基于暫態(tài)零序電流法的站內電纜監(jiān)測系統(tǒng)及驗證試驗

倪輝，田祿，李奇超，牛勃

(國網寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011)

XLPE電力電纜由于絕緣性能好、占地面積小和維護方便等優(yōu)點，已被廣泛應用于發(fā)、輸、配電系統(tǒng)中，其中變電站內的電力電纜主要設置在10～35 kV出線以及連接站用變壓器、電容器、電抗器等[1]。近幾年，由于電纜故障導致失火甚至變電站全停事件時有發(fā)生[2]，監(jiān)測站內電纜線路并在故障初期及時反饋運維人員顯得尤為重要。國內在電纜監(jiān)測方面有溫度監(jiān)測[3-4]、護層電流監(jiān)測[5-6]、電纜溝內環(huán)境監(jiān)測[7]和局部放電監(jiān)測[8-9]等，但其主要被應用于中、高壓電纜及重要配網電纜線路中，結合變電站內特點對電纜進行監(jiān)測還鮮有研究應用[10-11]；因此，本文針對站內電纜單相接地或短路故障，采用廣域同步的方式，對站內電纜線路暫態(tài)零序電流進行監(jiān)測，并采用模擬試驗對電纜線路監(jiān)測系統(tǒng)進行了驗證。

1 基于暫態(tài)零序電流法的電纜監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)原理

電網正常運行時，PT二次側輸出的三相電壓正常，零序電壓值幾乎為零，零序電流波形也幾乎為零。電網出現單相接地故障時，非故障相電壓上升，故障相電壓下降，零序電壓增大；零序電流波形發(fā)生變化，監(jiān)測系統(tǒng)對比三相電壓波形相位及幅值等數據，判定線路發(fā)生了單相接地故障，并通過對各相電壓、電流的計算分析，判斷出接地故障的相別，同時向遠程終端實時推送故障報警信息，以便通知人員及時處理電網故障。

其判斷原理如圖1所示，當零序電壓觸及閾值后，會啟動故障判斷，并根據接入線路采集電流計算各線路上零序電流大小和方向。故障線路暫態(tài)零序電流幅值最大，方向由線路流向母線，非故障線路暫態(tài)零序電流由母線流向線路，以此對故障類型及位置進行判斷[12]。

該系統(tǒng)能正確有效地監(jiān)測出電纜線路故障的關鍵是采用暫態(tài)零序電流法，因為接地故障產生的暫態(tài)零序電流幅值遠大于穩(wěn)態(tài)值，且初始的暫態(tài)零序電流不受消弧線圈等設備的影響。為滿足獲得高質量且可靠的暫態(tài)零序電流波形，系統(tǒng)的采樣精度與頻率需要足夠高。

圖1 電纜在線監(jiān)測裝置故障判斷原理

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)組成

某330 kV變電站內有8條35 kV電纜線路(2段母線)，分別連接4臺電容器、2臺電抗器和2臺站用變，對該電纜線路進行監(jiān)測將可保證變電站安全運行。在該站35 kV電纜裝設基于暫態(tài)零序電流法的電纜監(jiān)測系統(tǒng)，其由遠程終端、電流傳感器、電壓傳感器和廣域同步單元組成，對電纜線路的三相電壓和零序電流進行實時監(jiān)測。

由于站內電纜線路短，零序電流微弱(穩(wěn)態(tài)0.5 A)，監(jiān)測系統(tǒng)使用開口式零磁通小電流傳感器測量每條電纜出現的零序電流，如圖2所示，測量范圍為1 mA～5 A。其特點為采用有源零磁通技術，有效提高了小電流傳感器的檢測精度(±0.01%)，除了選用起始導磁率較高、損耗較小的特殊合金作鐵心外，還借助電子信號處理技術對鐵心內部的激磁磁勢進行全自動的跟蹤補償，保持鐵心工作在接近理想的零磁通狀態(tài)。

圖2 35 kV電纜線路監(jiān)測裝置傳感器布置

本系統(tǒng)的零序電流是由分別安裝于三相線路的采集單元錄波數據合成，如果三個采集單元之間的時間同步誤差較大，則會導致合成的零序電流誤差大于實際零序電流，必將導致故障選線和定位錯誤；為此，系統(tǒng)采用高精度廣域同步單元，同步精度達到1 μs，達到監(jiān)測需要。

現場在發(fā)生故障時，初始零序電流持續(xù)時間很短，小于300 μs，為保證捕獲完整的初始暫態(tài)波形，則需要較高的采樣頻率，因此系統(tǒng)采樣頻率選用12.8 kHz；此外，系統(tǒng)采樣單元采用16 bits位寬的AD采樣芯片，相較于常規(guī)的12 bits采樣位寬，大幅提高了采樣準確性，同步擴大了測量范圍。

2 驗證試驗

為驗證該330 kV變電站35 kV電纜線路監(jiān)測系統(tǒng)的各項性能，在監(jiān)測系統(tǒng)裝設完畢后，進行單相失壓模擬試驗和現場人工單相接地試驗。

2.1 單相失壓模擬試驗

2.1.1 試驗步驟

試驗通過繼電保護測試儀模擬單相失壓情況。在35 kV電纜線路監(jiān)測裝置端子箱Ⅱ處去掉由保護屏柜接入的UN以及IA、IB、IC，將繼電保護測試儀的輸出電壓、電流對應信號接入端子箱，如圖3所示，并通過以下試驗步驟進行：

(1)在電纜線路監(jiān)測裝置停機狀態(tài)下，拆下由控制屏柜取來的電壓、電流輸入信號線，接入繼電保護測試儀輸出信號線，電流接入選取3號電容器出線。接線完成，確認相序及信號接入位置是否正確。

(2)啟動繼電保護測試儀，并設置輸出電壓與電流信號，模擬保護屏柜運行狀態(tài)下的輸出信號，開啟電纜線路監(jiān)測裝置。

圖3 電纜在線監(jiān)測裝置現場試驗接線

(3)調整繼電保護測試儀輸出信號，使其零序電壓輸出大于電纜在線監(jiān)測裝置保護啟動值(缺省值為15 V，現場進行調整)，調整繼電保護測試儀電流輸出信號，拆除3號電容器A相電流輸入。核對判別單元判定系統(tǒng)發(fā)生故障的類型，以及是否同時向遠程終端實時推送故障報警信息(故障時間、故障線、故障相、故障區(qū)段及斷線類故障的及時告警)。

2.1.2 試驗數據和分析

試驗通過調整繼電保護測試儀輸出信號，模擬故障零序電壓使其輸出大于電纜在線監(jiān)測裝置保護啟動值(缺省值為15 V，本次試驗為20 V)，調整繼電保護測試儀電流輸出信號模擬故障零序電流(本次為1 A)。報警信息(故障時間、故障線、故障相、故障區(qū)段及斷線類故障)正確，如圖4所示。各條出線的零序電壓、電流錄波如圖5、圖6所示，313線零序電流為繼電保護測試儀電流輸出信號，其它線路未監(jiān)測到異常模擬信號。

圖4 系統(tǒng)故障判斷結果

圖5 零序電壓錄波波形

圖6 各條出線的零序電流錄波波形

2.2 單相接地試驗

2.2.1 試驗步驟

為獲得真實故障時產生的暫態(tài)零序電流以及比對監(jiān)測系統(tǒng)測量的正確性，需進行現場人工單相接地試驗，接線如圖7所示，斷路器采用快速接地開關。試驗時，將斷路器進線側與被試線路待接地相可靠連接，出線側經測量CT可靠接地，接線過程中斷路器始終保持在“分”位。將暫態(tài)參數記錄儀電流通道串入測量CT回路，并選用合適檔位；同時將電纜線路監(jiān)測裝置所測三相電流以及零序電壓串入暫態(tài)參數記錄儀[13]。

圖7 接地試驗接線

試驗步驟如下：

(1)試驗前檢查被試側斷路器外觀、狀態(tài)、例行試驗報告、檢修記錄，確保設備狀態(tài)正常；

(2)在停電狀態(tài)下，對電纜進行絕緣電阻測試；檢查完畢，進行試驗接線；

(3)對被試側斷路器保護裝置進行檢查，核對其整定值并檢查保護裝置定檢報告；

(4)接線檢查無誤后，由運行人員送電；

(5)接地試驗開始，合上快速接地開關，由暫態(tài)參數記錄儀記錄波形。核對判別單元判定系統(tǒng)發(fā)生故障類型以及是否同時向遠程終端實時推送故障報警信息(故障時間、故障線、故障相、故障區(qū)段及斷線類故障的及時告警)。

2.2.2 試驗數據及分析

試驗驗證313線(3號電容器)A相單相接地情況，接地時間為3.6 s。

試驗用錄波儀在母線PT柜處錄波如圖8所示。當接地發(fā)生，A相電壓跌落至1.196 kV，B相電壓升至32.465 kV， C相電壓升至32.803 kV，零序電壓升至31.281 kV。

圖8 單相接地試驗母線PT柜處錄波

合成零序電流波形如圖9所示，在接地時有4簇較大脈沖，峰值分別為25.6 A、25.6 A、12.0 A、20.8 A，穩(wěn)定后合成零序電流有效值為2.83 A。

圖9 合成零序電流錄波

接地點電流如圖10所示，接地點瞬時沖擊電流峰值可達491.28 A，接地的穩(wěn)態(tài)接地電流(電容電流)有效值為0.99 A。

圖10 單相接地試驗接地點電流錄波

監(jiān)測裝置在A相發(fā)生接地告警如圖11所示，報警信息(故障時間、故障線、故障相、故障區(qū)段及斷線類故障)正確。

圖11 系統(tǒng)故障判斷結果

監(jiān)測裝置和試驗裝置錄波的零序電壓對比如圖12，接地故障開始階段與結束階段波形形狀基本一致。

(a)監(jiān)測裝置錄波波前

(b)試驗裝置錄波波前

(c)監(jiān)測裝置錄波波尾

(d)試驗裝置錄波波尾

監(jiān)測裝置對各條出線的零序電流錄波如圖13所示，313線暫態(tài)零序電流方向與其它線路零序電流反向，且313線零序電流數值較大(約2.5 A)。

圖13 監(jiān)測裝置各條出線的零序電流錄波波形

2.3 試驗結果

根據35 kV電纜線路監(jiān)測系統(tǒng)的單相失壓模擬試驗和人工單相接地試驗結果，比對監(jiān)測系統(tǒng)裝置和試驗儀器所采電壓、電流波形，確定該監(jiān)測系統(tǒng)所采集的暫態(tài)零序電流滿足精度要求，功能正常，單相接地情況下能提供及時正確的故障報警信息(故障時間、故障線、故障相、故障區(qū)段及斷線類故障)。

3 推廣措施及建議

(1)由于零序電流微弱，采集三相電流應配備具有足夠精度(±0.01%)的電流互感器；

(2)為保證合成的零序電流的準確，電流的采樣單元應具有較高的同步精度(1 μs)；

(3)為保證捕獲完整的初始暫態(tài)波形，監(jiān)測系統(tǒng)應具有較高的采樣頻率和采樣位寬；

(4)監(jiān)測系統(tǒng)的安裝需無破壞性，不會造成電纜及其他器件外破損壞等情況發(fā)生；

(5)監(jiān)測系統(tǒng)安裝后應進行相關驗證試驗，以保證系統(tǒng)正常運行。

4 結 論

以某330 kV變電站內電纜監(jiān)測需要為例，設計了一套結合暫態(tài)零序電流法和廣域同步的電纜監(jiān)測系統(tǒng)，并通過單相失壓模擬試驗和人工單相接地試驗驗證此系統(tǒng)，試驗結果表明，該系統(tǒng)可以準確地采集電纜線路故障發(fā)生時的暫態(tài)零序電流，并能及時將故障報警信息上報運維人員，保證變電站安全穩(wěn)定運行。