电子式互感器在行波测距中的研究

武建卫，张海红（南京机电职业技术学院自动化工程系，南京江苏211135）

电子式互感器在行波测距中的研究

武建卫，张海红
（南京机电职业技术学院自动化工程系，南京江苏211135）

基于罗氏线圈的电子式电流互感器在智能电网中已经得到了广泛的应用。提出了基于罗氏线圈微分输出的行波波头识别新方法。实现行波测距的关键在于精确提取行波浪涌的突变点，而罗氏线圈可以直接给出一次信号的微分信号；因此，直接利用其输出的微分行波信号进行判断，提高行波信号的识别能力。构建了仿真电路并进行了验证，表明罗氏线圈输出的微分信号在突变点的变化较一次电流行波更为明显，对双端和单端行波故障测距法的仿真结果表明测距结果准确。

电子式互感器；罗氏线圈；行波

电力线路肩负着电能传输的重任，是电力系统的命脉，但也是最易发生故障的环节。随着电压等级的提高，在电力线路传输过程中不可避免地要穿越丘陵、山川、沙漠等地带，在雷雨、风雪能恶劣天气中会有故障发生，而在这种情况下单依靠人工排故是非常困难的。这就需要专门的、能够快速、准确地找到故障点的故障测距技术。

早在20世纪50年代，就提出通过测量电压、电流行波在故障点及母线之间的传播时间，来测量输电线路故障距离。但是，受当时技术条件限制，早期研制的行波测距装置没有得到大面积的推广应用[1]。而现在随着计算机技术、微电子技术、现代通信技术和现代数字信号处理技术等的快速发展，电力线路行波故障测距技术早已经成熟，实际测距误差小于500 m，双端法时可以做到小于300 m。本文介绍了一种较新颖的基于电子式互感器的行波测距技术。

1　D型双端测距原理

D型双端测距原理是利用发生故障时产生的初始行波浪涌到达线路2端母线时的绝对时间差来计算故障点距离2端母线距离的。

如图1所示，为某一单相系统的测距原理图。当线路S与R之间的某一点F发生故障时，故障点由于电压突变而产生的初始行波浪涌将以接近光速的的速度由故障点向两端母线传播。

图1　双端D型行波测距原理图Fig.1Schematic of double-ended type D traveling waves fault location

假定行波从母线到故障点的传播方向为正方向，故障初始行波浪涌（以电流行波为例）到达S端和R端测量点时形成各端初始行波浪涌的时刻分别为TS和TR，则故障距离可以表示为：

式中：XS和XR分别为S端和R端到故障点的距离；L为线路S与R之间的长度；v为波速度。

在线路2端装设行波采集系统，从而准确确定故障初始行波浪涌到达线路两端测量点的时间。该采集系统必须配备具有高稳定性、高准确定性的同步时钟，以保证2端系统的平均时钟误差不超过1 μs。

2　电子式互感器

电子式电流互感器分为电子式电学电流互感器和电子式光学电流互感器。其中电子式光学电流互感器基于法拉第电磁原理，以光纤线圈为主，目前的应用范围尚不广泛。下面研究基于罗氏线圈的电子式电学电流互感器的特点。

2.1罗氏线圈的传变机理

罗氏线圈是由漆包线均匀绕制在非铁磁材料骨架上制成的空芯线圈，一次导体垂直穿过骨架的中心，如图2所示。其传导率和空气的相同，互感和自感会很小。在忽略线圈自感、线圈电阻和分布电容时，罗氏线圈的输出电压US等于感应电压，为

图2　罗氏线圈原理图Fig.2Schematic of Rogowski coil

式中：M为母线和线圈之间的互感，为圆形罗氏线圈互感系数；I1为通过载流导体的电流；U为感应电动势。所以有：

可见，母线电流是线圈感应电压的定积分。

2.2罗氏线圈的工作状态

罗氏线圈的集中参数模型如图3所示。为方便分析，图中各电压电流符号均采用向量符号表示。图3中线圈的电感和电阻的计算公式为

式中：M为互感线圈；N为匝数；SW为绕线的截面积。

图3中RS为采样电阻，它决定了罗氏线圈工作状态。罗氏线圈有“微分”和“自积分”2种工作状态，在微分工作状态时，罗氏线圈的输出为一次电流的微分值，自积分工作状态下则输出一次电流的微分或比例信号[2-3]。

图3　集中参数模型Fig.3A lumped parameter model

罗氏线圈的“微分”工作状态通过向量图进行解释，如图4所示。RS采样电阻和电容C0组成并联电路，有处于微分工作状态时，RS取值一般较大，为数kΩ，频率在MHz以下时电容C0支路仍可近似为开路，此时电流主要流经RS的实部分量较大，与的夹角α近似为90°，如图4所示。加之绕线的R0、

L0值均较小，因此和的夹角不大，而与一次电流相差90°，所以与也相差90°，此时罗氏线圈输出与输入之间是微分关系[4]。

图4　微分工作状态Fig.4Differential working state

3　微分行波测距

3.1微分行波的特点

线路发生故障时产生的故障行波浪涌可近似为一直角波，上升非常迅速，下降平缓[4]。因此，故障电流行波可以用一个双指数公式表示为：

式中：τ1为下降时间常数；τ2为上升时间常数，对式（7）求导后可得电流行波的微分表达式为：

由2.2节分析可知，罗氏线圈的输出为输入电流的微分信号，因此式（8）可以用来表示罗氏线圈输出的行波微分信号。图5为行波与微分行波的对比图。

图5　行波与微分行波对比图Fig.5Comparison chart of traveling waves and differential wave

直接利用罗氏线圈输出的微分行波信号实现故障测距，不但可以省略积分环节，避免因积分环节带宽有限导致行波信号截波，而且直接利用微分行波信号可以在测距装置算法中，省去了原有的微分算法。

3.2仿真与分析

利用PSCAD软件以及小信号的电子式互感器构建一个220 kV的输电线路模型，如图6所示，配备双端行波故障测距功能，线路设计全长350 km。

图6　输电线路仿真模型Fig.6Simulation model of transmission line

结合第1节介绍的双端行波测距法，直接利用罗氏线圈输出微分行波信号来实现故障定进行仿真分析。

设置不同的故障位置、时间、类型和接地电阻时，所测得的初始微分行波到达两端的测量结果和误差如表1所示。测距中的故障距离都是针对M端而言的。

表1　双端故障测距Tab.1Ranging of double-ended fault location

因试验条件有限，试验过程中只考虑接地故障，通过调节设置故障点距离检测模拟测距的效果，通过表1中数据简单分析，采用罗氏线圈微分信号进行行波测距，故障点的距离长短对测距系统的精度影响很小，其性能远优于传统测距方案。

4　总结

本文针对罗氏线圈输出与输入为微分关系的特点，提出了直接利用微分信号实现行波故障测距的方法，构建了仿真电路并进行了验证，表明罗氏线圈输出的微分信号在突变点的变化较一次电流行波更为明显，对双端和单端行波故障测距法的仿真结果表明测距结果准确。

[1]葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术[M].西安:西安交通大学出版社，1996.

[2]王珏，张适昌，严萍，等．用自积分式罗氏线圈测量纳秒级高压脉冲电流[J]．强激光与粒子束，2004，16（3）：399-402．WANG Jue，ZHANG Shichang，YAN Ping.Self-integrating rogowski coil for nanosecond current measurement[J]．High Power Laser and Particle Beams，2004，16（3）：399-402（in Chinese）

[3]马丹丹，王晓茹.基于小波模极大值的单端行波故障测距[J].电力系统保护与控制，2009，37（3）:55-59. MA Dandan，WANG Xiaoru.Single terminal methods of traveling wave fault location based on wavelet modulus maxima[J].Power System Protection and Control，2009，37（3）:55-59（in Chinese）.

[4]尹晓光，宋琳琳，尤志，等.与波速无关的输电线路双端行波故障测距研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（1）:35-39. YIN Xiaoguang，SONG Linlin，YOU Zhi，et al.Study of fault location for transmission line double terminal traveling waves unrelated to wave speed[J].Power System Protection and Control，2011，39（1）:35-39（in Chinese）.

[5]全玉生，杨敏中，王晓蓉，等．高压架空输电线路的故障测距方法[J]．电网技术，2000，24（4）：27-33．QUAN Yusheng，YANG Minzhong，WANG Xiaorong，et al．A fault location method for overhead high voltage power transmission lines[J]．Power System Technology，2000，24（4）：27-33（in Chinese）．

[6]赵兵，刘春明.基于DSP与GPRS的电能质量监测系统[J].电网与清洁能源，2009，25（2）:13-16. ZHAO Bing，LIU Chunming.Power quality monitoring system based on DSP&GPRS[J].Power System and Clean Energy，2009，25（2）:13-16（in Chinese）.

[7]向珉江.基于罗氏线圈的行波传变特性与应用技术研究[D].山东：山东大学，2013.

（编辑董小兵）

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。

武建卫（1980—），女，硕士研究生，讲师，研究方向为仪器仪表的研究与智能控制技术；

张海红（1971—），女，硕士，讲师，工程师，主要研究方向是智能控制、PLC。