變電站10kV電纜出線單相故障初始行波特性分析

鮑 新 劉雙喜 何 峰 孫樹(shù)森 李垂有

1.國(guó)網(wǎng)濟(jì)南供電公司 山東 濟(jì)南 250021

2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 山東 淄博 255049

3.中山供電局 廣東 中山 528400

0 引言

我國(guó)配電網(wǎng)普遍采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地，即屬于小電流接地系統(tǒng)［1］。多年來(lái)小電流接地系統(tǒng)的選線問(wèn)題一直未能得到很好的解決，目前電力系統(tǒng)普遍采用的方法是利用零序電流的選線方法［2］，采用的特征量主要有極性［3］、幅值［4］、能量［5］和突變量［6］等，但對(duì)于只安裝兩相電流互感器的系統(tǒng)，若想獲取零序電流非常麻煩，故利用零序電流選線雖然具有很高的可靠性但也有一定的局限性，針對(duì)這種情況不少研究人員提出了基于兩相電流行波的選線方法，通過(guò)比較模量電流行波的幅值與極性選擇故障線路［7-8］。由于電纜較于架空線有占地空間小，敷設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)，電纜在配網(wǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電纜網(wǎng)絡(luò)供電取代原有的架空線路供電已成為城市電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)［9］。但電纜從結(jié)構(gòu)上比架空線復(fù)雜的多，在小電流接地系統(tǒng)中，當(dāng)電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)其故障暫態(tài)特性與架空線也有一定的區(qū)別，所以這種情況下選線問(wèn)題更加困難。目前在這方面進(jìn)行研究的工作人員在建模時(shí)過(guò)于簡(jiǎn)單且理想化，分析得出的結(jié)論具有一定的偏差。為解決以上問(wèn)題對(duì)于電流的初始行波特性研究便顯得尤為重要，本文通過(guò)分析變電站電纜出線在不同位置發(fā)生單相接地故障時(shí)的初始行波特性，發(fā)現(xiàn)其與架空線路的暫態(tài)特性有一定的區(qū)別。

1 行波選線理論基礎(chǔ)［10］

1.1 行波選線原理

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于附加電源的作用，會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)行波。行波首先由接地點(diǎn)開(kāi)始向接地線路兩端傳播，并在母線處發(fā)生折射與反射，而且在線路上發(fā)生疊加，從而形成接地線路的初始行波；來(lái)自接地點(diǎn)的初始行波經(jīng)折射進(jìn)入非接地線路，形成非接地線路的初始行波。

根據(jù)行波傳播理論，若系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，電流的入射波零模ir0由接地點(diǎn)傳到母線，由于母線處波阻抗不連續(xù)發(fā)生反射，其折射波i″和i′發(fā)射波分別為：

式中：ir0為入射電流波；zm為母線的等效波阻抗；zl為接地線路的阻抗。

入射波和反射波疊加行程接地線路的初始零模分量電流行波為：

若非接地線路的波阻抗為zk，則從接地線路折射到非接地線路的折射波在各非接地線路分流，形成非接地線路的零模電流初始行波為 （假設(shè)有N條線路）：

對(duì)比（3）和（4）式不難發(fā)現(xiàn)：由于配電站有較多出線回路，母線的波阻抗遠(yuǎn)小于非接地線路的波阻抗，即zm?zk，故接地線路的零模初始電流行波幅值遠(yuǎn)大于非接地線路的初始電流行波幅值，并且接地線路與非接地線路的初始電流初始行波極性相反；所有非接地線路的零模電流初始行波極性相同且幅值相近。上述原理的陳述證明故障暫態(tài)行波過(guò)程與接地方式無(wú)關(guān)，為解決小電流接地系統(tǒng)選線問(wèn)題提出了新思路。

1.2 行波的獲取

長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為常規(guī)的用于測(cè)量工頻信號(hào)的電壓、電流互感器（TV、TA）很難傳變測(cè)距使用的暫態(tài)高頻行波信號(hào)，因此早期的行波測(cè)距裝置使用高壓耦合設(shè)備測(cè)量電壓行波信號(hào)，投資大、復(fù)雜，可靠性差。近年來(lái)研制出的光纖TV、TA能夠傳變高頻行波信號(hào)，但離實(shí)用化還有一定的距離。

研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的電流互感器（TA）能夠很好地傳變高頻暫態(tài)電流信號(hào)，滿足行波故障測(cè)距的要求。因此，行波測(cè)距裝置可象普通的繼電保護(hù)裝置一樣，直接接入電流互感器的二次回路。裝置利用電流互感器的二次輸出形成行波測(cè)距信號(hào)，不需要裝設(shè)任何高壓行波耦合設(shè)備，投資小，安裝方便，容易被電網(wǎng)運(yùn)行管理部門(mén)接受。

將電壓或電流傳感器采集到的模擬電壓或模擬電流信號(hào)再利用數(shù)據(jù)采集裝置在確保不失真的前提下轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸給微處理器分析。

2 變電站10kV電纜出線仿真模型

本文工作旨在研究變電站10kV電纜出線發(fā)生單相接地故障時(shí)的初始行波特性，建立如圖1所示仿真模型。由于10kV電纜大多是三芯結(jié)構(gòu)，故普遍采用金屬屏蔽層兩端直接接地方式［11］。本文所建立的模型中即采用三芯結(jié)構(gòu)，金屬屏蔽層雙端直接接地的方式。

圖1 仿真模型

在仿真模型中設(shè)置了兩處不同故障點(diǎn)，如圖1中所示。f1：電纜內(nèi)部單相主絕緣故障，f2：電纜末端單相接地故障。電纜長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)置如下：電纜1長(zhǎng)度為2km，電纜2長(zhǎng)度為3km，電纜3長(zhǎng)度為5km。

3 仿真分析

根據(jù)所建立的仿真模型進(jìn)行仿真分析，仿真中設(shè)置故障發(fā)生時(shí)刻為0.21s。為了便于研究在仿真中設(shè)置B相故障。仿真結(jié)束后，利用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

3.1 電纜內(nèi)部單相主絕緣故障

1）金屬性故障

當(dāng)電纜在f1處發(fā)生主絕緣故障時(shí)，線路1、2、3三相電流及3倍零模電流初始行波分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 線路1三相電流及3倍零模電流

圖3 線路2三相電流及3倍零模電流

圖4 線路3三相電流及3倍零模電流

分析以上3條線路的三相及零模初始電流行波，可以看出當(dāng)線路1在f1處發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，線路1故障相與零模電流初始行波的極性相同而與非故障相極性相反，線路2、3作為非故障線路三相與零模初始電流行波極性相同，但與線路1的故障相和零模電流初始行波極性相反，與非故障相電流初始行波極性相同。僅對(duì)比零模或故障相電流初始行波極性可以判斷出線路1為故障線路。而在該種情況下若要像架空線系統(tǒng)中一樣實(shí)現(xiàn)利用兩相電流行波實(shí)現(xiàn)選線是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

2）非金屬性故障

設(shè)定過(guò)渡電阻為50Ω，同樣在f1處發(fā)生單相接地故障，分析過(guò)渡電阻對(duì)其故障特性的影響，仿真結(jié)果分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 線路1三相電流及3倍零模電流

圖6 線路2三相電流及3倍零模電流

根據(jù)以上波形圖分析，當(dāng)f1處發(fā)生非金屬性接地故障時(shí)，由于過(guò)渡電阻的影響，各線路電流波的幅值被明顯削減，但其對(duì)各線路電流初始行波的極性并無(wú)影響，所以該情況下對(duì)選線的可靠性分析與f1處發(fā)生金屬性接地故障時(shí)相同。

圖7 線路3三相電流及3倍零模電流

3.2 電纜末端單相接地故障

1）金屬性故障

改變故障點(diǎn)到f2，重復(fù)上述仿真，并對(duì)波形進(jìn)行處理分析。線路1、2、3三相電流及3倍零模電流波形分別如下圖8、圖9、圖10所示。

圖8 線路1三相電流及3倍零模電流

由仿真分析結(jié)果對(duì)比分析，可以看出在f2處發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，線路3故障相與零模電流初始行波極性相同，與非故障相電流初始行波極性相反；而非故障線路1、2三相與零模電流初始行波極性完全相同，其極性與故障線路故障相相反。僅對(duì)比3條線路零模或故障相電流初始行波可以判斷出故障線路。所以該情況下利用兩相電流行波法進(jìn)行選線同樣是不可靠的。

2）非金屬性故障

設(shè)定過(guò)渡電阻為50Ω，同樣在f2處發(fā)生單相接地故障，分析過(guò)渡電阻對(duì)其故障特性的影響，仿真結(jié)果分別如圖11、圖12、圖13所示。

圖9 線路2三相電流及3倍零模電流

圖10 線路3三相電流及3倍零模電流

圖11 線路1三相電流及3倍零模電流

根據(jù)以上波形圖分析，當(dāng)f2處發(fā)生非金屬性接地故障時(shí)，由于過(guò)渡電阻的影響，各線路電流波的幅值被明顯削減，但其對(duì)各線路電流初始行波的極性并無(wú)影響，所以該情況下對(duì)選線的可靠性分析與f2處發(fā)生金屬性接地故障時(shí)相同。

圖12 線路2三相電流及3倍零模電流

圖13 線路3三相電流及3倍零模電流

4 結(jié)論

本文對(duì)變電站10kV電纜出線在不同位置發(fā)生單相接地故障時(shí)的電流初始行波特性進(jìn)行了仿真研究，并分析了過(guò)渡電阻對(duì)其故障特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)不論單相接地故障發(fā)生在何位置，利用零模電流初始行波極性或利用故障相電流初始行波極性進(jìn)行選線都是可靠的，若電纜發(fā)生主絕緣故障時(shí)僅利用兩相電流行波的選線方法并不可靠。

本文所做工作對(duì)小電流接地系統(tǒng)選線的可靠性提高具有一定的參考價(jià)值。

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