PCB电压行波传感器精确故障定位仿真

文/刘柏罕 贺达江 丁黎明 宋宏彪

1 引言

图1：PCB电压行波传感器高频暂态仿真模型

电网在发生故障、雷击、操作时均会产生暂态行波信号，行波信号会在输电线路中以光速进行传播，在波阻抗不连续的地方会存在折射和反射现象。行波信号因其特殊性，为一种高频信号，其检测的关键是检测行波信号突变波头的时刻。带铁芯的电磁式互感器存在磁饱和以及不能有效传变高频行波信号的特点，使得无法有效检测故障行波信号。这对行波传感器的要求提出了很高的要求，需要能高效传变故障行波信号的传感器。

为解决行波信号精确检测的难题，本文在原有传感器的基础上创新，设计了一种PCB电压行波传感器，测试其传变高频信号的可靠性。对设计的PCB电压行波传感器进行了仿真模型的搭建，并在ATP-EMTP仿真软件中搭建了500kV输电线路模型，模拟输电线路发生不同故障类型、不同过渡电阻、不同故障初相角情况，验证PCB电压行波传感器在输电线路故障定位的精确性。

2 PCB电压行波传感器仿真模型搭建

PCB电压行波传感器具有良好的高频传变性能。PCB电压行波传感器在传变高频信号时，传感器的分布电容不能忽略，因此可用多个单元的电感、电阻和电容组合来建立传感器的高频暂态模型。

经仿真建模比较，PCB电压行波传感器模型用10个级联的单元表示能符合行波信号的检测要求。如图1所示，为PCB电压行波传感器高频暂态模型。其中R1、R2、L1、L2分别为传感器一、二次线圈单位长度电阻和电感，C1、C2分别为传感器一、二次线圈的匝间等值电容，C10、C20分别为一、二次线圈的对地电容，C12为传感器一、二次线圈绕组间电容。通过参数计算和实验验证，各参数具体取值如下：R1=R2=0.01Ω,L1=200mH,L2=20mH；C1=200pF，C2=20pF；C10=2F，C20=1F；C12=80pF。

3 PCB电压行波传感器的故障定位仿真

为验证PCB电压行波传感器对高频暂态信号的传变特性，现模拟一段输电线路发生故障，对500kV输电网进行ATP-EMTP仿真，在故障处设置一个行波发生器，可有效产生行波信号，将变压器暂态模型嵌入到电网中，其模型可等效为一等效电容替代。PCB电压行波传感器安装在变压器接地线上，架空线路都采用Z参数模型，系统的采样频率为10MHz。

为验证PCB电压行波传感器提取行波信号，利用行波信号进行故障定位，可用输电线路发生单相接地短路时，故障初相角较小为例进行仿真分析。将单条输电线路长度设为100km，电压等级为500kV，设定在距离变电站A端45km处发生金属性单相接地故障，故障初相角为10。，分别在变电站A、B两端接地线上放置PCB电压行波传感器采集装置，提取来自故障点的电压行波信号，如图2所示。仿真模型中采样频率设为2MHz，即采样步长为5×10-7s。利用线路参数整定，计算出行波波速为2.96×108m/s；最后利用波头到达A、B两端PCB电压行波传感器时刻，用行波双端测量原理，准确检测行波信号到达时刻，进行故障定位验证。

PCB电压行波互感器二次侧A端、B端波形分别用红色，蓝色表示，A、B端行波到达PCB电压行波传感器的采样突变点如图3、4所示。

将A、B端故障行波到达时刻进行标定。由图可知A端PCB电压行波传感器记录波头到达时刻为300个点，B端PCB电压行波传感器记录波头到达时刻为367个点，每个采样点时间间隔为5×10-7s，根据双端行波定位公式可求得故障距离A端的距离为45.042km，易求出定位误差为42m。式中l为输电线路长度，x为故障点距离A的位置，行波波头到达线路A端的时刻为tA，行波波头到达线路B端的时刻为tB，v为行波的传播速度。

由双端定位方法可求出故障距离A端的距离为：

原故障点距A为45km，易得出测量误差为42m。

表1：不同短路类型故障定位结果

图2：500kV输电线路故障模型图

图3：A端行波到达时刻图

图4：B端行波到达时刻图

为验证文中方法在输电线路不同故障类型下的定位效果，以距离线路A段45km处分别发生故障单相故障、两相短路、两相短路接地、三相短路四种不同短路类型为例，定位结果如表1所示。

发生故障单相故障为例，在不同过渡电阻下仿真测试，将过渡电阻由金属性接地到高阻接地由小至大分别进行设置，以距离线路A段45km处分别采用不同大小过渡电阻如1Ω、100Ω、500Ω、1000Ω；其次，改变仿真模型参数，分别调整故障初相角为15°、30°、45°、60°；仿真测试结果均在100m内，均能满足故障定位精度要求。

上述仿真模型仿真结果表明:利用PCB电压行波传感器能有效提取电压行波信号，从而进行故障定位。在电力系统输电线路各种仿真情况下，定位误差均小于100m，由此可知利用PCB电压行波传感器提取故障电压行波信号，进行故障定位具有较高的精度，能够满足精确故障定位的要求。

4 结语

本文设计的电压行波传感器模型考虑了分布参数对高频信号的影响，能有效传变高频信号，对PCB电压行波传感器进行输电线路故障定位仿真分析，并模拟不同短路类型、不同过渡电阻、不同故障初相角等故障情况，分别进行故障定位计算。仿真结果表明，PCB电压行波传感器模型的准确性，能保证输电线路精确故障定位的要求。