KV電力線路故障測距實(shí)習(xí)報(bào)告

1、西南交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目：110KV電力線路故障測距專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學(xué) 號： 13924661 姓 名： 姬艷龍 指導(dǎo)教師： 張 麗 學(xué)習(xí)中心： 安康學(xué)習(xí)中心 西 南 交 通 大 學(xué) 網(wǎng) 絡(luò) 教 育 學(xué) 院2015年11月05日院系 西南交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 年級 2013級 學(xué) 號 13924661 姓 名 姬艷龍 學(xué)習(xí)中心 安康學(xué)習(xí)中心 指導(dǎo)教師 張 麗 題目 110KV電力線路故障測距 指導(dǎo)教師評 語 是否同意答辯 過程分(滿分20) 指導(dǎo)教師 (簽章) 評 閱 人評 語 評 閱 人 (簽章)成 績 答辯委員會主任 (簽章) 年

2、 月 日 畢 業(yè) 論 文 任 務(wù) 書班 級 2013級 學(xué)生姓名 姬艷龍 學(xué) 號 13924661 開題日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日題 目 110KV電力線路故障測距 1、本論文的目的、意義 畢業(yè)實(shí)習(xí)是理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要方式，是提高學(xué)生政治思想水平、業(yè)務(wù)素質(zhì)和動手能力的重要環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)堅(jiān)持四項(xiàng)基本原則，有理想、有道德、有文化、有紀(jì)律的德才兼?zhèn)涞募寄苄?、?yīng)用性人才有著十分重要的意義。 學(xué)生通過實(shí)習(xí)走向社會，接觸實(shí)務(wù)，了解國情、民情，增進(jìn)群眾觀念、勞動觀念和參與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的自覺性、事業(yè)心、責(zé)任感;通過深入基層，了解經(jīng)濟(jì)管理和財(cái)會會計(jì)工作現(xiàn)狀，可加深理解并鞏固所學(xué)專業(yè)知識，進(jìn)一步提高

3、認(rèn)識問題、分析問題、解決問題的能力，為今后走向社會，服務(wù)社會做好思想準(zhǔn)備和業(yè)務(wù)準(zhǔn)備。畢業(yè)實(shí)習(xí)可以使畢業(yè)論文或?qū)嵙?xí)調(diào)查報(bào)告寫作有更充分、更現(xiàn)實(shí)的依據(jù)。本次畢業(yè)實(shí)習(xí)我選的題目是110KV電力線路故障測距，主要是熟悉和掌握電力線路故障測距原理和方法，并以110KV電力線路為例進(jìn)行具體分析和計(jì)算。通過上網(wǎng)和去圖書館查閱資料，深入復(fù)習(xí)所學(xué)專業(yè)課程，確定自己的課題，學(xué)習(xí)相關(guān)知識，有針對性那個(gè)的收集資料，并學(xué)習(xí)相關(guān)軟件的運(yùn)用，達(dá)到進(jìn)一步深化學(xué)習(xí)與研究的目的。2、學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù) 第一步：在全面掌握有關(guān)理論的基礎(chǔ)上積極著手收集資料，擬定該論文大綱； 第二步：依據(jù)指導(dǎo)老師修改后的論文提綱撰寫論文； 第三步：向指

4、導(dǎo)老師提交論文初稿； 第四步：依據(jù)老師的指導(dǎo)對論文進(jìn)行反復(fù)修改； 第五步：論文定稿并對論文進(jìn)行裝訂； 第六步：對論文答辯進(jìn)行準(zhǔn)備。 3、論文各部分內(nèi)容及時(shí)間分配：（共12周）第一部分輸電線路的背景和意義 ( 1 周) 第二部分輸電線路故障測距研究 ( 2 周) 第三部分論文研究的主要內(nèi)容 ( 3 周) 第四部分行波的發(fā)射和折射 ( 2 周) 第五部分 現(xiàn)代行波測距方法 （ 2 周）第六部分 幾種測距的比較 （ 2 周）評閱或答辯 ( 周)4、參考文獻(xiàn)：1、葛耀中.新型繼電保護(hù)與故障測距原理與技術(shù).西安:西安交通大學(xué)出版社,1996. 2、萬耕,穆華寧.高壓架空輸電線路的行波故障測距方法.高壓電

5、器,2005,41(2):135-138. 3、馬長貴.高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原理.水利電力出版社,1988,6. 4、吳必信.綜述單端故障測距算法(三).電力自動化設(shè)備,1996,(1):15-19. 5、束洪春,司大軍,葛耀中,等.小波變換應(yīng)用于輸電線路行波故障測距().云南水利發(fā)電,2002,18(2):16-21. 6、束洪春,王平才,司大軍,等.小波變換應(yīng)用于輸電線路行波故障測距().云南水利發(fā)電,2002,18(2):10-15+38. 7、全玉生,楊敏中,王曉蓉,等.高壓架空輸電線路的故障測距方法.電網(wǎng)技術(shù),2000,24(4):27-33. 8、嚴(yán)鳳.中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)單相接地行波

6、定位方法的研究.保定:華北電力大學(xué),2003. 9 董振河.輸電線路行波故障測距.山東電力技術(shù),2000,(2):8-10. 9、陳崇源,顏秋容.電路理論-端口網(wǎng)絡(luò)與均勻傳輸線.華中理工大學(xué)出版社,1997. 10、王學(xué)峰,周俊宇.用小波變換技術(shù)定位輸電線路故障,高壓電器,2006,32(1):84-87. 11、崔錦泰.小波分析導(dǎo)論.程正興譯.西安:西安交通大學(xué)出版社,l995. 12、李加波,于瑞紅,戴玉松,等.基于小波變換的輸電線路行波測距研究.湖南電力,2005,25(1):15-18. 13、董新洲,葛耀中,徐丙垠.利用暫態(tài)電流行波的輸電線路故障測距研究.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),1999,

7、19(4):76-80. 14、黃子俊,陳允平.基于小波變換模極大值的輸電線路單端故障定位.電力自動化設(shè)備,2005,25(2):10-14. 15、覃劍,葛維春,邱金輝,等.輸電線路單端行波測距法和雙端行波測距法的對比.電力系統(tǒng)自動化,2006,30(6):92-95.備 注 指導(dǎo)教師： 年 月 日審 批 人： 年 月 日承 諾一、本論文是本人獨(dú)立完成；二、本論文沒有任何抄襲行為；三、若有不實(shí)，一經(jīng)查出，請答辯委員會取消本人答辯（評閱）資格。 承諾人：姬艷龍 2015年 11 月 05 日目 錄摘 要6前 言7第一章 輸電線路的背景和意義8第二章 輸電線路故障測距研究92.1 故障測距的發(fā)展

8、和分類92.2故障測距的基本要求102.3輸電線路故障測距研究的現(xiàn)狀112.4行波法存在的問題11第三章 論文研究的主要內(nèi)容123.1行波的基本概念123.2 行波源15第四章 行波的發(fā)射和折射154.1反射波和折射波產(chǎn)生的原因154.2反射波和折射波的計(jì)算164.3行波反射和折射的特點(diǎn)17第五章 現(xiàn)代行波測距方法205.1單端A型測距方法205.2雙端D型測距方法22第六章 幾種測距的比較246.1單端法優(yōu)缺點(diǎn)256.2雙端法優(yōu)缺點(diǎn)26結(jié)束語28致 謝29參考文獻(xiàn)30摘 要對高壓架空輸電線路進(jìn)行準(zhǔn)確的故障測距是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的有效途徑之一。為此，文章全面地介紹了國內(nèi)外在此方面的研究

9、現(xiàn)狀。根據(jù)各種測距算法采用的原理不同，將現(xiàn)有的各種測距算法分為阻抗法、故障分析法、和行波法。阻抗法是根據(jù)故障時(shí)測量到的電壓、電流量而計(jì)算出故障回路的阻抗，由于線路長度與阻抗成正比，因此便可求出由裝置裝設(shè)處到故障點(diǎn)的距離；故障分析法是利用故障時(shí)記錄下來的電壓、電流量，通過分析計(jì)算，求出故障點(diǎn)的距離；行波法是根據(jù)行波傳輸理論實(shí)現(xiàn)輸電線路的故障測距方法，按其原理可分為A、B、C型3種方法，然后利用小波變換對輸電線路故障測距進(jìn)行模擬仿真。最后，對高壓架空輸電線路故障測距的研究及應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：故障測距；行波；輸電線路；小波變換前 言電能作為潔凈的二次能源，在當(dāng)代社會的能源比重原來越發(fā)揮著它

10、不可替代的作用。電力行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，優(yōu)質(zhì)可靠的電力供應(yīng)是現(xiàn)代化社會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要保證。因此，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，可靠性，快速性等至關(guān)重要。而輸電線路負(fù)擔(dān)著傳送電能的重要任務(wù)，是電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)命脈，其故障直接威脅到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)也是電力系統(tǒng)中發(fā)生故障最多的地方。第一章 輸電線路的背景和意義隨著我國電力行業(yè)的飛速崛起，現(xiàn)代電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，輸電線路的輸送容量和電壓等級不斷提高，遠(yuǎn)距離輸電線路日益增多，輸電線路故障對電力系統(tǒng)運(yùn)行，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民日常生活的危害也與日俱增。所以，及時(shí)排除輸電線路故障并及時(shí)排除各種隱患，不僅對修復(fù)電路和保證持續(xù)可靠供電，而且對保證整個(gè)

11、電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有是有十分重要的意義1。電力系統(tǒng)輸電線路上經(jīng)常發(fā)生各種短路故障，在故障點(diǎn)有些故障比較明顯，容易辨別，有些故障則難以發(fā)覺，如在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于接地電流小，所以在故障點(diǎn)造成的損害小，當(dāng)保護(hù)切除這一故障后，故障點(diǎn)有時(shí)很難查找，但這一故障點(diǎn)由于絕緣已經(jīng)發(fā)生變化，相對整個(gè)線路來講比較薄弱，很可能就是下次故障的發(fā)生地，因此，仍然需要盡快找到其位置。其次，輸電線路穿越的地形復(fù)雜，氣候惡劣，特別是遠(yuǎn)距離輸電線路，難免要穿越山區(qū)，沙漠這些人跡罕至的偏僻地帶，交通十分不便。再者，多數(shù)故障往往發(fā)生在風(fēng)雪，雷雨等較為惡劣的天氣中發(fā)生。另外，我國電力系統(tǒng)的巡線裝備簡

12、陋，使得故障測距的準(zhǔn)確度，對故障巡線工作起了關(guān)鍵性的作用2。概況起來，輸電線路故障測距的意義主要包括以下幾個(gè)方面：（1） 對于永久性故障，準(zhǔn)確的故障測距結(jié)果能夠幫助巡線人員快速查找故障點(diǎn)，及時(shí)排除故障，快速恢復(fù)供電，提高供電可靠性和連續(xù)性，減少停電帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失和巡線所耗費(fèi)的大量人力、財(cái)力、物力。（2） 對于瞬時(shí)性故障，準(zhǔn)確的故障測距有助于分析故障原因，發(fā)現(xiàn)絕緣隱患，從而采取積極的預(yù)防措施，避免形成永久故障，節(jié)約檢修時(shí)間和費(fèi)用。（3） 如果故障測距算法精度高，運(yùn)算量小，那么故障測距本身就可以作為距離保護(hù)的元件，從而對提高保護(hù)性能、保證系統(tǒng)安全運(yùn)行有重要的意義。第二章 輸電線路故障測距研究2

13、.1 故障測距的發(fā)展和分類2.1.1 行波法 行波法是根據(jù)行波理論現(xiàn)實(shí)的測距方法，始于上個(gè)世紀(jì)五十年代，隨著六十年代多傳輸線的行波傳播規(guī)律的更為深入的研究和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，行波測距的理論和技術(shù)得到了長足的發(fā)展，行波測距的裝置現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。行波測距方案可分為A、B、C三類。A型測距原理是根據(jù)測量點(diǎn)到故障點(diǎn)往返一次的時(shí)間和行波波速確定故障點(diǎn)的距離。這個(gè)測距裝置比較簡單，只能裝置在一端，不要求和線路對側(cè)進(jìn)行通信聯(lián)系。不受過渡電阻影響，可以達(dá)到較高的精度。但是，A型測距要求記錄行波波形，而故障暫態(tài)信號只持續(xù)很多的時(shí)間，為保證有足夠的精度，應(yīng)采用足夠高的采樣率，因此A型行波測距對硬件要求比較

14、高。B型測距是根據(jù)故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間并借助于專用通道的通信聯(lián)系實(shí)現(xiàn)測距的。由于這種測距裝備利用的是故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波第一次到達(dá)兩端的信息，因此不受故障點(diǎn)投射波的影響，實(shí)現(xiàn)起來困難較小。但是B型測距對通道有高要求，使得投資巨大，目前難以在國內(nèi)廣泛采用。C型測距裝置是故障發(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)往返時(shí)間進(jìn)行測距。這個(gè)裝置的工作原理和雷達(dá)相同，只是行波沿電力線路傳播而已。對于瞬時(shí)性故障，C型測距靠人為施加雷達(dá)信號往往測不到故障。另外，高壓脈沖信號發(fā)生器造價(jià)昂貴。由于通道技術(shù)條件的限制，高壓脈沖信號強(qiáng)度不能太高，故障點(diǎn)反射脈沖往往很難與干擾相區(qū)別，種

15、種因素都限制了C型測距的發(fā)展。2.1.2 故障分析法 故障分析法依據(jù)電壓電流的測量值，通過故障分析根據(jù)各種特征構(gòu)造各種原理（如阻抗與距離成正比，用兩端數(shù)據(jù)計(jì)算到的故障點(diǎn)電壓相等，過渡電阻的純阻性等）的測距方程，進(jìn)行故障測距。事實(shí)上，在線路參數(shù)已知的情況下，輸電線路某處發(fā)生故障時(shí)，線路兩端的電壓電流均為故障距離的函數(shù)，其實(shí)質(zhì)是短路電流的逆運(yùn)算。故障分析法由于簡單易行，對設(shè)備要求較低，投資小，獲得了廣泛的運(yùn)用。早起的故障分析方法主要是利用單端電氣量的測距算法，常見的單端算法主要有工頻阻抗法3，解微方程算法4，零序電流相位修正法5，故障電流相位修正法5,6，解二次方程法7,8，對稱分量法9，解一次方

16、程法10，網(wǎng)孔方程法11。上述單端測距算法都無法從原理上同時(shí)消除過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)阻抗的影響。制約了單端測距的發(fā)展。隨著通道的發(fā)展，能夠較為容易的獲得對側(cè)的電壓電流，因此雙端測距方法逐漸發(fā)展起來。2.1.3 智能化測距法近年來，將智能理論引入故障測距的算法研究越來越多，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論居多。各種智能技術(shù)之間的交叉結(jié)合，如模糊專家系統(tǒng)，模糊網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)等相繼提出，但大多數(shù)還處于研究階段，還有待于各種智能技術(shù)的發(fā)展和成熟，相關(guān)科學(xué)成果如小波變換、遺傳算法、卡爾曼濾波技術(shù)、模式識別技術(shù)、概率與統(tǒng)計(jì)決策方法等也被引入到故障測距中。2.2故障測距的基本要求在不同場合，對故障測距的要求

17、也不盡相同。但是要滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需要，對算法有以下幾點(diǎn)基本要求：（1）可靠性 要求在故障發(fā)生后能可靠地進(jìn)行測距，無論何種故障類型和故障條件，不能因?yàn)闇y距方法內(nèi)在缺陷出現(xiàn)測距結(jié)果的發(fā)散情況。而在無故障情況下，不能錯誤地啟動故障測距。（2）準(zhǔn)確性 保護(hù)裝置中，為了滿足繼電保護(hù)的技術(shù)要求，除了測距的精度外，更注重的則是如何快速地得到這一結(jié)。而在繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)中，由于是離線（或準(zhǔn)在線）系統(tǒng)，對于時(shí)間無嚴(yán)格要求，所以更注意的是測距精度，沒有足夠的準(zhǔn)確性就意味著測距失敗。（3）實(shí)用性 要求故障測距算法不受故障類型、系統(tǒng)運(yùn)行方式、過渡電阻及其故障距離等的影響，在各種情況下均能獲得較高的精度。在實(shí)際使用

18、中，能減少人的工作量，方便易用。（4）經(jīng)濟(jì)性易于實(shí)現(xiàn)，且轉(zhuǎn)化成裝置時(shí)對元件、材料等要求適當(dāng)，成本低，生產(chǎn)的測距裝置物美價(jià)廉，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，能夠推廣使用。 2.3輸電線路故障測距研究的現(xiàn)狀迄今為止，國內(nèi)外已有大量探討輸電線路故障測距的文章發(fā)表，有些測距裝置已投入現(xiàn)場運(yùn)行。而且隨著通信技術(shù)和數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展，故障測距已經(jīng)能夠方便的獲得對側(cè)的信息并且測量裝置的硬件計(jì)算處理能力大大增強(qiáng)，能夠滿足復(fù)雜的運(yùn)算。2.4行波法存在的問題 眾觀現(xiàn)有的行波故障定位法，尚有幾個(gè)問題有待解決： (1) 線路兩端非線性原件的動態(tài)延時(shí)電流互感器是提取電流行波的耦合元件，其二次側(cè)的時(shí)間常數(shù)按試驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)一般約為百微秒12

19、，但要受鐵芯飽和及剩磁影響，這將使電流互感器的動態(tài)時(shí)延具有較大的分散性；行波起動元件也有分散延時(shí)，在新型B型故障定位算法中，1微秒的時(shí)間誤差所對應(yīng)的最大定位誤差約300米，而這種由耦合和啟動等非線性元件引起的分散性動態(tài)時(shí)延對行波法定位精度的影響，在現(xiàn)在的文獻(xiàn)中還幾乎沒有定量考慮。(2) 波速的影響在行波故障定位方法中波速是主要的影響因素，而其計(jì)算取決于大地電阻率和架空線的配置。高壓線路線的地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜，不同的地質(zhì)段的土壤電阻率有不同取值，且與氣候密切相關(guān)。而現(xiàn)在的行波故障定位法是建立在假設(shè)行波在輸電線路上固定的傳播波速13。第三章 論文研究的主要內(nèi)容 對于電力系統(tǒng)輸電線路的故障測距研究，至

20、今還要一些尚未很好解決的問題。本文的研究工作正是圍繞著這些問題展開。主要的內(nèi)容和安排如下： (1)在查閱大量參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了目前國內(nèi)外輸電線路故障測距的基本方法和原理，并對各種測距方法的應(yīng)用情況和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較;對輸電線路的波過程基本理論和行波測距的基本原理進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述。(2)分析行波發(fā)法單端和雙端測距的基本原理，分別分析影響單端測距和雙端測距的因素。(3)在信號采集中，本文首先對信號進(jìn)行變換，其次進(jìn)行濾波和放大，最后通過比較器進(jìn)行比較，這樣可以消除外界因素的干擾及裝置誤啟動現(xiàn)象，提高了裝置測距的可靠性。(4)對以往各種高速采集電路的工作原理和性能特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并結(jié)合當(dāng)前

21、微電子技術(shù)，提出了一種CPLD現(xiàn)場可編程器件等技術(shù)，設(shè)計(jì)出了高速數(shù)據(jù)采集電路，實(shí)現(xiàn)了多次連續(xù)、無死區(qū)記錄超高速暫態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，克服“漏記故障”現(xiàn)象，提高基于暫態(tài)信號的電力系統(tǒng)監(jiān)視、控制、保護(hù)裝置的可靠性。(5)通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)裝置的可行性和采集結(jié)果的可信性。其用于輸電線路故障測距，成功捕捉到了現(xiàn)場的實(shí)際故障波形，進(jìn)一步證明系統(tǒng)的開發(fā)是成功的。3.1行波的基本概念 在傳輸線間加上電壓并有電流流過時(shí)，在傳輸線及其周圍空間建立了電場和磁場。如果激勵電壓隨時(shí)間變化，則上述電場和磁場也將隨時(shí)間變化。時(shí)變電磁場的普遍規(guī)律決定了傳輸線上的電壓和電流隨時(shí)間和空間而變化的規(guī)律。因此，可以說傳輸線上的電流電

22、壓的變化規(guī)律，就是電磁場在空間變化的體現(xiàn)。電磁場是以波的形式向周圍傳播的，所以電流電壓也是以波的形式在傳輸線上傳播的。當(dāng)在電力系統(tǒng)沒有故障的時(shí)候，電流電壓的波形是50赫茲的正/余弦波。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電壓電流波形將發(fā)生畸變，在這些畸變的電流電壓行波中，包含著豐富的系統(tǒng)故障信息。若能成功提取并分析這些故障信息，這對維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全將十分有利。 當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，由于輸電線具有分布電容和電感的存在，所以故障電壓會以電場的形式以一定速度向線路兩端運(yùn)動，即形成電壓波。同時(shí)又會有與電壓相對應(yīng)的電流流過，并形成磁場，這個(gè)運(yùn)動的電流就是電流波。圖2.1 單導(dǎo)線等值電路 現(xiàn)在以單導(dǎo)線等值電路為例

23、，在具有分布參數(shù)輸電線路中，若假設(shè)每單位長度導(dǎo)線的電感及電阻為L及r，每單位長度導(dǎo)線的對地電容及電導(dǎo)為c及g，則線路的等值電路如圖 (2.1)所示。由等值電路圖可描述出行波的數(shù)學(xué)表達(dá)式，得如式(2.1)所示的如下方程：式（2.1） 式（2.1）式中：x為測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)；t為觀察時(shí)的時(shí)刻；L、r、C、g為等值線路中的參數(shù)；u、i為故障分量電壓與電流。 嚴(yán)格地說，輸電線的L、x、c、g都是頻率的函數(shù)。但一般輸電線的對地電導(dǎo)g較小，而以地為回路的線路電阻:要引起波形的衰減和變形，其影響將隨波的傳播距離而增加，為了分析方便，假設(shè)L、r、C、g均為常數(shù)，且r=0，g=0。此時(shí)線路為無損，本文僅論及無損

24、線路的行波過程。這樣對單相無損的分布參數(shù)線路的波動方程可簡寫為： 式（2.2）對式（2.2）進(jìn)行拉式變換求解，可得： 式（2.3）式中， 稱為波阻抗；為電壓和電流行波沿輸電線路傳播的速度，稱為波速。u+，u-分別表示正向行波電壓和反向行波電壓；i+i-分別表示正向電流和反向行波電流。 由上述方程組可以得出無損單導(dǎo)線中波過程的一些基本規(guī)律。其為：導(dǎo)線上任何一點(diǎn)的電壓或電流，等于通過該點(diǎn)的正向行波和反向行波電壓或電流之和；正向行波電壓與正向行波電流之比等于正向波阻抗Zc；反向行波電壓與反向行波電流之比等于反向波阻抗。 但是均勻傳輸線的波阻抗與電路中阻抗的概念不同。因其具有阻抗的量綱，稱為均勻輸電線

25、路的波阻抗，單位為歐姆，其值取決于單位長度線路的電感L。和對地電容c。，波阻抗與線路長度無關(guān)。在真空中，波速為300，000Km/s，對電纜來說，因其單位長度對地電容較大，故電纜中的波速一般約為1/22/3光速。 式（2.4）式中，C為常數(shù)。當(dāng)時(shí)間由，變到時(shí)，電壓值不變，就必須滿足， 再微分可得： 式（2.5）由前可知，正向電壓行波，與正向電流行波，同極性;反向電壓行波。與反向電流行波極性相反。 線路上的正向行波和反向行波，并非在任何時(shí)刻和任何情況下都同時(shí)存在。有時(shí)可能只有正向行波，例如直流電勢合閘于線路，將有一與電源電壓相同方向的正向電壓行波，自電源側(cè)向線路末端運(yùn)動。在正向電壓行波到達(dá)線路末

26、端之前，線路上只有正向行波，沒有反向行波。需要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)線路上某點(diǎn)的正向行波與反向行波同時(shí)存在時(shí)，則該點(diǎn)的電壓與電流之比并不等于波阻抗，即 式（2.6）從電磁場的角度來說明行波在無損線路上的運(yùn)動。當(dāng)行波在無損導(dǎo)線上傳播時(shí)，在行波到達(dá)處的導(dǎo)線周圍空間建立了電場和磁場，電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度向量互相垂直并且完全處于垂直于導(dǎo)線軸的平面內(nèi)，成為平面電磁場。因此，行波沿?zé)o損導(dǎo)線的傳播過程就是平面電磁場的傳播過程。3.2 行波源在電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障的瞬間，故障點(diǎn)的電壓為零。根據(jù)迭加原理，故障點(diǎn)電壓可視為故障前的瞬間電壓穩(wěn)態(tài)和與其反相的同幅值故障暫態(tài)電壓的迭加。因此，故障后的電力系統(tǒng)可以分成兩部分，一部分是

27、正常運(yùn)行的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；另部分是故障附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)。正常運(yùn)行的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)就是故障前正常運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)，故障附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)只在故障后發(fā)生出現(xiàn)，作用在該網(wǎng)絡(luò)中的電源就是與故障前該點(diǎn)電壓數(shù)值相等但方向相反的等效電壓源(設(shè)為E(t)。該電源稱為行波源，在該電源的作用下，故障附加網(wǎng)絡(luò)將只包含故障分量的電壓和電流。因此分析故障后系統(tǒng)的暫態(tài)行波，就是分析故障后電力系統(tǒng)的故障附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的行波。第四章 行波的發(fā)射和折射4.1反射波和折射波產(chǎn)生的原因 輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障產(chǎn)生的電壓和電流行波在故障點(diǎn)及母線之間來回反射，大多還將發(fā)生折射。輸電線上各點(diǎn)電流電壓波形是反射和折射疊加的結(jié)果。 如架空輸電線路為無限長均勻輸電線，

28、電壓行波u和電流行波i之間的關(guān)系由波阻抗Z決定。此時(shí)，電磁波在傳播過程中向周圍介質(zhì)散發(fā)功率，對波源的電源而言，無限長均勻輸電線可以用一等值電阻R=Z來表示。若將輸電線路看作是一個(gè)均勻的分布參數(shù)元件，行波在沿線路傳播時(shí)，所遇到的波阻抗是不變的。但是當(dāng)行波傳播到線路與其它電力設(shè)備的連接點(diǎn)時(shí)，電路參數(shù)會發(fā)生突變，波阻抗也隨之發(fā)生突變，電壓和電流行波在線路上建立起來的傳播關(guān)系也就被破壞。這時(shí)會有一部分行波返回到原輸電線路上，另一部分則通過連接點(diǎn)傳至其它電路環(huán)節(jié)中，這種現(xiàn)象稱為行波的反射和折射現(xiàn)象。由線路傳向連接點(diǎn)的行波稱為入射波，由連接點(diǎn)返回到原線路上的行波稱為反射波，而傳播到其它電路設(shè)備上的行波稱為

29、折射波。并且這些行波在連接點(diǎn)處都滿足基爾霍夫定律。4.2反射波和折射波的計(jì)算輸電線路上的行波沿線傳播時(shí)，若通過具有不同波阻抗的兩條線路連接點(diǎn)時(shí)，即遇到線路參數(shù)或波阻抗不連續(xù)時(shí)，必然發(fā)生電壓與電流的變化，即發(fā)生行波的反射和折射現(xiàn)象，如圖 (2.2)所示。 r z 1 2 f 圖2.2行波的反射和折射現(xiàn)象 當(dāng)電壓正向行波；沿線路1傳播時(shí)，為了保持單位長度導(dǎo)線的電場和磁場能相等的規(guī)律，在線路1和線路2參數(shù)不相等的情況下，必然發(fā)生電壓與電流的變化，即發(fā)生行波的反射和折射現(xiàn)象。如圖(2.2)所示，電壓波沿輸電線1入射，在到達(dá)點(diǎn)F之前，輸電線上只存在正向前行電壓波;和與之相對應(yīng)的電流波前行波，在到達(dá)點(diǎn)F后

30、發(fā)生反射和折射，產(chǎn)生了沿輸電線1反行的電壓波、電流波以及沿輸電線2前行的電壓波和電流波。由于點(diǎn)F處電壓和電流的連續(xù)性，且滿足基爾霍夫電壓電流定律。則可列以下表達(dá)式： 式（2.7）在由電壓波和對應(yīng)的電流波之間的關(guān)系可列以下表達(dá)式： 式（2.8） 由式（2.7）和式（2.8）可得F點(diǎn)出折射電壓和電流和反射電壓和電流與入射電壓和電流之間的關(guān)系，其如以下表達(dá)式所示： 式（2.9） 式（2.10） 式（2.11） 式（2.12）式中， 稱為電壓反射系數(shù)； 稱為電流反射系數(shù)； 稱為電壓折射系數(shù)； 稱為電流折射系數(shù)。 根據(jù)彼德遜法則，還可求出具有波阻抗的線路和一個(gè)集中等值電路相連時(shí)，接點(diǎn)處的電壓和電流。此時(shí)

31、，反射和透射系數(shù)可用LAPLACE函數(shù)表示為如下形式(以電壓行波為例)： 式（2.13） 式（2.14） 式中，為不連續(xù)點(diǎn)，除線路1之外所以元件的等值阻抗。4.3行波反射和折射的特點(diǎn) 通過對反射波與折射波計(jì)算公式的推導(dǎo)，可總結(jié)出反射波與折射波由以下幾個(gè)特點(diǎn)： （1）當(dāng)無限長均勻輸電線路末端短路(即)時(shí)18，按上式計(jì)算可得： 由此可得入射電壓波在短路點(diǎn)發(fā)生了負(fù)的全反射，反射電流與入射電流相等但從而使線路末端折射電壓降為0，折射電流上升為入射電流的2倍。結(jié)合波過程的物理概念可知，此時(shí)線路末端的電場能量全部轉(zhuǎn)化為磁場能量。（2）當(dāng)無限長均勻輸電線路末端開路(即)時(shí)，同樣根據(jù)上式分別計(jì)算可得： 由此可

32、得入射電壓波在線路末端發(fā)生了正的全反射，使得入射電壓等于反射電壓，同時(shí)電流波發(fā)生了負(fù)的全反射，即入射電流等于負(fù)的反射電流。但從而使得線路末端的折射電壓上升為入射電壓的2倍，電流降為0，此時(shí)線路末端磁場能量全部轉(zhuǎn)化為電場能量。 （3）由上述兩點(diǎn)分析可知，當(dāng)入射波通過電感(如限制短路電流的電抗線圈或載波通訊使用的高頻扼流線圈等)或通過電容(如載波通訊使用的藕合電容器等)時(shí)，電感和電容均會使折射波的波頭降低(我看可以從物理的角度上解釋其原因?yàn)椋寒?dāng)入射波經(jīng)過電感的第一個(gè)瞬間，電感中的電流不能突變，相當(dāng)于開路，即此時(shí)電流波發(fā)生了負(fù)的全反射。此時(shí)，折射電流波、電壓波均為零，隨后緩慢上升;同理，入射波經(jīng)過電

33、容的第一個(gè)瞬間，由于電容上的電壓不能突變，相當(dāng)于短路，即，電壓波發(fā)生了負(fù)的全反射。此時(shí)，折射電流波和電壓波也均為零，隨后緩慢上升，從而使折射波的波頭降低。 （4）對于雙電源的輸電線路，線路中間某一點(diǎn)F發(fā)生接地故障時(shí)，由上述分析可知，故障點(diǎn)將同時(shí)產(chǎn)生向線路兩端傳播的同極性的電壓反射波，此反射波的極性與故障前點(diǎn)F的電壓極性相反。而從能量轉(zhuǎn)換的角度看，故障點(diǎn)出現(xiàn)了電場能量向磁場能量的轉(zhuǎn)化，從而使故障處的電流上升，并逐步向線路兩端發(fā)展。通常情況下，由于故障點(diǎn)存在過渡電阻，由上述的分析可知，在線路的兩個(gè)端點(diǎn)測量得到的電流或電壓隨時(shí)間變化的波形中包含了復(fù)雜的波的折射和反射過程。4.3.1 波的衰弱和變形圖

34、2.3均勻有損輸電線分布參數(shù)等效電路 如前所述，前面己討論過無損輸電線的波動過程的規(guī)律2。但是由于實(shí)際輸電線路并非均勻無損傳輸線，因此當(dāng)行波沿著實(shí)際線路傳播時(shí)會由于輸電線電阻、大地電阻、輸電線對地電導(dǎo)，以及電暈等損耗而發(fā)生衰減和變形。由前述的行波的物理概念可知，波在波阻抗均勻的無損輸電線路中傳播時(shí)，電壓波和電流波之間的關(guān)系由波阻抗決定，輸電線路上單位長度介質(zhì)空間獲得的電場能量和磁場能量相等，而波在經(jīng)過兩種不同的波阻抗介質(zhì)交界處時(shí)，由于發(fā)生了磁場能量和電場能量的相互轉(zhuǎn)化而形成了波的折射和反射。下面從能量轉(zhuǎn)化的角度來分析電壓波和電流波的衰減規(guī)律。如圖(2.3)所示。假設(shè)幅值為U的電壓波沿均勻有損輸

35、電線傳播時(shí)，由物理知識可知單位長度輸電線周圍空間電場能量為，輸電線在單位長度對地電導(dǎo)上消耗的電能為，于是，由于電場能量的損耗而引起的電壓波衰減規(guī)律以如下式所示的指數(shù)衰減變化： 式（2.15）式中：x為波的傳播距離； g為單位長度對地電導(dǎo)； c為單位長度輸電線周圍空間電場； v為波速。同理，幅值為的電流波沿均勻有損輸電線路傳播時(shí)，單位長度輸電線路周圍空間的磁場能量為，輸電線路在單位長度電阻上消耗的電能為。于是，由于電磁能量的損耗而引起的電流波衰減規(guī)律如下所示： 式（2.16） 由上面分析可知，由于電壓波和電流波總是相伴傳播的，在二者初始到達(dá)輸電線的某一點(diǎn)時(shí)，空間的電場能量與磁場能量相等。此后，電

36、導(dǎo)和電阻對電場能量和磁場能量的消耗，空間電場能量密度將大于磁場能量密度。因此，行波在有損輸電線的傳播過程中將不斷發(fā)生電場能量向磁場能量的轉(zhuǎn)化。即電壓波在前進(jìn)的過程中不斷發(fā)生負(fù)反射，而電流波在前進(jìn)的過程中不斷的發(fā)生正反射，從而使波前電壓不斷降低而波前電流則不斷增大，以維持電磁波在前進(jìn)方向上首端電壓波和電流波的比例為波阻抗的關(guān)系式。因此，電壓波和電流波在實(shí)際的傳播過程中由于衰減，使波頭逐漸削平。第五章 現(xiàn)代行波測距方法5.1單端A型測距方法 A型現(xiàn)代行波測距原理為單端原理10,11。根據(jù)所檢測反射波性質(zhì)的不同，可以將A型現(xiàn)代行波測距原理分為三種運(yùn)行模式，即標(biāo)準(zhǔn)模式、擴(kuò)展模式和綜合模式。結(jié)果表明，其

37、誤差一般不超過500m。5.1.1 標(biāo)準(zhǔn)模式 當(dāng)被監(jiān)測的線路發(fā)生故障時(shí)，故障產(chǎn)生的電流行波會在故障點(diǎn)及母線之間來回反射。裝設(shè)于母線處的測距裝置接入來自電流互感器二次側(cè)的暫態(tài)行波信號，使用模擬或數(shù)字高通濾波器濾出行波波頭脈沖，形成如圖 (2.4)所示的電流行波波形。其原理是利用線路故障時(shí)在測量端感受到的第1個(gè)正向行波浪涌與其在故障點(diǎn)反射波之間的時(shí)延計(jì)算測量點(diǎn)到故障點(diǎn)之間的距離。由于母線阻抗與線路波阻抗不一樣，電流行波在母線與故障點(diǎn)都是產(chǎn)生正反射，故故障點(diǎn)反射與故障初始行波同極性，而故障初始行波脈沖與故障點(diǎn)反射回來的行波脈沖之間的時(shí)間差對應(yīng)行波在母線與故障點(diǎn)之間往返一趟的時(shí)間，可以用來計(jì)算故障距離

38、。 設(shè)故障初始行波與由故障點(diǎn)反射波到達(dá)母線的時(shí)間分別為，和，行波波速(接近為光速，具體取決與線路分布參數(shù))則故障距離如下式所示： 式（2.17）S F R 初始波行 故障點(diǎn)反射波 t Ts1 Ts2 Ts3圖2.4A型測距原理示意圖為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模式下的A型現(xiàn)代行波故障測距原理，在測量端必須能夠準(zhǔn)確、可靠地檢測到故障引起的第1個(gè)正向行波浪涌在故障點(diǎn)的反射波。5.1.2擴(kuò)展模式當(dāng)故障點(diǎn)對暫態(tài)行波的反射系數(shù)較小時(shí)，在測量端可能檢測不到本端第1個(gè)正向行波浪涌在故障點(diǎn)的反射波，從而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)模式下的A型現(xiàn)代行波故障測距原理失效。但在這種情況下，擴(kuò)展模式下的A型現(xiàn)代行波故障測距原理卻能很好地發(fā)揮作用。 擴(kuò)展

39、模式下的A型現(xiàn)代行波故障測距原理，是利用線路故障時(shí)在測量端感受到的第1個(gè)反向行波浪涌，與經(jīng)過故障點(diǎn)折射過來的故障初始行波浪涌在對端母線反射波之間的時(shí)延，來計(jì)算對端母線到故障點(diǎn)之間的距離。 若當(dāng)故障點(diǎn)在線路中點(diǎn)以內(nèi)時(shí)，由于來自故障線路方向的第二同極性行波波頭是故障點(diǎn)反射波，根據(jù)它與故障初始行波的時(shí)間差，利用式 (2.17)來測距。當(dāng)故障點(diǎn)在線路中點(diǎn)以外時(shí)，來自線路方向的第二個(gè)行波波頭是來自故障線路對端的反射波，由于觀察到的對端反射波與故障初始行波反極性，故時(shí)間差對應(yīng)行波在故障點(diǎn)與對端母線間往返一趟的時(shí)間，因此，計(jì)算出故障點(diǎn)距對端的距離如下式所示： 式（2.18） S F R 對端反射波 Ts1

40、故障點(diǎn)反射波 圖2.5故障點(diǎn)存在透射時(shí)A型測距原理示意 為了實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展模式下的A型現(xiàn)代行波故障測距原理，在測量端必須能夠準(zhǔn)確、可靠地檢測到經(jīng)故障點(diǎn)透射過來的故障初始行波浪涌在對端母線的反射波。5.1.3綜合模式綜合模式下的A型現(xiàn)代行波故障測距原理是利用線路故障時(shí)，在測量端感受到的第1個(gè)正向行波浪涌，與第2個(gè)反向行波浪涌之間的時(shí)延來計(jì)算本端測量點(diǎn)或?qū)Χ四妇€到故障點(diǎn)之間的距離的。分析表明，無論母線接線方式如何，故障初始行波浪涌到達(dá)母線時(shí)都能夠產(chǎn)生幅度較為明顯的反射波。可見，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，測量端感受到第1個(gè)正向行波浪涌和第1個(gè)反向行波浪涌的時(shí)間是相同的。測量端感受到的第2個(gè)反向行波浪涌，既可以是第

41、1個(gè)正向行波浪涌在故障點(diǎn)的反射波(當(dāng)故障點(diǎn)位于線路中點(diǎn)以內(nèi)時(shí))，也可以是經(jīng)過故障點(diǎn)透射過來的故障初始行波浪涌在對端母線的反射波(當(dāng)故障點(diǎn)位于線路中點(diǎn)以外時(shí))，還可以是二者的疊加(當(dāng)故障點(diǎn)正好位于線路中點(diǎn)時(shí))。對于高阻故障(故障點(diǎn)反射波較弱)，即便故障點(diǎn)位于線路中點(diǎn)以內(nèi)，在測量點(diǎn)感受到的第2個(gè)反向行波浪涌也有可能對端母線反射波對于故障點(diǎn)電弧過早熄滅的故障(故障點(diǎn)不存在反射波)，無論故障點(diǎn)位置如何，在測量點(diǎn)感受到的第2個(gè)反向行波浪涌均為對端母線反射波。 因此，當(dāng)線路故障時(shí)，如果在測量端能夠正確識別所感受到的第2個(gè)反向行波浪涌的性質(zhì)，即可實(shí)現(xiàn)單端行波故障測距。具體說來，當(dāng)?shù)?個(gè)反向行波浪涌為本端第1

42、個(gè)正向行波浪涌在故障點(diǎn)的反射波時(shí)，二者之間的時(shí)間延遲對應(yīng)于本端測量點(diǎn)到故障點(diǎn)之間的距離;當(dāng)?shù)?個(gè)反向行波浪涌為對端母線反射波時(shí)，它與本端測量點(diǎn)第1個(gè)正向行波浪涌之間的時(shí)延，便對應(yīng)于對端母線到故障點(diǎn)之間的距離。 可見，為了實(shí)現(xiàn)綜合模式下的A型現(xiàn)代行波故障測距，在測量端必須能夠準(zhǔn)確和可靠地檢測到故障引起的第2個(gè)反向行波浪涌，并且識別其性質(zhì)。5.2雙端D型測距方法 D型現(xiàn)代行波故障測距原理為利用故障暫態(tài)行波的雙端測距原理12，它利用線路內(nèi)部故障產(chǎn)生的初始行波浪涌到達(dá)線路兩端測量點(diǎn)時(shí)的絕對時(shí)間之差，來計(jì)算故障點(diǎn)到兩端測量點(diǎn)之間的距離。 設(shè)線路長度為L，行波波速為，故障產(chǎn)生的初始行波波頭到兩測母線的時(shí)間分別為和，如圖 (2.6)所示。裝于線路兩端測距裝置記錄下故障行波波頭到達(dá)兩端母線的時(shí)間，則故障點(diǎn)到母線S及R的距離、分別如下式所示： 式（2.19） 式（2.20） 圖2.6雙端D型測距原理示意圖 從上式可以看出D型現(xiàn)代行波故障測距原理是利用線路長度、波速度和故障初始行波浪涌，到達(dá)故障線路兩端母線時(shí)的絕對時(shí)間之差值計(jì)算故障距離。不需要考慮后續(xù)的反射與折射行波，原理簡單，測距結(jié)果可靠。但是運(yùn)用這種方法，需要在線路兩端裝設(shè)數(shù)據(jù)采集及時(shí)間同步裝置(GP