分析分布智能型饋線自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)10kV電纜故障快速?gòu)?fù)電技術(shù)

楊涌新

摘 ?要：該文介紹了分布智能型饋線自動(dòng)化（以下簡(jiǎn)稱FA），實(shí)現(xiàn)在10 kV配網(wǎng)電纜線路上開關(guān)配置遠(yuǎn)方終端單元（以下簡(jiǎn)稱FTU），F(xiàn)TU具備智能控制和無(wú)線通信功能。通過(guò)設(shè)置主、從FTU，由主FTU收集主、從FTU檢測(cè)的穩(wěn)態(tài)故障電流和暫態(tài)零序電流，由主FTU智能控制器判斷故障范圍后，向相應(yīng)的配網(wǎng)開關(guān)發(fā)出跳、合閘信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)故障的隔離及非故障線路段的送電，分析了相間短路、相間短路接地和三相短路等動(dòng)作情況以及應(yīng)用零序暫態(tài)電流分析單相接地時(shí)的動(dòng)作情況。最后，總結(jié)出了調(diào)度員處理事故的基本方法。

關(guān)鍵詞：饋線自動(dòng)化;FTU;零序暫態(tài)電流

中圖分類號(hào)： TM73 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來(lái)，廣泛地應(yīng)用了“時(shí)間—電壓”型饋線自動(dòng)化，該種饋線自動(dòng)化采用二次重合閘來(lái)判斷故障范圍，但是對(duì)于電纜故障，一般均為永久性故障，二次沖擊可能嚴(yán)重?fù)p壞電纜和設(shè)備，因此10 kV全線電纜線路不宜采用“時(shí)間—電壓型”饋線自動(dòng)化[1]。另外，對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的10 kV系統(tǒng)中，電纜線路上如果采用單純故障指示器判斷故障范圍，當(dāng)出現(xiàn)單相接地時(shí)，由于消弧線圈感性電流的補(bǔ)償作用，故障點(diǎn)的接地電流很小，不利于故障指示器判斷故障范圍。對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的10 kV電纜線路，提出了采用FTU智能控制和無(wú)線通信功能，利用短路故障電流和零序暫態(tài)電流分析法，對(duì)10 kV電纜線路發(fā)生各種故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)故障的快速隔離和非故障段的快速?gòu)?fù)電。

1 分布智能型饋線自動(dòng)化的技術(shù)方案

1.1 方案的總體設(shè)置

10 kV電纜線路上電纜分接箱或開關(guān)站的自動(dòng)化負(fù)荷開關(guān)設(shè)置單元柜、智能控制器、無(wú)線通信，在進(jìn)出線開關(guān)裝有三相CT、PT和零序CT。當(dāng)流過(guò)的故障電流或零序暫態(tài)電流超過(guò)設(shè)定值Id，F(xiàn)TU可判斷該開關(guān)的后段線路有故障，且主FTU的智能控制器可接受各主、從FTU的信息，根據(jù)收集的信號(hào)判斷故障范圍，從而向故障段兩側(cè)開關(guān)發(fā)跳閘且閉鎖合閘信號(hào)。故障隔離后，主FTU根據(jù)拓?fù)淝闆r判斷是否向聯(lián)絡(luò)開關(guān)發(fā)合閘信號(hào)，并向配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)信號(hào)窗口發(fā)出故障范圍判斷的信息，調(diào)度員據(jù)此可以判斷是否強(qiáng)送變電站開關(guān)。

1.1.1 保護(hù)配置

1.1.1.1 變電站10 kV出線開關(guān)

采用FA模式，變電站內(nèi)保護(hù)配置不變，配置電流速斷和過(guò)流保護(hù)，全線電纜不投重合閘。在接收到配網(wǎng)主站下達(dá)的合閘指令后，可由調(diào)度員進(jìn)行一次人工遙控變電站開關(guān)進(jìn)行送電。

1.1.1.2 環(huán)進(jìn)、環(huán)出和聯(lián)絡(luò)開關(guān)

開關(guān)柜為負(fù)荷開關(guān)，在跳閘線路失電后隔離故障，無(wú)需保護(hù)配置。

1.1.2 智能型開關(guān)柜成套設(shè)備配置

成套設(shè)備由4間隔組成，包括環(huán)進(jìn)和環(huán)出負(fù)荷開關(guān)間隔、手動(dòng)開關(guān)間隔和PT間隔，環(huán)進(jìn)和環(huán)出負(fù)荷開關(guān)間隔配置智能控制器FTU;PT間隔設(shè)置2組單PT，同時(shí)為FTU提供工作電源。

1.1.3 通信網(wǎng)絡(luò)和通信模塊配置

采用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，一臺(tái)FTU配置一塊通信模塊，設(shè)立2個(gè)完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)通信通道，一個(gè)通道作為與配電主站的自動(dòng)化監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸，一個(gè)通道作為智能FTU之間的分布智能FA保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 故障隔離及非故障段恢復(fù)的策略及過(guò)程分析

1.2.1 故障隔離策略

由主FTU綜合各FTU的故障信息，使用分布智能方法定位故障，故障兩側(cè)開關(guān)分閘隔離故障。1）短路故障隔離：主從FTU檢測(cè)穩(wěn)態(tài)故障電流，從FTU將故障信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至主FTU，主FTU根據(jù)拓?fù)溥\(yùn)算分析，將分析的結(jié)果發(fā)送給從FTU，然后從FTU再根據(jù)開關(guān)的分合閘位置及其他相關(guān)條件隔離故障，從FTU將故障隔離后的確認(rèn)信息再上傳至主FTU和配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。2）接地故障隔離：主從FTU檢測(cè)暫態(tài)零序故障電流、零序電壓，從FTU將故障信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至主FTU，主FTU拓?fù)溥\(yùn)算分析，將分析的結(jié)果發(fā)送給從FTU，然后從FTU再根據(jù)其他相關(guān)條件隔離故障。由于消弧線圈接地的10 kV系統(tǒng)發(fā)生接地故障后變電站開關(guān)不會(huì)立即保護(hù)跳閘，因而需要與人工拉線進(jìn)行配合。拉線的快慢可能會(huì)出現(xiàn)以下2種情況。1） 拉到故障線路前故障點(diǎn)兩端的從FTU已直接啟動(dòng)跳閘，實(shí)現(xiàn)隔離，此時(shí)站內(nèi)的線路接地故障告警消失。2）在拉到故障線路后，此時(shí)整條線路處于無(wú)壓無(wú)流狀態(tài)，故障點(diǎn)兩端的從FTU啟動(dòng)跳閘，實(shí)現(xiàn)隔離。

1.2.2 負(fù)荷側(cè)非故障段恢復(fù)供電策略

由聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘恢復(fù)供電。主FTU收到故障兩端從FTU發(fā)送的故障隔離成功的確認(rèn)信息后，將分析的結(jié)果送給聯(lián)絡(luò)開關(guān)LS的FTU，該FTU再根據(jù)自身的其他相關(guān)條件恢復(fù)故障負(fù)荷側(cè)非故障區(qū)段的供電。

1.2.3 電源側(cè)非故障段恢復(fù)供電策略

故障隔離成功信息上傳至配網(wǎng)主站，由配網(wǎng)主站對(duì)CB下達(dá)合閘指令或人工合閘操作，恢復(fù)電源側(cè)非故障段供電。

1.2.4 動(dòng)作過(guò)程分析

典型配網(wǎng)環(huán)網(wǎng)圖，如圖1所示。1）假設(shè)如圖1所示F1發(fā)生故障。2）CB1檢出故障電流后跳閘，K1～K4檢測(cè)到故障電流，K5沒有檢測(cè)到故障電流，主控制器FTU（K1）收到 K1～K5信息后，拓?fù)渌惴ㄅ袛喙收显贙4、K5之間。3）主FTU（K1）向K4、K5發(fā)出分析結(jié)果信息，K4、K5在接收到信息后結(jié)合運(yùn)行狀態(tài)，隔離故障。4）K4、K5把故障隔離信息傳到主FTU。5）主FTU接收到信息后向聯(lián)絡(luò)開關(guān)LS發(fā)出分析結(jié)果信息，LS在接收到命令后結(jié)合運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行合閘，恢復(fù)故障點(diǎn)后段非故障區(qū)供電。變電站出線斷路器CB1由配網(wǎng)主站下達(dá)合閘指令，恢復(fù)電源側(cè)非故障區(qū)域的正常供電。

1.3 該方案特點(diǎn)

FA功能就地實(shí)現(xiàn)故障段的自動(dòng)快速隔離和非故障段的自動(dòng)恢復(fù)。

采用無(wú)線通信方式，通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求不高，即使某個(gè)FTU通信失效，使用相鄰FTU遠(yuǎn)后備保護(hù)也能快速隔離故障;當(dāng)一次開關(guān)設(shè)備故障拒動(dòng)時(shí)，也可使用相鄰開關(guān)遠(yuǎn)后備保護(hù)快速隔離故障。

2 關(guān)鍵問(wèn)題分析

2.1 變電站CB與K1線路故障處理及對(duì)CB的控制操作問(wèn)題

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站出線斷路器CB和CB之后的線路第1臺(tái)開關(guān)K1之間的故障進(jìn)行快速隔離，需要通過(guò)配網(wǎng)主站獲取CB的開關(guān)狀態(tài)及CB的保護(hù)動(dòng)作信息。目前采用新增一臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的方式，與配網(wǎng)主站III區(qū)相連，獲取自動(dòng)化線路的CB信息。

對(duì)電源側(cè)非故障段的恢復(fù)供電涉及對(duì)變電站CB的控制操作問(wèn)題。線路故障隔離成功后，配網(wǎng)主站接收到故障已被成功隔離的信息，可由配網(wǎng)主站對(duì)CB下達(dá)合閘指令或現(xiàn)場(chǎng)人工合閘操作。

2.2 遠(yuǎn)后備保護(hù)問(wèn)題

當(dāng)故障區(qū)段兩側(cè)開關(guān)通信模塊或一二次設(shè)備異常時(shí)，由相鄰的分段開關(guān)作為遠(yuǎn)后備保護(hù)。

2.3 如何利用零序暫態(tài)電流的分析方法判斷單相接地時(shí)的故障范圍

2.3.1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈零序穩(wěn)態(tài)電流分析

變電站的消弧線圈普遍采用過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞剑鹘?jīng)故障線路的零序電流將大于本身的電容電流，而電容性無(wú)功功率的實(shí)際方向仍然是由母線流向線路，和非故障線路的方向一樣，因此，首先無(wú)法利用功率方向的差別來(lái)判別故障線路，其次一般過(guò)補(bǔ)償?shù)娜萘坎淮?，也很難像中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)那樣，利用零序電流的大小的不同來(lái)找出故障線路。

2.3.2 分析中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈零序暫態(tài)電流分析

由于電網(wǎng)中絕緣被擊穿引起的單相接地故障，經(jīng)常發(fā)生在電壓接近最大值的瞬間。因此，可以將暫態(tài)電容電流看成是以下2個(gè)電流之和（如圖2所示）。1）由于故障相電壓突然降低而引起的放電電容電流，此電流在圖1中以“箭頭+橫線”表示，它通過(guò)母線而流向故障點(diǎn)，放電電流衰減很快，其振蕩頻率高達(dá)數(shù)千Hz，頻率主要決定于線路的參數(shù)（電阻R和電抗L的數(shù)值）、故障點(diǎn)的位置以及過(guò)渡電阻的數(shù)值。2）由非故障相電壓突然升高而引起的充電電容電流，在圖2中以“箭頭”表示，它要通過(guò)電源而成回路。由于整個(gè)流通回路的電感較大，充電電流的衰減較慢，振蕩的頻率也較低（一般僅為數(shù)百Hz）。

經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)，由于暫態(tài)電感電流的最大值應(yīng)出現(xiàn)在接地故障發(fā)生在相電壓經(jīng)過(guò)零值的瞬間，而當(dāng)故障發(fā)生在相電壓接近最大值的瞬間時(shí)，IL約等于0，因此暫態(tài)電容電流比暫態(tài)電感電流大很多。在過(guò)渡過(guò)程中，零序暫態(tài)電流比零序穩(wěn)態(tài)電流大幾倍到幾十倍。因此，可以根據(jù)零序暫態(tài)電流的波形和數(shù)值的大小來(lái)判斷故障段。

當(dāng)然，如果故障是發(fā)生在電壓瞬時(shí)值為零的附近時(shí)（例如野蠻施工外界機(jī)械的原因而引起的單相接地），則電容電流的暫態(tài)分量很小，此種情況下就很難通過(guò)裝置判斷故障范圍，但是電纜已有明顯故障點(diǎn)，較容易通過(guò)巡線判斷故障點(diǎn)。

3 在調(diào)度運(yùn)行中的應(yīng)用

當(dāng)裝有A的全線電纜線路發(fā)生短路故障跳閘后，由FA判斷故障范圍，并將信號(hào)上送至配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)窗口中，調(diào)度員可根據(jù)故障范圍信號(hào)作出相應(yīng)的判斷是否合上變電站開關(guān)，如故障點(diǎn)不在變電站出線電纜上，可待檢查變電站一二次設(shè)備正常后，遙控合上變電站開關(guān)[2]。最后，通知維護(hù)單位人員檢查處理故障且巡視故障點(diǎn)線路段范圍之外的前段和后段線路的恢復(fù)供電情況。

FA的全線電纜線路單相接地故障后，調(diào)度員無(wú)需急于斷開故障線路開關(guān)，讓FA判斷故障范圍并隔離，并實(shí)現(xiàn)非故障段的恢復(fù)供電。最后，通知維護(hù)單位人員檢查處理故障且巡視故障點(diǎn)線路段范圍之外的前段和后段線路的恢復(fù)供電情況。

4 結(jié)語(yǔ)

分布智能型FA投運(yùn)，縮短了中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的10 kV系統(tǒng)中全線電纜線路的故障處理時(shí)間，從而提高了配網(wǎng)的供電可靠性，是一種極具前途的饋線自動(dòng)化裝置。

參考文獻(xiàn)

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