二次回路阻抗不匹配對線路行波測距有何影響？

輸電線路行波測距方法利用故障行波在輸電線路上的行波傳輸特性進(jìn)行故障測距。行波信號在一次線路的波阻抗不連續(xù)點會發(fā)生折射和反射，這有助于實現(xiàn)單端行波測距。但在行波采集二次回路上，回路的首端、末端都是波阻抗不連續(xù)點，因此行波信號在二次回路上也應(yīng)存在折反射。二次回路上的行波折反射與一次回路上的行波折反射相互疊加，是否會對線路行波測距產(chǎn)生負(fù)面影響？能否消除這個影響？本文對此展開了深入研究，并提出了解決方案。

研究背景

高壓直流輸電線路由于地理跨度大、環(huán)境復(fù)雜，容易發(fā)生故障。行波測距是直流輸電線路故障定位的主要方法；單端行波測距法只需單側(cè)信息，不依賴同步時鐘，是重要的輔助測距方法。直流線路二次回路中傳輸電纜的長度一般可達(dá)到300m~800m（部分交流線路的CT二次回路也可能達(dá)到此長度），其行波傳輸效應(yīng)不可忽略。

相對于二次回路電纜的波阻抗（約60Ω），二次回路首端呈現(xiàn)高阻抗（近似開路），末端呈現(xiàn)低阻抗（近似短路），因此二次回路首、末端均為阻抗不匹配，行波信號由此可能發(fā)生多次折反射。二次回路上的行波折反射與一次回路上的行波折反射相互疊加，對單端行波測距會造成顯著的負(fù)面影響，該問題在近區(qū)故障尤為顯著，需進(jìn)行研究和解決。

論文所解決的問題及意義

論文對直流線路行波采集二次回路的波阻抗不匹配問題進(jìn)行了分析，證明了二次回路阻抗不匹配對行波折反射及單端行波測距的負(fù)面影響，并提出了二次回路阻抗匹配的方法。仿真驗證了阻抗匹配對抑制二次回路行波折反射的效果，并從工程適用角度分析了諧波對匹配電阻的影響。分析表明，提出的并聯(lián)式阻抗匹配方法對此具有良好的工程適用性，有助于提高單端行波測距可靠性。

論文方法及創(chuàng)新點

1）直流線路行波采集二次回路分析

典型的直流輸電線路行波采集回路包含直流場的行波互感器、行波傳輸電纜和行波采集裝置內(nèi)的行波傳感器。直流線路行波采集系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1 直流線路行波采集系統(tǒng)示意圖

圖1中，C為容性設(shè)備的容值，CT1為套接在該容性設(shè)備入地線上的電流行波互感器，CT2為行波采集裝置內(nèi)部的小型行波傳感器。連接CT1和CT2的傳輸電纜是二次回路的主要組成部分，現(xiàn)場的傳輸電纜通常采用多芯控制電纜KVVP2-22，典型長度為400m~500m，最長可達(dá)到800m以上。

直流線路行波采集系統(tǒng)通過采集容性設(shè)備入地電流i實現(xiàn)間接采集一次回路的電壓行波u，兩者滿足微分關(guān)系式。

2）二次回路阻抗不匹配的行波折反射分析

式（1）

式（2）

根據(jù)公式（1）可知，對于二次回路傳輸電纜上的電流行波，當(dāng)?shù)竭_(dá)CT2時，會發(fā)生行波正反射，反射系數(shù)接近1；當(dāng)行波達(dá)到CT1時，會發(fā)生行波負(fù)反射，反射系數(shù)接近-1。因此，由于傳輸線兩端的阻抗不匹配，傳輸電纜上會發(fā)生多次行波反射，直至最后因線路損耗而衰減到零。

3）二次回路阻抗匹配方法

二次回路的折反射行波與一次回路的折反射行波疊加，導(dǎo)致采集到的行波信號不能如實反映一次線路的行波波形。單端行波測距依賴于正確識別第二個一次回路的行波波頭，二次回路的折反射行波很可能導(dǎo)致單端行波測距找到錯誤的波頭，從而給出錯誤的故障測距結(jié)果。

為消除二次回路傳輸電纜上的多次行波折反射問題，需在傳輸電纜端部實現(xiàn)阻抗匹配。由于傳輸線路的波阻抗、CT1和CT2的變比及負(fù)載電阻等參數(shù)調(diào)整范圍很小，因此工程上可行的方法是采用串并聯(lián)匹配電阻的方式實現(xiàn)阻抗匹配。

本文提出在互感器CT1副邊并聯(lián)匹配電阻的阻抗匹配方法，它在二次回路的源頭側(cè)實現(xiàn)了阻抗匹配。對于250次諧波信號，由于其頻率遠(yuǎn)低于行波信號頻率，長度為300m800m傳輸電纜不足以對該頻段的信號引起行波折反射效應(yīng)，因此可以用集中參數(shù)模型分析諧波的傳輸方式，如下圖所示。

圖2 含匹配電阻的二次回路集中參數(shù)模型

圖中，R1是并聯(lián)于CT1副邊的匹配電阻，阻值等與傳輸電纜波阻抗Zc2（約60Ω）。L0、R0和C0分別是傳輸電纜的等值電感、電阻和電容，ZCT2是CT2從原邊看入的等值阻抗，典型值小于1Ω。i1和i2分別是流入傳輸電纜和匹配電阻的諧波電流。

控制電纜KVVP2在現(xiàn)場大量用于電壓、電流工頻及諧波信號的傳輸，它對工頻及諧波信號的影響在工程上可以忽略不計。因此，對于工頻和諧波信號，控制電纜可近似等效為理想導(dǎo)線，匹配電阻R1相當(dāng)于與阻抗值很小的ZCT2并聯(lián)，諧波電流主要流經(jīng)ZCT2，匹配電阻分擔(dān)的諧波電流占比非常小，因此可以有效避免諧波電流引起的發(fā)熱。

4）二次回路阻抗匹配效果仿真驗證

為驗證直流線路行波采集二次回路波阻抗匹配的效果，按圖1所示的系統(tǒng)，建立含直流一次回路和二次回路的電磁暫態(tài)仿真模型。在電流互感器CT1副邊配置并聯(lián)的電阻R1，對比不同情況下的行波采集波形，從而分析匹配電阻對行波采集的效果。在仿真模型中設(shè)置不同的直流線路故障點，采集二次回路末端的行波波形，進(jìn)行對比分析。

直流線路10km處發(fā)生單相接地時，傳統(tǒng)的二次回路及增加了匹配電阻的對比波形如圖3所示。

圖3 故障距離為10km時的波形對比

從上圖可以看出，無匹配電阻時，二次回路存在明顯的行波折反射，該折反射雖然未與一次線路上的故障點反射波頭混疊，但也可能導(dǎo)致行波測距裝置將二次回路的折反射波頭誤判為第二波頭。增加匹配電阻后，二次回路的行波折反射現(xiàn)象完全消失，得到的行波波形可以清晰反映一次回路的行波折反射過程。

為測試故障點更近的情況，在直流線路2km處設(shè)置單相接地，傳統(tǒng)的二次回路及增加了匹配電阻的對比波形如圖4所示。

圖4 故障距離為2km時的波形對比

從上圖可以看出，對于近區(qū)故障，無匹配電阻時，二次回路與一次回路的行波折反射已高度重疊，從混疊后的波形無法識別一次回路的第二波頭。增加匹配電阻后，可以得到真實的一次回路行波折反射波形，可實現(xiàn)單端行波測距。

以上仿真表明，二次回路上的行波折反射波形會與一次回路的行波折反射波形疊加，從而對單端行波測距造成負(fù)面影響，特別是會導(dǎo)致近端故障的單端測距失效。

考慮到實際工程應(yīng)用中難以保證CT1副邊并聯(lián)的匹配電阻的阻值嚴(yán)格等于傳輸線路的波阻抗，因此有必要分析匹配電阻阻值偏差對阻抗匹配效果的影響。圖5給出了不同的匹配電阻情況下的二次回路末端記錄的行波波形，故障點設(shè)置于線路20km處。

圖5 故障距離為20km時的不同匹配電阻波形對比

從上圖可以看出，當(dāng)匹配電阻為60Ω時（與傳輸電纜波阻抗一致），阻抗匹配效果最好。當(dāng)電阻存在20Ω偏差時（對應(yīng)40Ω和80Ω），也取得了較好的行波折反射抑制效果。當(dāng)電阻達(dá)到300Ω時，并聯(lián)電阻對二次回路行波折反射的抑制效果較差。通過以上對比可以看出，采用阻值接近傳輸電纜波阻抗的并聯(lián)匹配電阻可以有效抑制二次回路的行波折反射，且可以容忍約30%的電阻誤差，因此具有很強的工程實用性。

此外，論文對諧波在并聯(lián)電阻上的分流情況進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：50次以內(nèi)的諧波在匹配電阻的分流比最高僅9.5%，無需擔(dān)心電阻的發(fā)熱問題；對于高頻的故障行波信號，電阻分流比約為50%，它正好可以與傳輸電纜末端的電流行波2倍放大的效應(yīng)相抵消，因此行波采集回路可采集到幅值更為準(zhǔn)確的行波電流。

結(jié)論

直流線路行波采集二次回路的傳輸電纜較長，對行波傳輸?shù)挠绊懖豢珊雎?。本文對直流線路二次回路的阻抗不匹配問題和行波折反射問題進(jìn)行了理論分析和仿真驗證，得出了以下結(jié)論：

（1）直流線路行波采集二次回路傳輸電纜首、尾端的電流互感器可分別等效為高阻抗和低阻抗，與傳輸線波阻抗相差甚遠(yuǎn)，因此電纜兩端存在顯著的阻抗不匹配現(xiàn)象。

（2）直流線路的故障行波進(jìn)入二次回路后，由于傳輸電纜兩端波阻抗不匹配會產(chǎn)生多次行波折反射，從而可能導(dǎo)致行波測距裝置誤判第二行波波頭。二次回路行波折反射對線路近區(qū)故障的行波波形有顯著的混疊效果，可導(dǎo)致單端行波測距失效。

（3）在傳輸電纜首端并聯(lián)阻值接近傳輸電纜波阻抗的電阻可以實現(xiàn)二次回路阻抗匹配，可以有效消除二次回路上的行波折反射現(xiàn)象。并聯(lián)電阻阻值與傳輸電纜波阻抗值偏差不超過30%時，均可取得很好的阻抗匹配效果，可有效抑制行波折反射現(xiàn)象，提高單端行波測距可靠性。

（4）對于諧波電流可能引起匹配電阻發(fā)熱的問題，仿真實驗表明50次以內(nèi)的諧波在并聯(lián)電阻上的電流分流很小，本文提出的并聯(lián)式阻抗匹配方法對此具有良好的工程適用性。