行波距离保护原理及方向选择要点

1.基本原理

测距式行波距离保护以行波理论为基础，图57给出了被保护线路mn，设保护安装在m侧，p点发生故障产生的行波过程。

图57　单相输电线路故障行波图

从图（57）可以看出，有故障点产生的电压（电流）行波以波速v分别向线路两端传播，设第一次到达m、n母线的电压行波为u1mf、u1nf，到达时间为t1m、t1n，行波到达母线后的反射波u1mr、u1nr到达故障点，再反射回母线，设行波第二次到达m、n母线的时间为t2m、t2n，则线路故障点到m、n的测量距离为

式中　Dmp——m点到p点的测量距离；

　　　tmp——m点到p点的行波传输时间。

式中　Dnp——n点到P点的测量距离；

　　　tnp——m点和n点到p点的行波传输时间。

设mn线路长度为L，若Dmp≤L，则为区内故障，反之，则为区外故障，Dnp类似。

2.测距式行波距离保护的动作特性分析

在图57中，设故障点附加的故障电压为up，则t1m时刻m点测得的反向行波（设故障发生在零时刻）为

设母线的反射系数为km，故障点处的反射系数为kpm，则t2m时刻m侧接收的行波u2mf为

n侧类似。由于行波传输受对端母线、背侧相邻母线的影响，因而行波测距式距离保护在正方向区内、区外及反方向故障时的动作情况不尽相同。对于区内故障，当，从图56可以看出，由于对侧母线反射波先于故障点二次反射波到达m侧，所以保护测距会小于实际距离，但保护能正确动作；当时，很显然，保护能正确动作；当时，由于对侧母线反射的行波与故障点二次反射行波同时到达m侧，如果两者极性相反，造成两者抵消致使行波信号减弱，那么保护很可能动作失效。

对于正方向区外故障，如图58所示，设k点发生故障，原始波头在m点折射后进入om线路，经母线o和母线m两次反射，如果mk的长度大于om的长度，保护1测量到的故障距离为om线路的长度，可以认为是区外故障，保护不动作。但如果mk的长度小于om的长度，那么原始波头经母线m和故障点k两次反射再经母线m折射进入线路om，将先于经母线o和母线m两次反射的行波到达母线o，致使保护测量距离小于om长度，保护可能误动。对于反方向区外故障也有类似的现象。

图58　系统网络连接示意图

为了保证测距式行波距离保护的正确动作，应采用方向行波距离保护。在三相输电系统中，考虑到各相之间的耦合，所以每相上的行波分量并不独立，需要首先对行波分量进行相模变换，将不独立的三相相分量转换为独立的模分量，然后再利用模量行波实现测距式距离保护。正向模量行波的表达式如下

式中　V0＋、Vα＋、Vβ＋——正向模量方向行波；(www.xing528.com)

u0、uα、uβ——模量行波电压；

i0、iα、iβ——模量行波电流；

z0、zα、zβ——各模波阻抗。

同理，三相输电线路反向模量行波的表达式为

式中各符号表示含义与式（551）类似。

另外，为了避免零模分量的影响，行波保护宜采用线模分量。

除此之外，还需要解决下述问题：

（1）消除对端和相邻母线的影响，找出与初始波头对应的故障点二次反射波头，保证测距结果的正确性。

（2）正确区分区内、区外故障，特别是正方向区外故障。

3.行波测距式距离保护方案

根据上面的分析可知，最终的测距结果Dmp（或Dnp）是实现行波测距式距离保护的关键所在，其可以通过图59所示的故障测量元件实现。该元件的核心是w 1和w2控制的定时器。考虑判据的方向性，将w1定义为输电线路故障后第一个由母线指向被保护线路的正向行波，但这一点还不够，还需要先判断是否已有反向行波到来，然后再以正向行波启动定时器。将w2定义为在w1之后第一个由被保护线路指向母线的反向行波。为了保证保护的方向性，需增设行波方向元件，以确保只在正方向故障时才允许保护动作和测距。

图59　故障测量元件的构成

关于方向行波到达时刻的判定，有文献指出用相关法，由于相关法具有很多局限性，有学者提出应用小波分析法，小波分析法是根据行波信号在小波变换下的模极大值实现故障测距的一种方法。行波作为一种暂态信号，其最大的特点是具有突变性质，在行波每次到达的时刻，行波信号都表现为明显的奇异性。二进小波的平移不变性和奇异性检测理论说明，不同尺度下小波变换的模极大值都与信号的奇异点对应。因此，利用二进小波变换的奇异性检测理论能正确判定w1和w2行波到达的时刻t1和t2，从而实现故障测距，即。

对于故障方向的判定，一种方法是利用正反向行波到达测量点的先后顺序判断，如果正向行波先于反向行波到达检测点，则认为是反方向故障，否则认为是正方向故障；另一种方法是利用初始电压行波和初始电流行波的极性来判断故障的方向，若电压行波和电流行波极性相反，则为正方向故障，否则，判断为反方向故障。

行波距离保护的优点是原理简单，具有保护和故障测距双重功能，测距功能已在现场获得实际应用。但是，它受线路两端母线结构的影响较大；在识别故障点反射波、对端母线反射波和背侧母线透射波上存在困难；对硬件要求高，采样率和运算速度直接决定其保护范围。从理论上讲，距离保护不借助通信手段，但仅利用单端暂态量信息是无法实现全线速动的，只能以牺牲保护范围为代价，可靠地保护一定长度范围的线路。