電纜故障測距中的行波法測距的研究始于本世紀(jì)四十年代初，它是根據(jù)行波傳輸理論實現(xiàn)輸電線路故障測距的。現(xiàn)在行波法已經(jīng)成為研究熱點。
(1)早期行波法
按照故障測距原理可分為 A,B,C 三類:
① A 型故障測距裝置是利用故障點產(chǎn)生的行波到達(dá)母線端后反射到故障點,再由故障點反射后到達(dá)母線端的時間差和行波波速來確定故障點距離的。但此種方法沒有解決對故障點的反射波和對側(cè)母線端反射波在故障點的透射波加以區(qū)分的問題,所以實現(xiàn)起來比較困難。
② B 型故障測距裝置是利用記錄故障點產(chǎn)生的行波到達(dá)線路兩端的時間,然后借助于通訊實現(xiàn)測距的。由于這種測距裝置是利用故障產(chǎn)生后到達(dá)母線端的*次行波的信息,因此不存在區(qū)分故障點的反射波和對側(cè)母線端反射波在故障點的透射波的問題。但是它要求在線路兩端有通訊,而且兩邊時標(biāo)要一致。這就要求利用 GPS 技術(shù)加以實現(xiàn)。
③ C 型故障測距裝置是在故障發(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往返一次的時間進(jìn)行測距。這種測距裝置原理簡單,精度也高,但要附加高頻脈沖信號發(fā)生器等部件,比較昂貴復(fù)雜。另外,測距時故障點反射脈沖往往很難與干擾相區(qū)別,并且要求輸電線路三相均有高頻信號處理和載波通道設(shè)備。
三種測距原理的比較:A 型和 C 型測距原理屬于單端測距,不需要線路兩端通信,因都需要根據(jù)裝置安裝處到故障點的往返時間來定位,故又稱回波定位法;而 B 型測距原理屬于雙端通訊, 需要雙端信息量。A 型測距原理和 B 型測距原理適用于瞬時性和持久性故障,而 C 型測距原理只適用于持久性故障。
(2)現(xiàn)代行波法
從某種意義上講,現(xiàn)代行波法是早期A 型行波法的發(fā)展。60年代中期以來,人們對1926年提出的輸電線路行波傳輸理論行了大量的深入的研究,在相模變換、參數(shù)頻變和暫態(tài)數(shù)值計算等方面作了大量的工作,進(jìn)一步加深了對行波法測距及諸多相關(guān)因素的認(rèn)識。
1)行波相關(guān)法
行波相關(guān)法所依據(jù)的原理是向故障點運動的正向電壓行波與由故障點返回的反向電壓行波之間的波形相似,極性相反,時間延遲△ t 對應(yīng)行波在母線與故障點往返一次所需要的時間。對二者進(jìn)行相關(guān)分析,把正向行波倒極性并延遲 △ t 時間后,相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)極大值。
這種方法也存在對故障點的反射波和對側(cè)母線端反射波在故障點的透射波加以區(qū)分的問題。由于在一些故障情況下存在對側(cè)端過來的透射波,它們會與故障點發(fā)生的反射波發(fā)生重疊,從而給相關(guān)法測距帶來很大困難。

低壓脈沖反射法工作原理
1. 應(yīng)用范圍
低壓脈沖反射法(以下簡稱低壓脈沖法)用于測量電纜的低阻、短路與斷路故障。據(jù)統(tǒng)計這類故障約占電纜故障的10%。低壓脈沖法還可用于測量電纜的長度、電磁波在電纜中的傳播速度，還可用于區(qū)分電纜的中間頭、T型接頭與終端頭等。
2. 工作原理
測試時向電纜注入一低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播到阻抗不匹配點，如短路點、故障點、中間接頭等，脈沖產(chǎn)生反射，回送到測量點被儀器記錄下來（圖3.1）。波形上發(fā)射脈沖與反射脈沖的時間差△t，對應(yīng)脈沖在測量點與阻抗不匹配點往返一次的時間，已知脈沖在電纜中的波速度V，則阻抗不匹配點距離，可由下式計算。L=V•△t?2 (3.1)
圖3.1 低壓脈沖反射原理圖
通過識別反射脈沖的極性，可以判定故障的性質(zhì)。斷路故障反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相同，而短路故障的反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相反。
由3.1式知道，脈沖在電纜中的波速度對于準(zhǔn)確地計算出故障距離很關(guān)鍵。在不清楚電纜的波速度值的情況下，可用如下方法測量。如已知被測電纜的長度，根據(jù)發(fā)送脈沖與電纜終端反射脈沖之間的時間△t，可推算出電纜中的波速度：
V=2•L?△t (3.2)
3. 發(fā)射脈沖的選擇
1) 脈沖的形狀
電纜故障測量儀器使用的電壓脈沖一般有矩形、指數(shù)、鐘形（又叫升余弦）等。由于矩形脈沖形成比較容易，故應(yīng)用的比較多。
2) 脈沖的寬度
脈沖總有一定的時間寬度，假定為τ，則在τ時刻以內(nèi)到來的反射脈沖與發(fā)射脈沖相重迭，無法區(qū)分出來，因此就不能測出故障點距離，出現(xiàn)了盲區(qū)。假設(shè)脈沖發(fā)射寬度是0.5 s，電纜波速度是160m / s，其測量盲區(qū)就是40米，儀器發(fā)送脈沖愈寬，測量盲區(qū)愈大。從減小盲區(qū)的角度看，發(fā)送脈沖寬度窄一些好，但脈沖愈窄，它所包含的高頻成分愈豐富，而線路高頻損耗大，使反射脈沖幅值過小，畸變嚴(yán)重，影響遠(yuǎn)距離故障的測量效果。為解決這一問題，脈沖反射儀器把脈沖寬度分成幾個范圍，根據(jù)測量距離的遠(yuǎn)近來選擇脈沖寬度，測量距離愈遠(yuǎn)，脈沖愈寬。
2)高頻行波法
高頻行波法與其他行波法不同的是,它提取電壓或電流的高頻行波分量,然后進(jìn)行數(shù)字信號處理,再依據(jù) A 型行波法進(jìn)行故障測距。這種方法根據(jù)高頻下母線端的反射特性,成功的區(qū)分了故障點的反射波和對側(cè)母線端反射波在故障點的透射波。
(3)利用行波法測距需要解決的問題
行波法測距的可靠性和精度在理論上不受線路類型、故障電阻及兩側(cè)系統(tǒng)的影響,但在實際中則受到許多工程因素的制約。
1)行波信號的獲取
數(shù)字仿真表明:故障時線路上的一次電壓與電流的行波現(xiàn)象很明顯,包含豐富的故障信息,但需要通過互感器進(jìn)行測量。關(guān)鍵是如何用一種經(jīng)濟(jì)、簡單的方式從互感器二次側(cè)測量到行波信號。一般來說,電壓和電流的互感器的截止頻率要不低于 10khz,才能保證信號不過分失真。用于高壓輸電線路的電容式電壓互感器(CVT)顯然不能滿足要求。利用故障產(chǎn)生的行波的測距裝置,好能做到與其他的線路保護(hù)(如距離保護(hù))共用測量互感器,否則難以應(yīng)用推廣。為了達(dá)到一個桿塔(小于1km)的測距精度,二次側(cè)信號上升沿時間應(yīng)該在幾個微秒之內(nèi)。實驗研究表明,電流互感器(CT)的暫態(tài)響應(yīng)特性能滿足如此高的響應(yīng)速度。
所以,行波測距裝置可以與其它保護(hù)裝置共用電流互感器,因而易于被推廣使用。
2)故障產(chǎn)生的行波信號的不確定性
故障產(chǎn)生的行波信號的不確定性主要表現(xiàn)在三個方面:
①故障的不確定性
故障的不確定性主要表現(xiàn)在故障發(fā)生角和故障類型上。故障發(fā)生的時刻是隨機(jī)的,它與故障原因和線路狀態(tài)等因素有關(guān)。同時,故障發(fā)生的類型也是不同的, 可以是金屬性故障,也可能是經(jīng)過大小不一的過渡電阻的短路故障。
②母線接線方式的不確定性
行波測距理論基于行波的傳播及反射，母線上的接線是不固定的，這就引起行波到達(dá)母線的不確定性。然而行波測距要求在母線側(cè)有足夠強(qiáng)的反射才可能被測到。
③線路及系統(tǒng)其它元件的非線性及依頻特性的影響
由于集膚效應(yīng)的關(guān)系,實際的三相線路存在損耗與參數(shù)隨頻率變化的現(xiàn)象。系統(tǒng)中地模參數(shù)損耗大且頻率依頻特性嚴(yán)重,使暫態(tài)行波信號的分析變得復(fù)雜和難以準(zhǔn)確描述。所以一般使用線模分量進(jìn)行行波測距。
③故障點反射波的識別
故障點反射波的正確識別是能否準(zhǔn)確可靠的進(jìn)行故障測距的關(guān)鍵技術(shù)問題。線路上存在大量特性與故障點的反射波極為相似的干擾。正常運行情況下較大的干擾主要來自斷路器和隔離開關(guān)的操作,任何上述操作都會產(chǎn)生劇烈的電壓變化。在故障發(fā)生后,行波沿輸電線傳播時,也會出現(xiàn)干擾。例如線路的換位點和其它線路的交叉跨越點處都會因波阻抗的變化出現(xiàn)干擾,更增加了識別的難度。故障點反射波識別除了排除線路干擾外,關(guān)鍵還在于區(qū)分出反射波是來自故障點還是線路對端母線。早期行波法測距的終端設(shè)備受當(dāng)時技術(shù)條件的限制,其結(jié)構(gòu)與使用相當(dāng)復(fù)雜,如B型法的同步裝置,C 型法中的高頻和直流脈沖發(fā)生裝置等等,這些終端設(shè)備和操作上的實時自動化要求增加了行波法測距的技術(shù)復(fù)雜性和成本,阻礙了行波法測距的更廣泛應(yīng)用。
④行波信號的記錄與處理
故障產(chǎn)生的暫態(tài)行波信號只持續(xù)很短時間,經(jīng)過多次反射后進(jìn)入穩(wěn)態(tài),為此必須在故障產(chǎn)生后幾毫秒內(nèi)記錄下有用的暫態(tài)行波信號。此外,為保證測距有足夠的精度,為了采集高頻暫態(tài)行波,采樣頻率不能太低,應(yīng)在百千赫茲數(shù)量級。
盡管如此,利用故障行波測距要比實現(xiàn)繼電保護(hù)要容易獲得推廣應(yīng)用的多。使用行波保護(hù)的目的在于獲得很高的動作速度( 小于10ms),一個關(guān)鍵問題是如何區(qū)分故障與其它原因,比如雷擊、系統(tǒng)操作等引起的擾動。而對測距來說不存在這個區(qū)分問題。因為它只要做到系統(tǒng)故障后,準(zhǔn)確的給出故障距離就行了。通過檢查保護(hù)是否動作,可以很容易的知道系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。
總之, 行波法在理論上有許多獨到的優(yōu)點,可以相信,隨著新型行波測距方法研究的深入,這些問題終將被解決,新型行波法有著非常廣闊的應(yīng)用前景。