配網(wǎng)典型故障案例分析

韓永江 張國(guó)清 殷志江 舒 來 唐 鋒 淡漢民

(智聯(lián)新能電力科技有限公司)

0 引言

近年來, 國(guó)網(wǎng)公司范圍內(nèi)已發(fā)生多起因配網(wǎng)線路故障造成設(shè)備損壞、大面積停電甚至火災(zāi)事故[1-4]。隨著國(guó)家振興工業(yè)基地政策導(dǎo)向和我省各城市發(fā)展建設(shè), 全省配網(wǎng)電纜線路以10%的速度在持續(xù)增長(zhǎng),由于地下電力通道空間的限制, 大量電纜線路敷設(shè)在同一通道內(nèi), 如發(fā)生單條電纜接地故障長(zhǎng)時(shí)間無法消除, 高溫接地電弧極易引發(fā)電纜通道火災(zāi)事故[5-8]。因此, 迫切需要對(duì)配網(wǎng)線路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷分析,并在發(fā)生單相接地故障時(shí)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確選線跳閘, 降低大面積停電和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[9-10]。

目前, 有行波傳輸由于不受故障類型的影響, 定位精度高, 在輸電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛, 但受制于配電網(wǎng)的接地方式影響, 行波在配電網(wǎng)故障定位中的應(yīng)用還需進(jìn)一步論證。文獻(xiàn)[11] 分析了配電網(wǎng)的行波傳輸特性; 文獻(xiàn)[12] 分析了配電網(wǎng)經(jīng)消弧線圈接地時(shí),各節(jié)點(diǎn)零序電流的特征規(guī)律, 并給出一種零模行波選線的方法; 文獻(xiàn)[13] 針對(duì)配電網(wǎng)行波波頭緩的特征, 改進(jìn)了小波變換提取行波波頭的方法。

本文分析了行波在配電網(wǎng)的產(chǎn)生及傳輸過程, 推導(dǎo)了配電網(wǎng)故障的行波定位公式, 結(jié)合工程實(shí)際案例, 分析了各類配電網(wǎng)故障下的行波分析方法。

1 行波定位原理

1.1 行波傳輸特性分析

當(dāng)配網(wǎng)線路某點(diǎn)發(fā)生故障時(shí), 如圖1 (a) 所示,故障點(diǎn)處電勢(shì)發(fā)生了較大的變化。此時(shí)利用疊加定理, 故障點(diǎn)處相當(dāng)于故障前電勢(shì)與故障后新增電勢(shì)的疊加, 如圖1 (c) 所示。線路狀態(tài)可分解為健全狀態(tài)和故障狀態(tài), 健全狀態(tài)如圖1 (b) 所示, 此時(shí)線路無行波特征, 而故障狀態(tài)時(shí), 故障點(diǎn)相當(dāng)于疊加一個(gè)負(fù)電源, 該電源會(huì)向故障點(diǎn)兩端傳輸行波, 如圖1(d) 所示。

1.2 單元式行波定位方法

(1) 單端行波定位法

單端行波定位法主要是利用在線路一端檢測(cè)到的故障初始行波到達(dá)時(shí)刻和后續(xù)反射波到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行故障點(diǎn)定位。當(dāng)后續(xù)反射波來自故障點(diǎn)時(shí), 如圖2 (a)所示,m端捕捉到的故障初始行波和故障點(diǎn)的反射波到達(dá)m端測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻分別為tm1和tm2時(shí), 可得故障距離ldm的計(jì)算式(1)。

圖2 單端行波法故障定位示意圖

式中,ldm表示故障點(diǎn)d距m端的線路長(zhǎng)度,υ表示故障行波波速。

當(dāng)后續(xù)反射波來自對(duì)端母線時(shí), 如圖2 (b) 所示,m端檢測(cè)到的故障初始行波和對(duì)端母線的反射波到達(dá)m端測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻分別為tm1和tm2時(shí), 經(jīng)推導(dǎo)可得到故障距離ldm的計(jì)算式(2)。

式中,l為線路長(zhǎng)度。

單端行波法的關(guān)鍵是識(shí)別出反射波, 且判斷出反射波是來自故障點(diǎn)還是來自對(duì)端母線。

(2) 雙端行波定位法

雙端行波定位法利用故障初始行波到達(dá)線路兩端的時(shí)刻定位故障位置。如圖3 所示, 當(dāng)在線路兩端檢測(cè)到的故障初始行波到達(dá)時(shí)刻分別為tm和tn時(shí), 經(jīng)推導(dǎo)可得雙端行波法的故障測(cè)距公式為(3)。

圖3 雙端行波法故障定位示意圖

式中,ldm代表故障點(diǎn)d距離m端的距離,l代表線路長(zhǎng)度,tm和tn分別代表行波到達(dá)m端和n端的時(shí)刻。

2 故障案例分析

2.1 單相接地故障

(1) 故障波形分析

2023 年07 月03 日17 時(shí)09 分46 秒在某10kV 配電線路上檢測(cè)到波形異常預(yù)警情況, 該10kV 配電線路全線如圖4, 工頻電壓波形出現(xiàn)A 相顯著下降, B、C 相顯著上升特征, 如圖5, 工頻電流出現(xiàn)干擾, 但基本不變, 如圖6 所示, 滿足配電網(wǎng)高阻接地故障特征。

圖3 單相接地故障線路結(jié)構(gòu)

圖4 工頻電壓波形

圖6 環(huán)圩西路30 號(hào)桿塔行波波形

(2) 故障區(qū)間判斷

如圖6、圖7 所示, 根據(jù)行波極性判斷故障區(qū)間:環(huán)圩西路30 號(hào)桿塔, 環(huán)圩西路80 號(hào)桿塔行波極性相反, 判斷故障點(diǎn)在環(huán)圩西路30 號(hào)桿塔到環(huán)圩西路80號(hào)桿塔之間。

圖7 環(huán)圩西路80 號(hào)桿塔行波波形

(3) 行波結(jié)果判斷

選擇距離故障點(diǎn)最近的兩套設(shè)備為環(huán)圩西路30號(hào)桿塔與環(huán)圩西路80 號(hào)桿塔, 通過采用故障時(shí)刻采集到的行波到達(dá)兩個(gè)最近采集設(shè)備的時(shí)間差進(jìn)行故障點(diǎn)的精確定位。選取故障時(shí)刻行波到環(huán)圩西路30 號(hào)桿塔的時(shí)刻為tm, 第一次到達(dá)環(huán)圩西路80 號(hào)桿塔的時(shí)刻為tn,l為環(huán)圩西路30 號(hào)桿塔與環(huán)圩西路80 號(hào)桿塔之間的距離。v為行波波速近似與光速290m/μs, 帶入式(3), 通過計(jì)算得出故障點(diǎn)在重慶路變20 線環(huán)圩西路67 號(hào)桿塔。

2.2 短路故障

(1) 故障波形分析

2023 年07 月02 日06 時(shí)14 分03 秒在某10kV 配電線路上檢測(cè)到波形異常預(yù)警情況, 該10kV 配電線路全線如圖8, 該10kV 線路主線3A 號(hào)桿塔處檢測(cè)到B、C 相電流顯著上升, 且方向完全相反, 并在持續(xù)0.25s 后線路跳閘, 如圖9 所示, 滿足配電網(wǎng)BC 相短路故障特征。

圖8 短路故障線路結(jié)構(gòu)

圖9 工頻電流波形

(2) 故障區(qū)間判斷

如圖10、圖11 所示, 根據(jù)行波極性判斷故障區(qū)間: 主線3A 號(hào)桿塔, 主線25 號(hào)桿塔行波極性相反,判斷故障點(diǎn)在主線3A 號(hào)桿塔到主線25 號(hào)桿塔之間。

圖10 主線3A 號(hào)桿塔行波波形

圖11 主線25 號(hào)桿塔行波波形

(3) 行波結(jié)果判斷

選擇距離故障點(diǎn)最近的兩套設(shè)備為主線3A 號(hào)桿塔與主線25 號(hào)桿塔, 通過采用故障時(shí)刻采集到的行波到達(dá)兩個(gè)最近采集設(shè)備的時(shí)間差進(jìn)行故障點(diǎn)的精確定位。選取故障時(shí)刻行波到主線3A 號(hào)桿塔的時(shí)刻為tm, 第一次到達(dá)主線25 號(hào)桿塔的時(shí)刻為tn,l為主線3A 號(hào)桿塔與主線25 號(hào)桿塔之間的距離。v為行波波速近似與光速290m/μs, 帶入式(3), 通過計(jì)算得出故障點(diǎn)在主線18 號(hào)桿塔。

3 結(jié)束語

近年來, 國(guó)網(wǎng)公司范圍內(nèi)已發(fā)生多起因配網(wǎng)線路故障造成設(shè)備損壞、大面積停電甚至火災(zāi)事故, 迫切需要對(duì)配網(wǎng)線路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷分析, 并在發(fā)生單相接地故障時(shí)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確選線跳閘。本文針對(duì)配電網(wǎng)的特點(diǎn), 分析了故障行波在配網(wǎng)線路的傳輸特性, 推導(dǎo)了行波定位方法。通過工程上單相接地故障和短路故障案例, 分析了故障時(shí)工頻電壓電流的變化特征, 并結(jié)合行波極性和行波波頭, 實(shí)現(xiàn)故障區(qū)間與故障點(diǎn)位的準(zhǔn)確判別。