10 kV 電纜故障指示器整定研究及應(yīng)用

蘇浩益，吳小勇，萬亦農(nóng)

( 國網(wǎng)湖南省電力公司湘潭供電分公司，湖南 湘潭411104)

配電網(wǎng)位于電力系統(tǒng)的最末端，直接與電力用戶相連接，是電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的核心組成部分。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的開展，電力企業(yè)開展了大規(guī)模的配電網(wǎng)改造工程，配電自動(dòng)化作為提高系統(tǒng)供電可靠性和電能質(zhì)量、擴(kuò)大配電網(wǎng)絡(luò)供電能力、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段，為電力工業(yè)帶來了新的機(jī)遇和內(nèi)涵。

湘潭電網(wǎng)現(xiàn)有電纜故障指示器的整定模式是固定的，只有某一個(gè)特定的電流值可選，受電流波動(dòng)、勵(lì)磁涌流、高次諧波、分布電容以及電磁干擾的影響，存在動(dòng)作準(zhǔn)確度不高的問題。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了自適應(yīng)電流整定、固定階梯型整定的故障指示器，即當(dāng)所在線路的負(fù)荷電流增大時(shí)，故障指示器的整定值也隨之變化，借助交流濾波器等硬件裝置，通過校驗(yàn)相角值達(dá)到躲避勵(lì)磁涌流的目的，并通過檢驗(yàn)波形的衰減來消除高次諧波的影響。隨著高級(jí)傳感技術(shù)和信息通信技術(shù)的發(fā)展，以電流值、電壓值突變量以及故障信號(hào)編碼為故障判據(jù)的整定原則也取得較好的效果。對(duì)于某具體的電網(wǎng)，只有應(yīng)用適合電網(wǎng)自身的電纜故障指示器整定原則才能夠最大最好地發(fā)揮出故障指示器的作用。文章結(jié)合湘潭供電分公司10 kV 配電網(wǎng)的特點(diǎn)，制定出相應(yīng)的故障指示器動(dòng)作邏輯和整定值，在此基礎(chǔ)上提出一種新的故障快速查找方法。

1 10 kV 配電網(wǎng)接地系統(tǒng)的特點(diǎn)

湘潭供電分公司10 kV 配電網(wǎng)電纜線路的故障類型主要包括短路故障、接地故障以及斷線故障。對(duì)其特征歸納如下:

1)單相接地故障短路電流在600 ～1 500 A 范圍內(nèi)變化，兩相接地故障短路電流在3 000 ～7 000 A 范圍內(nèi)變化，并且接地故障時(shí)故障相電壓下降一般在50%以上;

2)在重合閘或者正常合閘時(shí)沖擊電流較大，最大可達(dá)1 500 A，沖擊電流的大小取決于合閘時(shí)電源電壓的幅值和相角，線路的波阻抗以及變壓器的勵(lì)磁涌流等。沖擊電流與穩(wěn)態(tài)電流的比值在3～9范圍內(nèi);

3)在重合閘或者正常合閘時(shí)，暫態(tài)電流一般在合閘后1 個(gè)周波后達(dá)到最大值，然后迅速衰減，經(jīng)過5 個(gè)周波后，沖擊電流衰減幅度在40% ～70%，這時(shí)電流最大也在500 A 以下;

4)負(fù)荷隨時(shí)間、季節(jié)的變化而波動(dòng)，電力用戶側(cè)的負(fù)荷類型多樣。

2 故障指示器整定分析

故障指示器主要包括檢測(cè)電路、邏輯分析電路、信號(hào)觸發(fā)電路、通信傳輸電路、電源電路等模塊，通過將檢測(cè)到的上電、斷電、接地、短路等信號(hào)通過無線射頻方式傳送到信號(hào)傳輸終端，最后驅(qū)動(dòng)故障指示器的顯示部分〔1-4〕。

考慮到湘潭電網(wǎng)負(fù)荷的時(shí)變性和多樣性，結(jié)合10 kV 電纜線路整定原則，選取階梯型整定原則以保證故障指示器整定的靈活性和可靠性。同時(shí)考慮一定的整定裕度，設(shè)置動(dòng)作電流整定值為2 倍最大負(fù)荷電流值。當(dāng)負(fù)荷電流在10 ～30 A 之間時(shí)，動(dòng)作電流整定值設(shè)為60 A;當(dāng)負(fù)荷電流在30 ～60 A時(shí)，動(dòng)作電流整定值設(shè)為120 A;以此類推，當(dāng)負(fù)荷電流在350～400 A 時(shí)，動(dòng)作電流整定值設(shè)為800 A。動(dòng)作電流值隨系統(tǒng)負(fù)荷電流的變化而階梯型動(dòng)態(tài)調(diào)整。最后，得出電纜故障指示器整定邏輯圖如圖1 所示。

圖1 整定邏輯圖

3 故障指示器的應(yīng)用

3.1 安裝故障指示器

在安裝電纜故障指示器時(shí)，短路傳感器必須安裝在電纜的單相分支上并進(jìn)行緊固，防止移動(dòng)造成滑落，指示器應(yīng)便于觀察，不能傾斜。指示器傾斜時(shí)動(dòng)作部位轉(zhuǎn)動(dòng)困難，使得指示器不能正確動(dòng)作，或者是當(dāng)故障消除以后，指示器不能夠自動(dòng)復(fù)位，導(dǎo)致誤判斷。在架空電纜線路混合系統(tǒng)，故障指示器應(yīng)安裝在桿塔的電源側(cè)，而不要安裝在桿塔的負(fù)荷側(cè)，以便桿塔上的設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，該指示器也可以準(zhǔn)確指示。安裝接地傳感器時(shí)，應(yīng)將電纜的3根導(dǎo)線包圍起來，電纜的接地線必須回穿傳感器并緊固，防止滑動(dòng)。同時(shí)故障指示器安裝時(shí)必須裝設(shè)于電纜屏蔽層接地內(nèi)側(cè)，防止電纜發(fā)生單相絕緣擊穿通過屏蔽層接地時(shí)，故障指示器不能夠正確動(dòng)作。

對(duì)于故障指示器的裝設(shè)位置的確定，在便于運(yùn)行維護(hù)的前提條件下，可以遵循如下原則:

1)變電所的線路出口處，能夠判定線路和變電所內(nèi)部的故障。

2)長距離電纜線路的中上段、中段及中下段。

3)如果電纜分支線較長，可在分支線路的1/2 處裝設(shè)1 組。

4)電纜線路與架空線路的連接處，能夠判斷故障是否發(fā)生在電纜部分。

5)用戶配變的高壓進(jìn)線處，能夠判斷故障是否由用戶造成。

3.2 使用和維護(hù)故障指示器

故障指示器安裝完以后，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝情況畫出指示器安裝示意圖并建檔保存，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)接地或短路故障時(shí)，依圖紙尋找故障位置。當(dāng)線路出現(xiàn)接地故障時(shí)，線路運(yùn)行人員首先應(yīng)該根據(jù)調(diào)度員的通知并確定是哪一相接地、接地相與其他兩相的對(duì)地電壓值，然后再進(jìn)行判斷。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，接地相的對(duì)地電壓值會(huì)下降，系統(tǒng)的電氣中性點(diǎn)要產(chǎn)生位移，另外兩相的對(duì)地電壓值會(huì)升高。若接地相的對(duì)地電壓值為0，那么另兩相的對(duì)地電壓值會(huì)從相電壓變到線電壓。若另兩相的對(duì)地電壓不升高，則是變電站的電壓互感器保險(xiǎn)故障，而不是線路出現(xiàn)了接地故障。

為了保證故障指示器可以正常動(dòng)作，每年在進(jìn)行季節(jié)性清掃和線路檢修時(shí)，應(yīng)該對(duì)故障指示器進(jìn)行清掃。如果發(fā)現(xiàn)故障指示器拒動(dòng)或者是誤動(dòng)作時(shí)，應(yīng)該及時(shí)組織相關(guān)人員進(jìn)行分析，找出原因并進(jìn)行調(diào)整。

3.3 基于二分法的故障定位〔5-8〕

結(jié)合電纜故障查找的實(shí)際特點(diǎn)，提出一種基于二分法的電纜故障快速查找方法。具體是:故障查找的總原則為先主干線路，后分支線路。對(duì)經(jīng)檢查沒有發(fā)現(xiàn)故障的電纜線路，先斷開分支電纜線路后，采取試送電的方式逐段恢復(fù)主干線路的供電，然后再逐級(jí)查找并恢復(fù)沒有出現(xiàn)故障的其它線路。在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)故障特點(diǎn)，初步判斷故障區(qū)段，運(yùn)行人員不要盲目的巡查，而是有針對(duì)性地先到故障區(qū)段的中點(diǎn)位置，如果該位置的指示器已動(dòng)作，說明該點(diǎn)有故障電流，故障點(diǎn)應(yīng)該在該安裝點(diǎn)的下游。此時(shí)運(yùn)行人員以該點(diǎn)為起點(diǎn)原定故障區(qū)段的終點(diǎn)為終點(diǎn)，再到新故障區(qū)段的中點(diǎn)位置進(jìn)行查找;如果該位置的指示器沒有動(dòng)作，說明該點(diǎn)無故障電流，故障點(diǎn)應(yīng)該在該安裝點(diǎn)的上游。此時(shí)運(yùn)行人員以該點(diǎn)為終點(diǎn)原定故障區(qū)段的起點(diǎn)為起點(diǎn)，再到新故障區(qū)段的中點(diǎn)位置進(jìn)行查找，以此類推。

當(dāng)故障點(diǎn)被確定以后，即認(rèn)為只要對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行搶修，就可以恢復(fù)電纜線路的供電，而中止對(duì)其它線路的巡查，是非常錯(cuò)誤的。因?yàn)楫?dāng)電纜線路發(fā)生故障時(shí)，故障電流要流經(jīng)故障點(diǎn)上面的線路，從而對(duì)線路的薄弱環(huán)節(jié)，如電纜中間接頭、終端頭等，會(huì)造成沖擊而誘發(fā)故障，所以還應(yīng)該對(duì)故障電流通過的其它所有線路進(jìn)行全面認(rèn)真的巡查。

4 仿真分析

運(yùn)用ATP 和MATLAB 軟件進(jìn)行仿真分析，仿真分析電路如圖2 所示。其中:線路1、線路3 的長度為25 km，線路2 為18 km，金屬接地故障點(diǎn)設(shè)置在3 號(hào)線路距首端15 km 處。假設(shè)故障類型和故障位置已經(jīng)確定，在此基礎(chǔ)上對(duì)故障線路進(jìn)行仿真分析。零序電流測(cè)量點(diǎn)分別設(shè)置在線路3 的首端、接地故障點(diǎn)前、接地故障點(diǎn)后、線路3 的末端。結(jié)合湘潭電網(wǎng)某區(qū)域10 kV 配電系統(tǒng)典型故障參數(shù)，各輸入判據(jù)量設(shè)定值為:故障電流I=2Iload(負(fù)荷電流)，電流突變量為55 A/30 ms，時(shí)間量t1為1 s，時(shí)間量t2為0.6 s，檢測(cè)點(diǎn)1，2，3，4 接地電流整定值分別為1.5 A，3 A，3 A，1.8 A。電纜模型為10 kV 三相交聯(lián)聚乙烯銅芯電纜。

圖2 ATP-MATLAB 仿真電路

采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，通過MATLAB 軟件畫出各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的零序電流波形圖，如圖3 所示。由圖3 可知，檢測(cè)點(diǎn)4 的零序電流小于檢測(cè)點(diǎn)3 的零序電流，檢測(cè)點(diǎn)1 的零序電流小于檢測(cè)點(diǎn)2 的零序電流。

圖3 零序電流波形圖

圖3中曲線1 是檢測(cè)點(diǎn)3 的零序電流波形圖，曲線2 是檢測(cè)點(diǎn)4 的零序電流波形圖，曲線3 是檢測(cè)點(diǎn)2 的零序電流波形圖，曲線4 是檢測(cè)點(diǎn)1 的零序電流波形圖。

將各檢測(cè)點(diǎn)的整定值以及零序電流大小統(tǒng)計(jì)在表1 中，并判斷出故障指示器的動(dòng)作情況。根據(jù)仿真分析結(jié)果可知:檢測(cè)點(diǎn)1 的零序電流大于整定值，說明故障位置在檢測(cè)點(diǎn)1 的下游，故障指示器動(dòng)作;檢測(cè)點(diǎn)2 測(cè)得的零序電流值大于該點(diǎn)的整定值，說明故障位置在檢測(cè)點(diǎn)2 的下游，故障指示器動(dòng)作;檢測(cè)點(diǎn)3 測(cè)得的零序電流值小于該點(diǎn)的整定值，說明故障位置在檢測(cè)點(diǎn)3 的上游，故障指示器不動(dòng)作;檢測(cè)點(diǎn)4 測(cè)得的零序電流值小于該點(diǎn)的整定值，說明故障位置在檢測(cè)點(diǎn)4 的上游，故障指示器不動(dòng)作;綜合分析可知，故障區(qū)段是檢測(cè)點(diǎn)2 和檢測(cè)點(diǎn)3 之間的電纜線路。

表1 檢測(cè)點(diǎn)結(jié)果分析

5 結(jié)論

結(jié)合湘潭電網(wǎng)的具體情況，對(duì)于電纜故障指示器的故障電流基于階梯型整定原則進(jìn)行自適應(yīng)的選取。結(jié)合短路故障和接地故障的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的一種電纜故障判斷邏輯，通過仿真分析驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的正確性和可行性。總結(jié)電纜故障指示器的安裝注意事項(xiàng)，運(yùn)行維護(hù)和使用過程中的經(jīng)驗(yàn)，提出一種基于二分法數(shù)學(xué)原理的電纜故障查找方法。隨著分布式電源大量地接入配電網(wǎng)，系統(tǒng)的電氣特性將發(fā)生變化，比如系統(tǒng)的潮流將不再是傳統(tǒng)的單向流動(dòng)，故障指示器如何適應(yīng)這些變化，使其發(fā)揮更大的作用是下一步的研究重點(diǎn)。

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