10kV電纜金屬護(hù)層接地方式對(duì)故障暫態(tài)行波特性的影響

孫樹森，陳　平，馬永明，胡晶晶，曹運(yùn)剛，王　龍

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

2.國(guó)網(wǎng)微山縣供電公司，山東 濟(jì)寧 277600；3.國(guó)網(wǎng)高密市供電公司，山東 濰坊 261500)

10kV電纜金屬護(hù)層接地方式對(duì)故障暫態(tài)行波特性的影響

孫樹森1，陳平1，馬永明2，胡晶晶3，曹運(yùn)剛1，王龍1

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

2.國(guó)網(wǎng)微山縣供電公司，山東 濟(jì)寧 277600；3.國(guó)網(wǎng)高密市供電公司，山東 濰坊 261500)

摘要：分析了變電站10kV電纜出線發(fā)生單相接地故障時(shí)，電纜金屬護(hù)層不同接地方式對(duì)故障暫態(tài)特性的影響.重點(diǎn)分析對(duì)比了暫態(tài)電流波初始極性，并利用PSCAD仿真軟件進(jìn)行仿真，利用MATLAB對(duì)所獲取的波形進(jìn)行處理比較.大量的仿真結(jié)果表明，不同金屬屏蔽層接地方式下發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障暫態(tài)特性會(huì)有所區(qū)別，會(huì)對(duì)原有的故障特性產(chǎn)生影響.

關(guān)鍵詞：電纜；金屬護(hù)層接地；小電流接地系統(tǒng)

收稿日期：2015-01-06

作者簡(jiǎn)介:孫樹森，男，1408896487@qq.com

文章編號(hào)：1672-6197(2016)01-0041-05

中圖分類號(hào)：TM61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract:We analyze the impact of different metal shield grounding on the fault transient characteristics of cables when the 10kV substation cable outlet single-phase ground fault occurs. We focuse on analysis and comparison of the initial transient current wave polarity and use PSCAD simulation software to simulate, then use MATLAB for processing and comparing the acquired waveform. Substantial simulative results show that single-phase ground fault occurs in different metal shield grounding method,and the fault transient characteristics will be different, and affect the fault characteristics.

The impact of 10kV cable metal shield grounding

on fault transient traveling wave characteristics

SUN Shu-sen1, CHEN Ping1, MA Yon-ming2, HU Jing-jing3, CAO Yun-gang1, WANG Long1

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Techmology, Zibo 255049, China;

2.State Grid Weishan Eleetric Power Company,Jining 277600,China;

3. State Grid Gaomi Electric Power Company, Gaomi 261500, China)

Key words: cable; metal shield grounding; non-effectively earthed system

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[7].近年來(lái)行波法也廣泛應(yīng)用于故障線路的選線，而行波法是利用故障電流初始行波的極性進(jìn)行選線，目前僅局限于架空線路.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)[8].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.若想將行波法應(yīng)用到電纜線路，需要對(duì)電纜線路發(fā)生故障后的行波特性進(jìn)行一定研究.通過(guò)分析電纜金屬護(hù)層不同接地方式下單相故障特性，可以得出電纜金屬護(hù)層接地方式不同對(duì)故障暫態(tài)行波的影響.

1電纜金屬護(hù)層接地方式的選擇

10kV電纜大多是三芯結(jié)構(gòu)，故普遍采用兩端直接接地方式.隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，負(fù)荷密度增大，環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜等設(shè)備的應(yīng)用，市區(qū)變電所出線和電纜網(wǎng)供電主干線電纜開始采用較大截面積的單芯電纜，也就帶來(lái)了金屬屏蔽層接地方式的問(wèn)題[8].

根據(jù)安全、經(jīng)濟(jì)、合理的原則，電纜線路金屬護(hù)層接地方式主要分為以下三種[9]：

(1)金屬護(hù)層兩端直接接地.

(2)金屬護(hù)層一端直接接地，另一端通過(guò)護(hù)層保護(hù)接地.

(3)金屬護(hù)層交叉互聯(lián).

本文旨在研究電纜線路在不同接地方式下發(fā)生單相接地故障后的故障行波特性，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用和防止雷電波侵入變電站的角度出發(fā)，電纜輸電線路一般選擇在負(fù)荷側(cè)直接接地，并并聯(lián)一組氧化鋅避雷器，長(zhǎng)電纜在電源側(cè)，也即在變電站內(nèi)通過(guò)保護(hù)器接地；數(shù)公里長(zhǎng)的電纜，可以將電纜護(hù)層分段，分段處的護(hù)層交叉互聯(lián)后通過(guò)保護(hù)器接地；而對(duì)于三芯電纜均采用金屬護(hù)層雙端接地.仿真時(shí)對(duì)以上因素予以考慮，對(duì)三種不同電纜金屬屏蔽層接地方式下的主絕緣故障特性進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真進(jìn)行對(duì)比分析.

2變電站10kV電纜出線仿真模型

主絕緣故障是指電纜因老化或受潮等原因而引起的導(dǎo)體與金屬屏蔽層之間的絕緣故障，建立如圖1所示的主絕緣故障仿真模型，并在PSCAD仿真軟件中進(jìn)行仿真分析.設(shè)置線路1處f1點(diǎn)B相接地，圖中僅給出了電源側(cè)經(jīng)保護(hù)接地，負(fù)荷側(cè)直接接地一種方式，而雙端直接接地較為簡(jiǎn)單，直接將金屬護(hù)層兩端接地即可，而交叉互聯(lián)需將電纜分段，金屬護(hù)層進(jìn)行交叉互聯(lián).對(duì)兩端直接接地以及交叉互聯(lián)的仿真模型在此不再給出.仿真中設(shè)置系統(tǒng)末端懸空，各電纜線路采用幾何分布模型，仿真時(shí)間為0.05s，故障時(shí)間為0.02s，故障持續(xù)時(shí)間為0.02s，采樣頻率為2MHz，仿真結(jié)束后利用Matlab對(duì)波形進(jìn)行處理，僅提取故障初始時(shí)刻在內(nèi)的0.02s進(jìn)行觀察對(duì)比.電纜及架空線長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)置如下：電纜1長(zhǎng)度為3km，電纜2長(zhǎng)度為4km，電纜3長(zhǎng)度為3.5km.

圖1　仿真模型

3仿真分析

3.1　金屬護(hù)層兩端直接接地

利用圖1中的仿真模型在PSCAD中進(jìn)行仿真，將接地方式改為兩端直接接地.對(duì)3條線路的三相暫態(tài)電流與3倍零序電流進(jìn)行處理分析，結(jié)果如圖2~圖4所示.

圖2　電纜護(hù)層兩端接地時(shí)線路1的暫態(tài)電流

圖3　電纜護(hù)層兩端接地時(shí)線路2的暫態(tài)電流

圖4　電纜護(hù)層兩端接地時(shí)線路3的暫態(tài)電流

由仿真結(jié)果分析可知，對(duì)比零序電流可以看出，線路1零序初始暫態(tài)電流行波的極性與其余線路相反；三條線路的B相極性均與同線路零序電流初始行波極性相同，而故障線路的B相電流初始行波極性與非故障線路的B相極性相反；同線路的A、C相電流初始行波極性相同，故障線路與非故障線路的A、C相極性相反；未發(fā)生接地故障的兩條電纜線路，其三相初始暫態(tài)電流的極性全部與本線路的零序初始暫態(tài)電流極性一致，而故障線路三相初始暫態(tài)電流極性不完全一致.

3.2　金屬屏蔽層負(fù)荷側(cè)一端接地

改變金屬屏蔽層的接地方式為負(fù)荷側(cè)單端接地，電源側(cè)經(jīng)保護(hù)接地，重復(fù)上述的仿真，并對(duì)波形進(jìn)行處理分析.結(jié)果如圖5~圖7所示.

圖5　金屬屏蔽層負(fù)荷側(cè)一端接地時(shí)線路1的暫態(tài)電流

圖6　金屬屏蔽層負(fù)荷側(cè)一端接地時(shí)線路2的暫態(tài)電流

圖7　金屬屏蔽層負(fù)荷側(cè)一端接地時(shí)線路3的暫態(tài)電流

由仿真分析結(jié)果可知，對(duì)比零序電流初始行波極性可知故障線路與非故障線路極性相反；三條線路的B相極性均與同線路零序電流初始行波極性相同，而故障線路的B相電流初始行波極性與非故障線路的B相極性相反；同線路的A、C相電流初始行波極性相同，故障線路與非故障線路的A、C相極性相反；未發(fā)生接地故障的兩條電纜線路，三相初始暫態(tài)電流的極性不再一致，只有A、C相極性一致，B相與A、C相相反，與零序一致.該接地方式下故障暫態(tài)行波特性與金屬護(hù)層兩端接地時(shí)呈現(xiàn)出不同的特性.

3.3　金屬屏蔽層交叉互聯(lián)

將電纜進(jìn)行分段并交叉互聯(lián)后進(jìn)行仿真，為了使研究更具完整性，仿真時(shí)應(yīng)設(shè)置不同的故障位置，分別對(duì)交叉互聯(lián)前、后以及交叉互聯(lián)點(diǎn)發(fā)生單相接地故障后的故障暫態(tài)行波特性進(jìn)行觀察分析，在交叉互聯(lián)點(diǎn)發(fā)生單相接地故障又分為電纜線芯與同相金屬屏蔽層相連和電纜線芯和交叉后的一相金屬屏蔽層相連兩種情況.針對(duì)以上幾種情況分別進(jìn)行仿真分析.

1) 設(shè)置故障點(diǎn)位于交叉互聯(lián)點(diǎn)

(1)當(dāng)電纜線芯與同相金屬屏蔽層相連時(shí)對(duì)3條線路的三相暫態(tài)電流與3倍零序電流進(jìn)行處理分析，結(jié)果如圖8~圖10所示.

圖8　電纜線芯與同相金屬屏蔽層相連時(shí)線路1的暫態(tài)電流

圖9　電纜線芯與同相金屬屏蔽層相連時(shí)線路2的暫態(tài)電流

圖10　電纜線芯與同相金屬屏蔽層相連時(shí)線路3的暫態(tài)電流

由仿真分析結(jié)果可知，該情況與金屬護(hù)層一端接地時(shí)的情況一致.

(2)當(dāng)電纜導(dǎo)芯與交叉后一相金屬屏蔽層相連時(shí)對(duì)3條線路的三相暫態(tài)電流與3倍零序電流進(jìn)行處理分析，結(jié)果如圖11~圖13所示.

圖11　電纜導(dǎo)芯與交叉后一相金屬屏蔽層相連時(shí)線路1的暫態(tài)電流

圖12　電纜導(dǎo)芯與交叉后一相金屬屏蔽層相連時(shí)線路2的暫態(tài)電流

圖13　電纜導(dǎo)芯與交叉后一相金屬屏蔽層相連時(shí)線路3的暫態(tài)電流

根據(jù)圖示可以看出，對(duì)比零序電流初始行波極性可知故障線路與非故障線路極性相反；三條線路的B相極性均與同線路零序電流初始行波極性相同，而故障線路的B相電流初始行波極性與非故障線路的B相極性相反；兩條非故障線路故障暫態(tài)特性相似，故障線路與非故障線路三相電流初始行波極性相反；同一線路各相電流初始行波極性完全相同，故障線路的A、C相電流初始行波極性與非故障線路的A、C相極性相反.該種情況下的故障特性與上述幾種情況都不相同.

2) 設(shè)置故障點(diǎn)在交叉互聯(lián)前、后

根據(jù)仿真分析，當(dāng)故障點(diǎn)在交叉互聯(lián)前時(shí)其故障暫態(tài)特性與金屬護(hù)層兩端接地時(shí)故障暫態(tài)特性一致；當(dāng)故障點(diǎn)在交叉互聯(lián)后時(shí)其故障暫態(tài)特性與故障點(diǎn)在交叉互聯(lián)點(diǎn)且電纜導(dǎo)芯與交叉后一相金屬屏蔽層相連時(shí)故障暫態(tài)特性一致.這兩種情況下的故障暫態(tài)特性均有一致的情況，故仿真圖示不再給出.

4結(jié)論

在研究了電纜金屬護(hù)層接地方式的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的接地方式，對(duì)小電流接地系統(tǒng)的出線電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)進(jìn)行了研究分析，通過(guò)以上仿真結(jié)果的分析可以得出以下結(jié)論：

1) 當(dāng)單芯電纜選擇一端接地或交叉互聯(lián)時(shí)發(fā)生單相接地故障，其故障暫態(tài)特性并

不完全相同，即金屬護(hù)層的接地方式會(huì)對(duì)電流初始行波特性產(chǎn)生影響.

2) 如果將行波選線法利用到電纜線路則需要考慮不同的金屬護(hù)層接地方式對(duì)電流初始行波的影響.

3) 電纜線路不論采取哪種金屬護(hù)層接地方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路的故障相電流與零序電流初始行波極性與非故障線路的同相極性總是相反的.

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(編輯：劉寶江)