區(qū)域電網(wǎng)電纜—架空線混合線路故障區(qū)間判別方法及實(shí)現(xiàn)

李園園，沈 軍，朱曉彤，王 耀，劉革明

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102)

受城市空間和規(guī)劃的限制，電纜—架空線混合線路在大中城市中的應(yīng)用越來越廣泛。由于架空線故障以瞬時(shí)性故障居多，一般需要啟動(dòng)重合閘，而發(fā)生在電纜的故障，則往往是永久性故障，如電纜絕緣破損、電纜中間接頭故障等，再次重合會(huì)對(duì)電纜產(chǎn)生較大的損傷，對(duì)系統(tǒng)也會(huì)造成二次故障沖擊，因此一般要求閉鎖重合閘。當(dāng)電纜—架空線混合線路發(fā)生故障時(shí)，必須先由檢修人員找出故障點(diǎn)，查明故障點(diǎn)是位于架空線還是電纜段，只有找到故障點(diǎn)，確定為架空線故障時(shí)，才能下達(dá)手合故障線路命令，這對(duì)檢修人員提出了很高要求，同時(shí)要耗費(fèi)大量的人力與物力。

目前對(duì)于電纜—架空線混合線路的研究主要集中在保護(hù)方面的研究，對(duì)快速定位故障區(qū)間的研究則比較少[1-3]。文獻(xiàn)[4]提出了一種適用于架空線—電纜混合線路的新型電抗繼電器，該方法可以在線區(qū)分電纜故障和架空線故障，但該方法必須基于差動(dòng)保護(hù)原理和通道，對(duì)無通道保護(hù)而言并不適用。文獻(xiàn)[5]提出了一種超高壓架空線—電纜混合線路故障測尋方法，但該方法為基于錄波器數(shù)據(jù)的離線計(jì)算，且計(jì)算方法復(fù)雜，不能滿足在線判斷的要求。另外，由于受限于傳統(tǒng)電磁式電流互感器（TA）安裝體積及造價(jià)等原因，現(xiàn)有的識(shí)別架空線—電纜混合線路故障區(qū)間的方法，大都是利用現(xiàn)有的保護(hù)測量回路，在現(xiàn)有的保護(hù)裝置中進(jìn)行功能修改，增加相關(guān)判據(jù)和定值實(shí)現(xiàn)。這些方法在短線或多級(jí)混聯(lián)線路應(yīng)用時(shí)難以整定，誤差很大。同時(shí)由于這些方法是集成在線路保護(hù)裝置中，一方面增加了保護(hù)裝置的復(fù)雜性，另一方面故障定位信息分散，不利于運(yùn)行和檢修人員的集中分析。

光學(xué)TA 具有絕緣結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，傳變特性好，安裝簡單等特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)變電站，特別是智能化變電站中取得了越來越廣泛的應(yīng)用。其中，柔性光學(xué)TA的出現(xiàn)則使得光學(xué)互感器的安裝和維護(hù)更加方便，可任意彎曲的光纜可適應(yīng)于任意形狀的導(dǎo)體，特別適合于變電站改造、安裝空間狹小、不停電安裝檢修等應(yīng)用場合[6]?；诠鈱W(xué)互感器技術(shù)，以及智能變電站技術(shù)[7-10]的發(fā)展，本文提出了一種面向區(qū)域電網(wǎng)的識(shí)別電纜—架空線混合線路故障區(qū)間的新方法。

1 系統(tǒng)整體方案架構(gòu)

一個(gè)包含4個(gè)變電站的小型區(qū)域電網(wǎng)如圖1 所示。中心變電站（在110 kV 系統(tǒng)中，一般為主供電源變電站）與其他變電3個(gè)站之間分別有線路1、線路2、線路3 三條輸電線路相連，其中線路1為兩段式架空線—電纜混合線路，線路2為三段式架空線—電纜混合線路（架空—電纜—架空線路），線路3 全線均為架空線。傳統(tǒng)的方法是在中心變電站和站1、站2、站3 分別配置6臺(tái)保護(hù)裝置，由各保護(hù)裝置采集安裝點(diǎn)故障信息，完成故障點(diǎn)的判斷。

圖1 傳統(tǒng)判別方案示意圖

有別于傳統(tǒng)以單一線路為對(duì)象的方法，本文提出的方法是以整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)為檢測對(duì)象，區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)包含多個(gè)變電站，以及變電站間的多條架空線—電纜混合線路。本方案在區(qū)域電網(wǎng)中選定一個(gè)變電站作為中心變電站（無特別要求，在110 kV 系統(tǒng)中，一般為主供電源變電站），僅在中心變電站內(nèi)配置一臺(tái)集中式的故障區(qū)間判別裝置（與保護(hù)裝置獨(dú)立的單獨(dú)裝置），由該裝置將區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)所有輸電線路的電氣量信息進(jìn)行集中匯總處理，實(shí)時(shí)完成區(qū)域電網(wǎng)中任一段線路發(fā)生故障時(shí)的故障區(qū)間定位。

本方案數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于光學(xué)互感器，特別是柔性光學(xué)互感器技術(shù)。本方案根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在圖1 所示的區(qū)域電網(wǎng)中各線路的兩端以及電纜—架空線交接處（如圖2 中“○”所示）分別安裝光學(xué)互感器（特別是柔性光學(xué)互感器）和就地?cái)?shù)據(jù)采集裝置（合并單元）。為方便敘述，將所述互感器安裝點(diǎn)定義為測量點(diǎn)，兩相鄰測量點(diǎn)之間的輸電線路定義為一個(gè)故障區(qū)間。光學(xué)互感器負(fù)責(zé)一次電流的采集，數(shù)據(jù)采集裝置完成數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換后，通過光纖將數(shù)據(jù)傳送給中心變電站的集中式故障區(qū)間判別裝置。本方案整體示意圖如圖2所示。

圖2 故障區(qū)間判別方案示意圖

由于各個(gè)測量點(diǎn)的合并單元均為就地安裝，其與中心變電站的距離大多都超過2 km，多模光纖的數(shù)據(jù)傳輸可靠性無法得到保證，故本方案采用單模光纖將采樣數(shù)據(jù)送到中心變電站的集中式故障區(qū)間判別裝置。通道連接方式如圖3 所示，可選擇專用光纖或復(fù)用通道。

圖3 通道連接方式

中心變電站的故障區(qū)間判別裝置采用集中式設(shè)計(jì)，即僅由1 臺(tái)裝置完成整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)所有線路的故障區(qū)間定位。故障區(qū)間判別裝置接收區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)所有測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析處理，并在故障后識(shí)別出故障區(qū)間，實(shí)現(xiàn)故障的快速定位和檢修，加快故障后系統(tǒng)恢復(fù)供電的能力。

2 故障區(qū)間判別方法

基于上述的系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)，集中式故障區(qū)間判別裝置可以實(shí)時(shí)獲取區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)各個(gè)測量點(diǎn)的故障電流采樣值。由于本方案在電纜—架空線交接處都安裝了柔性光學(xué)互感器，故通過分析各測量點(diǎn)的故障電流特征，就可以很方便地判別出故障發(fā)生的區(qū)間。

對(duì)于單電源供電線路，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，故障區(qū)間電源側(cè)相間電流主要表現(xiàn)為較大的故障電流，而負(fù)荷側(cè)由于無電源提供短路電流，其相間電流主要是少量分流的正序和負(fù)序故障電流，以及負(fù)荷電流的疊加，電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)兩者相間電流的數(shù)量級(jí)別差異明顯。根據(jù)上述故障電流特征，在故障區(qū)間判別裝置中對(duì)每個(gè)測量點(diǎn)設(shè)置一個(gè)可整定的電流定值，在區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生故障后，故障區(qū)間判別裝置按線路依次掃描各測量點(diǎn)故障相間電流，若滿足一側(cè)相間電流大于整定的電流定值，而另一側(cè)相間電流小于整定的電流定值，則判斷為該區(qū)間內(nèi)發(fā)生故障。

對(duì)于雙電源或多電源供電線路，采用電流差動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)故障區(qū)間的判斷。故障區(qū)間判別裝置按線路依次計(jì)算各故障區(qū)間的兩側(cè)分相電流和，若該值大于整定值，則判斷為該區(qū)間內(nèi)發(fā)生故障。由于差動(dòng)方案涉及兩側(cè)數(shù)據(jù)同步等技術(shù)，則在本文中不做詳細(xì)敘述。

3 集中式故障區(qū)域判別裝置

上述方案中，設(shè)在中心變電站的集中式故障區(qū)間判別裝置是為本方案專門研發(fā)的新裝置，該裝置接收所有測量點(diǎn)的故障數(shù)據(jù)，完成整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的故障區(qū)間判別邏輯。為了兼容不同規(guī)模的區(qū)域電網(wǎng)，以及不同的架空線—電纜混合段數(shù)，集中式故障區(qū)間判別裝置硬件采用即插式標(biāo)準(zhǔn)插件，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法可實(shí)現(xiàn)按照區(qū)域電網(wǎng)的輸電線路出線數(shù)實(shí)例化插件和故障判斷模塊，按照每條輸電線路的測量點(diǎn)數(shù)實(shí)例化數(shù)據(jù)接收和處理模塊，線路出線數(shù)和測量點(diǎn)數(shù)均可采用參數(shù)整定實(shí)現(xiàn)，從而可靈活適用于各種不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膮^(qū)域電網(wǎng)。如圖4 所示，故障區(qū)間判別裝置整體結(jié)構(gòu)由電源插件，判別CPU 插件（可擴(kuò)展），人機(jī)接口插件，光耦插件組成，可根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)的規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活擴(kuò)展插件。判別CPU 插件通過光口接收各測量點(diǎn)來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，依次掃描2個(gè)相鄰測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，完成故障區(qū)間的判斷。光耦插件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)、打印、投檢修態(tài)、信號(hào)復(fù)歸等開入命令的采集。人機(jī)接口插件完成顯示、錄波、打印、報(bào)文等人機(jī)通信功能。

判別CPU 插件根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)的線路條數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，每個(gè)CPU 插件的光口數(shù)根據(jù)各條混合線路上的測量點(diǎn)數(shù)進(jìn)行配置?？紤]到一般情況下系統(tǒng)中最多是三段線路混合，本方案中以4 光口插件作為標(biāo)準(zhǔn)配置。仍以圖1 所示的區(qū)域電網(wǎng)為例，說明裝置的實(shí)際配置實(shí)現(xiàn)過程。如圖5 所示，首先根據(jù)線路條數(shù)實(shí)例化3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CPU 插件，分別實(shí)現(xiàn)線路1至線路3的故障區(qū)間判別；然后根據(jù)每條線路的測量點(diǎn)數(shù)分別在線路1至線路3 插件中實(shí)例化3，4，2個(gè)數(shù)據(jù)接收和處理模塊。

圖4 故障區(qū)間判別裝置的典型配置圖

圖5 故障區(qū)間判別裝置實(shí)際系統(tǒng)配置圖

對(duì)于單電源供電線路，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，如圖5中線路2 發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，在線路2的TA1，TA2，TA3測量點(diǎn)均流過較大的故障電流，其相間電流均大于整定的電流定值，而TA4 測量點(diǎn)位于故障點(diǎn)的負(fù)荷側(cè)，其相間電流小于整定的電流定值，則判斷為線路2的TA3，TA4 測量點(diǎn)間的段3 發(fā)生故障。

對(duì)于雙電源或多電源供電線路，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，如圖5 中線路2 發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，線路2的段1 和段2 流過的電流均為穿越電流，其兩側(cè)TA的分相電流和均為0，而段3的兩側(cè)TA 分相電流相加，其和很大，故判斷為線路2的TA3，TA4 測點(diǎn)間的段3 發(fā)生故障。

4 現(xiàn)場檢修及異常情況處理機(jī)制

由于本方案是面向區(qū)域電網(wǎng)，采用集中式裝置實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)中任一一次設(shè)備檢修或故障，或裝置的某一測量點(diǎn)數(shù)據(jù)故障將可能導(dǎo)致這個(gè)方案失效，故必須考慮靈活的系統(tǒng)檢修及異常情況處理機(jī)制，將局部因素對(duì)整體方案的影響降到最小。

4.1 現(xiàn)場檢修機(jī)制

集中式故障區(qū)間判別裝置對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)接收口均獨(dú)立設(shè)置SV 接收軟壓板，若SV 接收軟壓板置退出位置，則裝置自動(dòng)退出與該TA 有關(guān)的所有采樣、自檢、邏輯功能，其他均不受影響。

現(xiàn)場任一線路的檢修不影響區(qū)域電網(wǎng)其他線路邏輯判斷的正常運(yùn)行。如圖5 線路1 檢修需退出運(yùn)行時(shí)，將線路1的CPU 插件上RX1～RX3 對(duì)應(yīng)的SV 接收軟壓板均置退出狀態(tài)即可，線路2 和線路3的CPU 插件可繼續(xù)運(yùn)行。線路上任一TA 或光學(xué)互感器的檢修不影響整條線路的運(yùn)行。如圖6 所示線路2 上的TA2檢修，僅需將線路2的CPU 插件上TA2 對(duì)應(yīng)的RX2的SV 接收軟壓板置退出狀態(tài)，則RX2 對(duì)應(yīng)的所有采樣、自檢、邏輯均退出。裝置自動(dòng)按照實(shí)際有效的TA1，TA3，TA4 測量點(diǎn)重新進(jìn)行故障區(qū)間劃分，將TA1～TA3 視為段1，TA3～TA4 視為段2。在圖6 所示處發(fā)生短路故障，裝置報(bào)“線路2 段2 故障”。

圖6 TA2 檢修

4.2 裝置異常處理機(jī)制

安裝于中心變電站中的集中式故障區(qū)間判別裝置任一CPU 插件的故障不影響其他CPU 插件的正常運(yùn)行。如線路1的CPU 插件故障，僅自動(dòng)退出線路1的判斷功能，線路2 和線路3的功能不受影響。集中式故障區(qū)間判別裝置任一光纖接收口故障不影響整條線路的運(yùn)行。如圖7 所示，線路2的CPU 插件上的RX2接收故障，若暫時(shí)無法更換插件，僅需將該插件上RX2 對(duì)應(yīng)的SV 接收軟壓板置退出狀態(tài)，則RX2 對(duì)應(yīng)的所有采樣、自檢、邏輯均退出。裝置自動(dòng)將TA1～TA3 視為段1，TA3～TA4 視為段2。在圖7 所示處發(fā)生短路故障，裝置報(bào)“線路2 段2 故障”，即處理結(jié)果類似于TA2 檢修。

圖7 RX2 故障

如圖8 所示，線路1的CPU 插件，其光纖接收口有冗余的情況，若該插件上的RX3 接收故障，若暫時(shí)無法更換插件，可將TA3的采樣光纖接入RX4，同時(shí)將RX3 對(duì)應(yīng)的SV 軟壓板置退出狀態(tài)，將RX4 對(duì)應(yīng)的SV 接收軟壓板置投入狀態(tài)，則RX3 對(duì)應(yīng)的所有采樣、自檢、邏輯均退出，RX4 邏輯投入。裝置自動(dòng)將RX2～RX4 對(duì)應(yīng)于TA2～TA3，裝置仍將TA1～TA2視為段1，TA2～TA3 視為段2 不變。

圖8 RX3 故障

5 柔性光學(xué)TA 及現(xiàn)場應(yīng)用方案

光學(xué)TA 是一種新型的光學(xué)計(jì)量技術(shù)，是基于法拉第（Faraday）磁光效應(yīng)測量一次電流的互感器。光學(xué)TA 采用光纖作為Faraday 傳感材料，一次端無需供電，抗電磁干擾能力強(qiáng)，且不存在磁飽和及鐵磁諧振等問題；采用反射式光纖Sagnac 干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的測量[7]，精度高；通過光纖互易結(jié)構(gòu)，使外界的溫度、壓力等影響能互相抵消，降低了互感器受環(huán)境溫度、振動(dòng)等干擾因素的影響，提高了互感器的精度和穩(wěn)定性。

柔性光學(xué)TA 是一種特殊安裝形式的光學(xué)互感器，與普通光學(xué)TA的區(qū)別是：柔性光學(xué)互感器的一次傳感部分僅僅為一根帶反射鏡的光纖，該傳感光纖采用了特殊的工藝處理后制成非鎧裝傳感光纜，傳感光纜沒有固定的形狀，可以靈活地盤繞在絕緣電纜外圍形成光纖傳感環(huán)。柔性光學(xué)的TA 各主要器件如圖9所示。

圖9 柔性光學(xué)TA 結(jié)構(gòu)圖

柔性光學(xué)TA 現(xiàn)場安裝時(shí)只需將傳感光纜靈活纏繞在一次導(dǎo)體周圍即可，安裝方式靈活，其傳感光纜能適應(yīng)任意尺寸的導(dǎo)體，可以現(xiàn)場繞制和熔接，安裝和維護(hù)方便，尤其適用于變電站的改造或系統(tǒng)新增測量點(diǎn)等工程中。柔性光學(xué)互感器傳感光纜可纏繞在絕緣電纜的外圍，處于低壓側(cè)，安裝過程中對(duì)絕緣電纜沒有損傷，因此在安裝過程中無需停電，可達(dá)到不停電加裝TA的目的。典型的柔性光學(xué)互感器的帶電安裝方式如圖10 所示，圖中傳感光纜可在絕緣電纜帶電情況下進(jìn)行纏繞。

圖10 柔性光學(xué)互感器典型傳感纜安裝方式

6 結(jié)束語

本方案已經(jīng)在試點(diǎn)工程獲得實(shí)施，依據(jù)本方案研發(fā)的故障區(qū)間判別裝置、柔性光學(xué)互感器、數(shù)據(jù)采集單元也已經(jīng)投入運(yùn)行。工程投運(yùn)以來，經(jīng)歷了多次故障的考驗(yàn)，運(yùn)行情況表明，區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)故障時(shí)，故障區(qū)域判別裝置能夠?qū)崟r(shí)給出正確的故障區(qū)段指示，區(qū)域電網(wǎng)外的故障，裝置不會(huì)誤判別。

（1）實(shí)現(xiàn)故障的實(shí)時(shí)定位，架空線瞬時(shí)故障可快速恢復(fù)供電；減輕了故障尋線工作量，加快了永久故障檢修和系統(tǒng)恢復(fù)供電的速度。

（2）將整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的故障定位功能集中在中心變電站的1 臺(tái)裝置中，實(shí)現(xiàn)了故障信息的集中獲取和同步分析，裝置占用屏柜少，投資省，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

（3）柔性光學(xué)互感器體積小，重量輕，抗電磁干擾能力強(qiáng)，可靈活適應(yīng)于各種現(xiàn)場條件，實(shí)現(xiàn)不停電安裝和檢修，現(xiàn)場施工簡單。

（4）檢修機(jī)制簡單，異常情況處理智能化，使用及維護(hù)工作量小。

本方案對(duì)于架空線—電纜混合線路較多的城市電網(wǎng)來說，具有較大的推廣使用價(jià)值。

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