什么是電纜故障行波法測距

電纜故障測距中的行波法測距的研究始于本世紀四十年代初，它是根據行波傳輸理論實現輸電線路故障測距的。現在行波法已經成為研究熱點。
(1)早期行波法
按照故障測距原理可分為 A,B,C 三類:
① A 型故障測距裝置是利用故障點產生的行波到達母線端后反射到故障點,再由故障點反射后到達母線端的時間差和行波波速來確定故障點距離的。但此種方法沒有解決對故障點的反射波和對側母線端反射波在故障點的透射波加以區分的問題,所以實現起來比較困難。
② B 型故障測距裝置是利用記錄故障點產生的行波到達線路兩端的時間,然后借助于通訊實現測距的。由于這種測距裝置是利用故障產生后到達母線端的*次行波的信息,因此不存在區分故障點的反射波和對側母線端反射波在故障點的透射波的問題。但是它要求在線路兩端有通訊,而且兩邊時標要一致。這就要求利用 GPS 技術加以實現。
③ C 型故障測距裝置是在故障發生后由裝置發射高壓高頻或直流脈沖,根據高頻脈沖由裝置到故障點往返一次的時間進行測距。這種測距裝置原理簡單,精度也高,但要附加高頻脈沖信號發生器等部件,比較昂貴復雜。另外,測距時故障點反射脈沖往往很難與干擾相區別,并且要求輸電線路三相均有高頻信號處理和載波通道設備。
三種測距原理的比較:A 型和 C 型測距原理屬于單端測距,不需要線路兩端通信,因都需要根據裝置安裝處到故障點的往返時間來定位,故又稱回波定位法;而 B 型測距原理屬于雙端通訊, 需要雙端信息量。A 型測距原理和 B 型測距原理適用于瞬時性和持久性故障,而 C 型測距原理只適用于持久性故障。
(2)現代行波法
從某種意義上講,現代行波法是早期A 型行波法的發展。60年代中期以來,人們對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、參數頻變和暫態數值計算等方面作了大量的工作,進一步加深了對行波法測距及諸多相關因素的認識。
1)行波相關法
行波相關法所依據的原理是向故障點運動的正向電壓行波與由故障點返回的反向電壓行波之間的波形相似,極性相反,時間延遲△ t 對應行波在母線與故障點往返一次所需要的時間。對二者進行相關分析,把正向行波倒極性并延遲 △ t 時間后,相關函數出現極大值。
這種方法也存在對故障點的反射波和對側母線端反射波在故障點的透射波加以區分的問題。由于在一些故障情況下存在對側端過來的透射波,它們會與故障點發生的反射波發生重疊,從而給相關法測距帶來很大困難。

低壓脈沖反射法工作原理
1. 應用范圍
低壓脈沖反射法(以下簡稱低壓脈沖法)用于測量電纜的低阻、短路與斷路故障。據統計這類故障約占電纜故障的10%。低壓脈沖法還可用于測量電纜的長度、電磁波在電纜中的傳播速度，還可用于區分電纜的中間頭、T型接頭與終端頭等。
2. 工作原理
測試時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，如短路點、故障點、中間接頭等，脈沖產生反射，回送到測量點被儀器記錄下來（圖3.1）。波形上發射脈沖與反射脈沖的時間差△t，對應脈沖在測量點與阻抗不匹配點往返一次的時間，已知脈沖在電纜中的波速度V，則阻抗不匹配點距離，可由下式計算。L=V•△t?2 (3.1)
圖3.1 低壓脈沖反射原理圖
通過識別反射脈沖的極性，可以判定故障的性質。斷路故障反射脈沖與發射脈沖極性相同，而短路故障的反射脈沖與發射脈沖極性相反。
由3.1式知道，脈沖在電纜中的波速度對于準確地計算出故障距離很關鍵。在不清楚電纜的波速度值的情況下，可用如下方法測量。如已知被測電纜的長度，根據發送脈沖與電纜終端反射脈沖之間的時間△t，可推算出電纜中的波速度：
V=2•L?△t (3.2)
3. 發射脈沖的選擇
1) 脈沖的形狀
電纜故障測量儀器使用的電壓脈沖一般有矩形、指數、鐘形（又叫升余弦）等。由于矩形脈沖形成比較容易，故應用的比較多。
2) 脈沖的寬度
脈沖總有一定的時間寬度，假定為τ，則在τ時刻以內到來的反射脈沖與發射脈沖相重迭，無法區分出來，因此就不能測出故障點距離，出現了盲區。假設脈沖發射寬度是0.5 s，電纜波速度是160m / s，其測量盲區就是40米，儀器發送脈沖愈寬，測量盲區愈大。從減小盲區的角度看，發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，使反射脈沖幅值過小，畸變嚴重，影響遠距離故障的測量效果。為解決這一問題，脈沖反射儀器把脈沖寬度分成幾個范圍，根據測量距離的遠近來選擇脈沖寬度，測量距離愈遠，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,然后進行數字信號處理,再依據 A 型行波法進行故障測距。這種方法根據高頻下母線端的反射特性,成功的區分了故障點的反射波和對側母線端反射波在故障點的透射波。
(3)利用行波法測距需要解決的問題
行波法測距的可靠性和精度在理論上不受線路類型、故障電阻及兩側系統的影響,但在實際中則受到許多工程因素的制約。
1)行波信號的獲取
數字仿真表明:故障時線路上的一次電壓與電流的行波現象很明顯,包含豐富的故障信息,但需要通過互感器進行測量。關鍵是如何用一種經濟、簡單的方式從互感器二次側測量到行波信號。一般來說,電壓和電流的互感器的截止頻率要不低于 10khz,才能保證信號不過分失真。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。利用故障產生的行波的測距裝置,好能做到與其他的線路保護(如距離保護)共用測量互感器,否則難以應用推廣。為了達到一個桿塔(小于1km)的測距精度,二次側信號上升沿時間應該在幾個微秒之內。實驗研究表明,電流互感器(CT)的暫態響應特性能滿足如此高的響應速度。
所以,行波測距裝置可以與其它保護裝置共用電流互感器,因而易于被推廣使用。
2)故障產生的行波信號的不確定性
故障產生的行波信號的不確定性主要表現在三個方面:
①故障的不確定性
故障的不確定性主要表現在故障發生角和故障類型上。故障發生的時刻是隨機的,它與故障原因和線路狀態等因素有關。同時,故障發生的類型也是不同的, 可以是金屬性故障,也可能是經過大小不一的過渡電阻的短路故障。
②母線接線方式的不確定性
行波測距理論基于行波的傳播及反射，母線上的接線是不固定的，這就引起行波到達母線的不確定性。然而行波測距要求在母線側有足夠強的反射才可能被測到。
③線路及系統其它元件的非線性及依頻特性的影響
由于集膚效應的關系,實際的三相線路存在損耗與參數隨頻率變化的現象。系統中地模參數損耗大且頻率依頻特性嚴重,使暫態行波信號的分析變得復雜和難以準確描述。所以一般使用線模分量進行行波測距。
③故障點反射波的識別
故障點反射波的正確識別是能否準確可靠的進行故障測距的關鍵技術問題。線路上存在大量特性與故障點的反射波極為相似的干擾。正常運行情況下較大的干擾主要來自斷路器和隔離開關的操作,任何上述操作都會產生劇烈的電壓變化。在故障發生后,行波沿輸電線傳播時,也會出現干擾。例如線路的換位點和其它線路的交叉跨越點處都會因波阻抗的變化出現干擾,更增加了識別的難度。故障點反射波識別除了排除線路干擾外,關鍵還在于區分出反射波是來自故障點還是線路對端母線。早期行波法測距的終端設備受當時技術條件的限制,其結構與使用相當復雜,如B型法的同步裝置,C 型法中的高頻和直流脈沖發生裝置等等,這些終端設備和操作上的實時自動化要求增加了行波法測距的技術復雜性和成本,阻礙了行波法測距的更廣泛應用。
④行波信號的記錄與處理
故障產生的暫態行波信號只持續很短時間,經過多次反射后進入穩態,為此必須在故障產生后幾毫秒內記錄下有用的暫態行波信號。此外,為保證測距有足夠的精度,為了采集高頻暫態行波,采樣頻率不能太低,應在百千赫茲數量級。
盡管如此,利用故障行波測距要比實現繼電保護要容易獲得推廣應用的多。使用行波保護的目的在于獲得很高的動作速度( 小于10ms),一個關鍵問題是如何區分故障與其它原因,比如雷擊、系統操作等引起的擾動。而對測距來說不存在這個區分問題。因為它只要做到系統故障后,準確的給出故障距離就行了。通過檢查保護是否動作,可以很容易的知道系統是否出現故障。
總之, 行波法在理論上有許多獨到的優點,可以相信,隨著新型行波測距方法研究的深入,這些問題終將被解決,新型行波法有著非常廣闊的應用前景。