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電纜故障測(cè)距中的行波法測(cè)距的研究始于本世紀(jì)四十年代初，它是根據(jù)行波傳輸理論實(shí)現(xiàn)輸電線路故障測(cè)距的。現(xiàn)在行波法已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。
(1)早期行波法
按照故障測(cè)距原理可分為 A,B,C 三類:
① A 型故障測(cè)距裝置是利用故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)母線端后反射到故障點(diǎn),再由故障點(diǎn)反射后到達(dá)母線端的時(shí)間差和行波波速來(lái)確定故障點(diǎn)距離的。但此種方法沒(méi)有解決對(duì)故障點(diǎn)的反射波和對(duì)側(cè)母線端反射波在故障點(diǎn)的透射波加以區(qū)分的問(wèn)題,所以實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。
② B 型故障測(cè)距裝置是利用記錄故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間,然后借助于通訊實(shí)現(xiàn)測(cè)距的。由于這種測(cè)距裝置是利用故障產(chǎn)生后到達(dá)母線端的*次行波的信息,因此不存在區(qū)分故障點(diǎn)的反射波和對(duì)側(cè)母線端反射波在故障點(diǎn)的透射波的問(wèn)題。但是它要求在線路兩端有通訊,而且兩邊時(shí)標(biāo)要一致。這就要求利用 GPS 技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
③ C 型故障測(cè)距裝置是在故障發(fā)生后由裝置發(fā)射高壓高頻或直流脈沖,根據(jù)高頻脈沖由裝置到故障點(diǎn)往返一次的時(shí)間進(jìn)行測(cè)距。這種測(cè)距裝置原理簡(jiǎn)單,精度也高,但要附加高頻脈沖信號(hào)發(fā)生器等部件,比較昂貴復(fù)雜。另外,測(cè)距時(shí)故障點(diǎn)反射脈沖往往很難與干擾相區(qū)別,并且要求輸電線路三相均有高頻信號(hào)處理和載波通道設(shè)備。
三種測(cè)距原理的比較:A 型和 C 型測(cè)距原理屬于單端測(cè)距,不需要線路兩端通信,因都需要根據(jù)裝置安裝處到故障點(diǎn)的往返時(shí)間來(lái)定位,故又稱回波定位法;而 B 型測(cè)距原理屬于雙端通訊, 需要雙端信息量。A 型測(cè)距原理和 B 型測(cè)距原理適用于瞬時(shí)性和持久性故障,而 C 型測(cè)距原理只適用于持久性故障。
(2)現(xiàn)代行波法
從某種意義上講,現(xiàn)代行波法是早期A 型行波法的發(fā)展。60年代中期以來(lái),人們對(duì)1926年提出的輸電線路行波傳輸理論行了大量的深入的研究,在相模變換、參數(shù)頻變和暫態(tài)數(shù)值計(jì)算等方面作了大量的工作,進(jìn)一步加深了對(duì)行波法測(cè)距及諸多相關(guān)因素的認(rèn)識(shí)。
1)行波相關(guān)法
行波相關(guān)法所依據(jù)的原理是向故障點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的正向電壓行波與由故障點(diǎn)返回的反向電壓行波之間的波形相似,極性相反,時(shí)間延遲△ t 對(duì)應(yīng)行波在母線與故障點(diǎn)往返一次所需要的時(shí)間。對(duì)二者進(jìn)行相關(guān)分析,把正向行波倒極性并延遲 △ t 時(shí)間后,相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)極大值。
這種方法也存在對(duì)故障點(diǎn)的反射波和對(duì)側(cè)母線端反射波在故障點(diǎn)的透射波加以區(qū)分的問(wèn)題。由于在一些故障情況下存在對(duì)側(cè)端過(guò)來(lái)的透射波,它們會(huì)與故障點(diǎn)發(fā)生的反射波發(fā)生重疊,從而給相關(guān)法測(cè)距帶來(lái)很大困難。

低壓脈沖反射法工作原理
1. 應(yīng)用范圍
低壓脈沖反射法(以下簡(jiǎn)稱低壓脈沖法)用于測(cè)量電纜的低阻、短路與斷路故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)這類故障約占電纜故障的10%。低壓脈沖法還可用于測(cè)量電纜的長(zhǎng)度、電磁波在電纜中的傳播速度，還可用于區(qū)分電纜的中間頭、T型接頭與終端頭等。
2. 工作原理
測(cè)試時(shí)向電纜注入一低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播到阻抗不匹配點(diǎn)，如短路點(diǎn)、故障點(diǎn)、中間接頭等，脈沖產(chǎn)生反射，回送到測(cè)量點(diǎn)被儀器記錄下來(lái)（圖3.1）。波形上發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間差△t，對(duì)應(yīng)脈沖在測(cè)量點(diǎn)與阻抗不匹配點(diǎn)往返一次的時(shí)間，已知脈沖在電纜中的波速度V，則阻抗不匹配點(diǎn)距離，可由下式計(jì)算。L=V•△t?2 (3.1)
圖3.1 低壓脈沖反射原理圖
通過(guò)識(shí)別反射脈沖的極性，可以判定故障的性質(zhì)。斷路故障反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相同，而短路故障的反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相反。
由3.1式知道，脈沖在電纜中的波速度對(duì)于準(zhǔn)確地計(jì)算出故障距離很關(guān)鍵。在不清楚電纜的波速度值的情況下，可用如下方法測(cè)量。如已知被測(cè)電纜的長(zhǎng)度，根據(jù)發(fā)送脈沖與電纜終端反射脈沖之間的時(shí)間△t，可推算出電纜中的波速度：
V=2•L?△t (3.2)
3. 發(fā)射脈沖的選擇
1) 脈沖的形狀
電纜故障測(cè)量?jī)x器使用的電壓脈沖一般有矩形、指數(shù)、鐘形（又叫升余弦）等。由于矩形脈沖形成比較容易，故應(yīng)用的比較多。
2) 脈沖的寬度
脈沖總有一定的時(shí)間寬度，假定為τ，則在τ時(shí)刻以內(nèi)到來(lái)的反射脈沖與發(fā)射脈沖相重迭，無(wú)法區(qū)分出來(lái)，因此就不能測(cè)出故障點(diǎn)距離，出現(xiàn)了盲區(qū)。假設(shè)脈沖發(fā)射寬度是0.5 s，電纜波速度是160m / s，其測(cè)量盲區(qū)就是40米，儀器發(fā)送脈沖愈寬，測(cè)量盲區(qū)愈大。從減小盲區(qū)的角度看，發(fā)送脈沖寬度窄一些好，但脈沖愈窄，它所包含的高頻成分愈豐富，而線路高頻損耗大，使反射脈沖幅值過(guò)小，畸變嚴(yán)重，影響遠(yuǎn)距離故障的測(cè)量效果。為解決這一問(wèn)題，脈沖反射儀器把脈沖寬度分成幾個(gè)范圍，根據(jù)測(cè)量距離的遠(yuǎn)近來(lái)選擇脈沖寬度，測(cè)量距離愈遠(yuǎn)，脈沖愈寬。
2)高頻行波法
高頻行波法與其他行波法不同的是,它提取電壓或電流的高頻行波分量,然后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理,再依據(jù) A 型行波法進(jìn)行故障測(cè)距。這種方法根據(jù)高頻下母線端的反射特性,成功的區(qū)分了故障點(diǎn)的反射波和對(duì)側(cè)母線端反射波在故障點(diǎn)的透射波。
(3)利用行波法測(cè)距需要解決的問(wèn)題
行波法測(cè)距的可靠性和精度在理論上不受線路類型、故障電阻及兩側(cè)系統(tǒng)的影響,但在實(shí)際中則受到許多工程因素的制約。
1)行波信號(hào)的獲取
數(shù)字仿真表明:故障時(shí)線路上的一次電壓與電流的行波現(xiàn)象很明顯,包含豐富的故障信息,但需要通過(guò)互感器進(jìn)行測(cè)量。關(guān)鍵是如何用一種經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單的方式從互感器二次側(cè)測(cè)量到行波信號(hào)。一般來(lái)說(shuō),電壓和電流的互感器的截止頻率要不低于 10khz,才能保證信號(hào)不過(guò)分失真。用于高壓輸電線路的電容式電壓互感器(CVT)顯然不能滿足要求。利用故障產(chǎn)生的行波的測(cè)距裝置,好能做到與其他的線路保護(hù)(如距離保護(hù))共用測(cè)量互感器,否則難以應(yīng)用推廣。為了達(dá)到一個(gè)桿塔(小于1km)的測(cè)距精度,二次側(cè)信號(hào)上升沿時(shí)間應(yīng)該在幾個(gè)微秒之內(nèi)。實(shí)驗(yàn)研究表明,電流互感器(CT)的暫態(tài)響應(yīng)特性能滿足如此高的響應(yīng)速度。
所以,行波測(cè)距裝置可以與其它保護(hù)裝置共用電流互感器,因而易于被推廣使用。
2)故障產(chǎn)生的行波信號(hào)的不確定性
故障產(chǎn)生的行波信號(hào)的不確定性主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:
①故障的不確定性
故障的不確定性主要表現(xiàn)在故障發(fā)生角和故障類型上。故障發(fā)生的時(shí)刻是隨機(jī)的,它與故障原因和線路狀態(tài)等因素有關(guān)。同時(shí),故障發(fā)生的類型也是不同的, 可以是金屬性故障,也可能是經(jīng)過(guò)大小不一的過(guò)渡電阻的短路故障。
②母線接線方式的不確定性
行波測(cè)距理論基于行波的傳播及反射，母線上的接線是不固定的，這就引起行波到達(dá)母線的不確定性。然而行波測(cè)距要求在母線側(cè)有足夠強(qiáng)的反射才可能被測(cè)到。
③線路及系統(tǒng)其它元件的非線性及依頻特性的影響
由于集膚效應(yīng)的關(guān)系,實(shí)際的三相線路存在損耗與參數(shù)隨頻率變化的現(xiàn)象。系統(tǒng)中地模參數(shù)損耗大且頻率依頻特性嚴(yán)重,使暫態(tài)行波信號(hào)的分析變得復(fù)雜和難以準(zhǔn)確描述。所以一般使用線模分量進(jìn)行行波測(cè)距。
③故障點(diǎn)反射波的識(shí)別
故障點(diǎn)反射波的正確識(shí)別是能否準(zhǔn)確可靠的進(jìn)行故障測(cè)距的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。線路上存在大量特性與故障點(diǎn)的反射波極為相似的干擾。正常運(yùn)行情況下較大的干擾主要來(lái)自斷路器和隔離開(kāi)關(guān)的操作,任何上述操作都會(huì)產(chǎn)生劇烈的電壓變化。在故障發(fā)生后,行波沿輸電線傳播時(shí),也會(huì)出現(xiàn)干擾。例如線路的換位點(diǎn)和其它線路的交叉跨越點(diǎn)處都會(huì)因波阻抗的變化出現(xiàn)干擾,更增加了識(shí)別的難度。故障點(diǎn)反射波識(shí)別除了排除線路干擾外,關(guān)鍵還在于區(qū)分出反射波是來(lái)自故障點(diǎn)還是線路對(duì)端母線。早期行波法測(cè)距的終端設(shè)備受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制,其結(jié)構(gòu)與使用相當(dāng)復(fù)雜,如B型法的同步裝置,C 型法中的高頻和直流脈沖發(fā)生裝置等等,這些終端設(shè)備和操作上的實(shí)時(shí)自動(dòng)化要求增加了行波法測(cè)距的技術(shù)復(fù)雜性和成本,阻礙了行波法測(cè)距的更廣泛應(yīng)用。
④行波信號(hào)的記錄與處理
故障產(chǎn)生的暫態(tài)行波信號(hào)只持續(xù)很短時(shí)間,經(jīng)過(guò)多次反射后進(jìn)入穩(wěn)態(tài),為此必須在故障產(chǎn)生后幾毫秒內(nèi)記錄下有用的暫態(tài)行波信號(hào)。此外,為保證測(cè)距有足夠的精度,為了采集高頻暫態(tài)行波,采樣頻率不能太低,應(yīng)在百千赫茲數(shù)量級(jí)。
盡管如此,利用故障行波測(cè)距要比實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)要容易獲得推廣應(yīng)用的多。使用行波保護(hù)的目的在于獲得很高的動(dòng)作速度( 小于10ms),一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何區(qū)分故障與其它原因,比如雷擊、系統(tǒng)操作等引起的擾動(dòng)。而對(duì)測(cè)距來(lái)說(shuō)不存在這個(gè)區(qū)分問(wèn)題。因?yàn)樗灰龅较到y(tǒng)故障后,準(zhǔn)確的給出故障距離就行了。通過(guò)檢查保護(hù)是否動(dòng)作,可以很容易的知道系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。
總之, 行波法在理論上有許多獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn),可以相信,隨著新型行波測(cè)距方法研究的深入,這些問(wèn)題終將被解決,新型行波法有著非常廣闊的應(yīng)用前景。