測距工作。且當避雷器發生放電時，可能會引起測距裝置的誤啟動，因為此時的情況與避雷器出現短路情況相似，因此，應該采取措施予以避免。

雷擊故障主要分為：雷電波直擊電氣設備和雷電波沿線路侵入。通常來講，第二種情況更為常見，也是本文討論的主要對象。雷擊導致故障情況[6-8]下，一般會出現如下4種情況：

（1）雷電波強度較弱，沒有導致輸電線路故障，稱之為輕型雷擊。輕型雷擊雖然不會破壞測距系統，但是可能會引起測距裝置誤動，由于存在測量死區，當測距裝置誤動后若立即發生輸電線路故障，測距裝置將不能正確作出反應，對電力系統的安全運行將產生影響。

（2）大部分情況下，當雷擊輸電線路時將產生閃絡，且發生在雷擊點，在這種情況下，可采用雙端法定位閃絡點，也即檢測出雷擊輸電線路的位置。

（3）在雷電波的影響下，輸電線路發生閃絡故障，但閃絡點并未發生在雷擊點，而是在線路絕緣較薄弱的地方發生。此時，線路上由雷電波產生的行波源將與閃絡產生的行波源混迭在一起，使得行波較為復雜，難以準確故障定位。

（4）雷擊輸電線路時產生閃絡，但不是發生在雷擊點，而是在雷電波傳播至某一絕緣較弱的線路點發生一相閃絡，在另一處的另一相導致閃絡。在此種情況下，輸電線路上存在3個行波源：雷電波的行波源、閃絡在不同地點的兩相分別產生的行波源。3個行波源混迭在一起，在情況（3）的基礎上進一步增加了行波故障測距的難度。

在絕大多數情況下，雷擊點和線路閃絡點二者相距很遠情況的幾率是比較小的，因此主要討論情況（1）和（2）。如果出現（3）情況，可以利用保存下來的故障行波，區分出累計產生的行波和閃絡產生的行波，采用雙端法確定雷擊點的位置和閃絡點的位置。出現（4）時，則需將雙端測距方法和單端測距方法結合，測出雷擊點和2個不同閃絡點的位置。

3 仿真分析

針對實際運行的不換位同桿并架雙回線，使用ATP-EMTP建立模型仿真，通過Matlab編程對非故障性雷擊和故障性雷擊2種情況的數據進行處理。仿真時采用的故障測距模型如圖2所示。

圖2 故障測距模型

選取雷電通道波阻抗400Ω，仿真頻率為1 MHz，雷擊發生在1 ms，仿真時間為5 ms。基于小波應具有線性相位，且是某一平滑函數的一屆導數的原則，采用3次B樣條小波進行故障測距，該小波可以通過改變參數（m，p）靈活的調節尺度分析。

3.1 非故障性雷擊

建立的非故障性雷擊模型如圖3所示。

圖3 非故障性雷擊模型

利用已建模型對線路上發生非故障性雷擊時的情況進行仿真，得到的電流暫態行波如圖4所示。當雷擊在線路上沒有造成故障時，線路上暫態電流中高頻分量含量豐富，包括雷擊點的初始雷電波和對端母線、相鄰母線的反射波。由于雷擊線路并沒有造成故障，無故障點反射波，因此除線路末端外，在線路其他部分發生雷擊所造成的結果基本相同。

圖4 非故障性雷擊時雙回線六相電流暫態行波

3.2 故障性雷擊

建立的故障性雷擊模型如圖5所示。利用已建模型對線路上發生故障性雷擊時的情況進行仿真，得到的M端和N端電流暫態行波如圖6所示。

圖5 故障性雷擊模型

由圖6可知，雷擊造成線路故障時，由雷電流和工頻附加源引起的暫態電流初始行波波頭高頻含量豐富，隨后的行波中，則低頻分量遠大于高頻分量。文中假定雷擊導致閃絡故障與輸電線路發生雷擊基本同時發生，故輸電線路故障位置的確定仍然可以采用雙端法。

圖6 故障性雷擊時M和N端電流暫態行波

應用Matlab編程仿真，對EMTP產生的波形數據進行處理，得到故障距離M端母線為40 km時的反相行波α模極大值的圖像，如圖7所示。

圖7 反相行波α模極大值圖像

圖7中，第一個模極大值為非零點的時刻是暫態行波到達M端母線的時刻，右側的模極大值為非零點的時刻是暫態行波到達M端母線的時刻。根據雙端測距原理，通過雙端行波測距方法計算當線路發生雷擊故障時，雷擊發生在不同距離下的測距結果，如表1所示。

表1 線路故障時不同故障距離下的測距結果

可見，利用雙端測距原理測得的雷擊情況下的電力系統行波故障點基本都在誤差范圍內。

4 結束語

基于電力系統行波測距的原理，分析了雷電波對電力系統行波故障測距產生的影響，按雷擊發生的4種狀況進行分析，仿真其中2種情況，比較發現，非故障性雷擊線路上暫態電流中高頻分量含量豐富，線路狀況和未發生雷擊時基本相同；故障性雷擊產生的故障行波中初始高頻含量豐富，隨后的行波中低頻分量則遠大于高頻分量。利用雙端故障測距原理測量故障，得出的結果基本在誤差范圍內，但在故障點距離一母線端較遠時誤差較大。

雷電波故障測距中，雖然故障點和閃絡點不一致的概率很低，但是仍有研究的必要。如何結合雙端測距法和單端測距法對閃絡點和故障點不一致的2種情況進行測距有著較為重要的意義。本文對雷電波故障進行仿真測距時，大部分測距結果精度均較高，滿足實際應用的需求，但在故障點距離母線端較遠時誤差較大，有必要對其進行分析，改進雙端測距原理，提高測量精度。

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[3]陳 平，葛耀中，徐丙垠，等.現代行波故障測距原理及其在實測故障分析中的應用——D型原理[J].繼電器，2004，32（3）：14-17.

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