電子式互感器在行波測距中的研究

武建衛，張海紅（南京機電職業技術學院自動化工程系，南京江蘇211135）

電子式互感器在行波測距中的研究

武建衛，張海紅
（南京機電職業技術學院自動化工程系，南京江蘇211135）

基于羅氏線圈的電子式電流互感器在智能電網中已經得到了廣泛的應用。提出了基于羅氏線圈微分輸出的行波波頭識別新方法。實現行波測距的關鍵在于精確提取行波浪涌的突變點，而羅氏線圈可以直接給出一次信號的微分信號；因此，直接利用其輸出的微分行波信號進行判斷，提高行波信號的識別能力。構建了仿真電路并進行了驗證，表明羅氏線圈輸出的微分信號在突變點的變化較一次電流行波更為明顯，對雙端和單端行波故障測距法的仿真結果表明測距結果準確。

電子式互感器；羅氏線圈；行波

電力線路肩負著電能傳輸的重任，是電力系統的命脈，但也是最易發生故障的環節。隨著電壓等級的提高，在電力線路傳輸過程中不可避免地要穿越丘陵、山川、沙漠等地帶，在雷雨、風雪能惡劣天氣中會有故障發生，而在這種情況下單依靠人工排故是非常困難的。這就需要專門的、能夠快速、準確地找到故障點的故障測距技術。

早在20世紀50年代，就提出通過測量電壓、電流行波在故障點及母線之間的傳播時間，來測量輸電線路故障距離。但是，受當時技術條件限制，早期研制的行波測距裝置沒有得到大面積的推廣應用[1]。而現在隨著計算機技術、微電子技術、現代通信技術和現代數字信號處理技術等的快速發展，電力線路行波故障測距技術早已經成熟，實際測距誤差小于500 m，雙端法時可以做到小于300 m。本文介紹了一種較新穎的基于電子式互感器的行波測距技術。

1　D型雙端測距原理

D型雙端測距原理是利用發生故障時產生的初始行波浪涌到達線路2端母線時的絕對時間差來計算故障點距離2端母線距離的。

如圖1所示，為某一單相系統的測距原理圖。當線路S與R之間的某一點F發生故障時，故障點由于電壓突變而產生的初始行波浪涌將以接近光速的的速度由故障點向兩端母線傳播。

圖1　雙端D型行波測距原理圖Fig.1Schematic of double-ended type D traveling waves fault location

假定行波從母線到故障點的傳播方向為正方向，故障初始行波浪涌（以電流行波為例）到達S端和R端測量點時形成各端初始行波浪涌的時刻分別為TS和TR，則故障距離可以表示為：

式中：XS和XR分別為S端和R端到故障點的距離；L為線路S與R之間的長度；v為波速度。

在線路2端裝設行波采集系統，從而準確確定故障初始行波浪涌到達線路兩端測量點的時間。該采集系統必須配備具有高穩定性、高準確定性的同步時鐘，以保證2端系統的平均時鐘誤差不超過1 μs。

2　電子式互感器

電子式電流互感器分為電子式電學電流互感器和電子式光學電流互感器。其中電子式光學電流互感器基于法拉第電磁原理，以光纖線圈為主，目前的應用范圍尚不廣泛。下面研究基于羅氏線圈的電子式電學電流互感器的特點。

2.1羅氏線圈的傳變機理

羅氏線圈是由漆包線均勻繞制在非鐵磁材料骨架上制成的空芯線圈，一次導體垂直穿過骨架的中心，如圖2所示。其傳導率和空氣的相同，互感和自感會很小。在忽略線圈自感、線圈電阻和分布電容時，羅氏線圈的輸出電壓US等于感應電壓，為

圖2　羅氏線圈原理圖Fig.2Schematic of Rogowski coil

式中：M為母線和線圈之間的互感，為圓形羅氏線圈互感系數；I1為通過載流導體的電流；U為感應電動勢。所以有：

可見，母線電流是線圈感應電壓的定積分。

2.2羅氏線圈的工作狀態

羅氏線圈的集中參數模型如圖3所示。為方便分析，圖中各電壓電流符號均采用向量符號表示。圖3中線圈的電感和電阻的計算公式為

式中：M為互感線圈；N為匝數；SW為繞線的截面積。

圖3中RS為采樣電阻，它決定了羅氏線圈工作狀態。羅氏線圈有“微分”和“自積分”2種工作狀態，在微分工作狀態時，羅氏線圈的輸出為一次電流的微分值，自積分工作狀態下則輸出一次電流的微分或比例信號[2-3]。

圖3　集中參數模型Fig.3A lumped parameter model

羅氏線圈的“微分”工作狀態通過向量圖進行解釋，如圖4所示。RS采樣電阻和電容C0組成并聯電路，有處于微分工作狀態時，RS取值一般較大，為數kΩ，頻率在MHz以下時電容C0支路仍可近似為開路，此時電流主要流經RS的實部分量較大，與的夾角α近似為90°，如圖4所示。加之繞線的R0、

L0值均較小，因此和的夾角不大，而與一次電流相差90°，所以與也相差90°，此時羅氏線圈輸出與輸入之間是微分關系[4]。

圖4　微分工作狀態Fig.4Differential working state

3　微分行波測距

3.1微分行波的特點

線路發生故障時產生的故障行波浪涌可近似為一直角波，上升非常迅速，下降平緩[4]。因此，故障電流行波可以用一個雙指數公式表示為：

式中：τ1為下降時間常數；τ2為上升時間常數，對式（7）求導后可得電流行波的微分表達式為：

由2.2節分析可知，羅氏線圈的輸出為輸入電流的微分信號，因此式（8）可以用來表示羅氏線圈輸出的行波微分信號。圖5為行波與微分行波的對比圖。

圖5　行波與微分行波對比圖Fig.5Comparison chart of traveling waves and differential wave

直接利用羅氏線圈輸出的微分行波信號實現故障測距，不但可以省略積分環節，避免因積分環節帶寬有限導致行波信號截波，而且直接利用微分行波信號可以在測距裝置算法中，省去了原有的微分算法。

3.2仿真與分析

利用PSCAD軟件以及小信號的電子式互感器構建一個220 kV的輸電線路模型，如圖6所示，配備雙端行波故障測距功能，線路設計全長350 km。

圖6　輸電線路仿真模型Fig.6Simulation model of transmission line

結合第1節介紹的雙端行波測距法，直接利用羅氏線圈輸出微分行波信號來實現故障定進行仿真分析。

設置不同的故障位置、時間、類型和接地電阻時，所測得的初始微分行波到達兩端的測量結果和誤差如表1所示。測距中的故障距離都是針對M端而言的。

表1　雙端故障測距Tab.1Ranging of double-ended fault location

因試驗條件有限，試驗過程中只考慮接地故障，通過調節設置故障點距離檢測模擬測距的效果，通過表1中數據簡單分析，采用羅氏線圈微分信號進行行波測距，故障點的距離長短對測距系統的精度影響很小，其性能遠優于傳統測距方案。

4　總結

本文針對羅氏線圈輸出與輸入為微分關系的特點，提出了直接利用微分信號實現行波故障測距的方法，構建了仿真電路并進行了驗證，表明羅氏線圈輸出的微分信號在突變點的變化較一次電流行波更為明顯，對雙端和單端行波故障測距法的仿真結果表明測距結果準確。

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（編輯董小兵）

Research of Electronic Transducer Used on Traveling Waves Fault Location

WU Jianwei，ZHANG Haihong
（School of Automation，Nanjing Institute of Mechatronic Technology，Nanjing 211135，Jiangsu，China）

Given that the electronic current transducer based on the Rogowski coil has been widely applied in the power system，this paper presents a travelling wave front identification method based on differential characteristics of the Rogowski coil．The key to realize the fault location is to obtain break-points of the travelling wave surge accurately，especially in the initial surge．The output of the Rogowski coil is a differential signal，which can be directly used for identifying the surge’s mutation point to improve the ability to identify travelling waves．The results of the verification of the method by the simulation as built suggest the differential signal the Rogowsky coil outputs changes at the mutation point more obvious than the primary current travelling wave.The simulation results for the single-end and double-end fault location show that the distance measurement is correct and precise.

electronic transducer；Rogowski coil；traveling waves

1674-3814（2015）06-0012-03

TM452

A

2015-03-07。

武建衛（1980—），女，碩士研究生，講師，研究方向為儀器儀表的研究與智能控制技術；

張海紅（1971—），女，碩士，講師，工程師，主要研究方向是智能控制、PLC。