10 kV 電纜故障指示器整定研究及應用

蘇浩益，吳小勇，萬亦農

( 國網湖南省電力公司湘潭供電分公司，湖南 湘潭411104)

配電網位于電力系統的最末端，直接與電力用戶相連接，是電力系統安全、穩定、優質、經濟運行的核心組成部分。隨著智能電網建設的開展，電力企業開展了大規模的配電網改造工程，配電自動化作為提高系統供電可靠性和電能質量、擴大配電網絡供電能力、實現系統高效經濟穩定運行的重要手段，為電力工業帶來了新的機遇和內涵。

湘潭電網現有電纜故障指示器的整定模式是固定的，只有某一個特定的電流值可選，受電流波動、勵磁涌流、高次諧波、分布電容以及電磁干擾的影響，存在動作準確度不高的問題。目前市場上出現了自適應電流整定、固定階梯型整定的故障指示器，即當所在線路的負荷電流增大時，故障指示器的整定值也隨之變化，借助交流濾波器等硬件裝置，通過校驗相角值達到躲避勵磁涌流的目的，并通過檢驗波形的衰減來消除高次諧波的影響。隨著高級傳感技術和信息通信技術的發展，以電流值、電壓值突變量以及故障信號編碼為故障判據的整定原則也取得較好的效果。對于某具體的電網，只有應用適合電網自身的電纜故障指示器整定原則才能夠最大最好地發揮出故障指示器的作用。文章結合湘潭供電分公司10 kV 配電網的特點，制定出相應的故障指示器動作邏輯和整定值，在此基礎上提出一種新的故障快速查找方法。

1 10 kV 配電網接地系統的特點

湘潭供電分公司10 kV 配電網電纜線路的故障類型主要包括短路故障、接地故障以及斷線故障。對其特征歸納如下:

1)單相接地故障短路電流在600 ～1 500 A 范圍內變化，兩相接地故障短路電流在3 000 ～7 000 A 范圍內變化，并且接地故障時故障相電壓下降一般在50%以上;

2)在重合閘或者正常合閘時沖擊電流較大，最大可達1 500 A，沖擊電流的大小取決于合閘時電源電壓的幅值和相角，線路的波阻抗以及變壓器的勵磁涌流等。沖擊電流與穩態電流的比值在3～9范圍內;

3)在重合閘或者正常合閘時，暫態電流一般在合閘后1 個周波后達到最大值，然后迅速衰減，經過5 個周波后，沖擊電流衰減幅度在40% ～70%，這時電流最大也在500 A 以下;

4)負荷隨時間、季節的變化而波動，電力用戶側的負荷類型多樣。

2 故障指示器整定分析

故障指示器主要包括檢測電路、邏輯分析電路、信號觸發電路、通信傳輸電路、電源電路等模塊，通過將檢測到的上電、斷電、接地、短路等信號通過無線射頻方式傳送到信號傳輸終端，最后驅動故障指示器的顯示部分〔1-4〕。

考慮到湘潭電網負荷的時變性和多樣性，結合10 kV 電纜線路整定原則，選取階梯型整定原則以保證故障指示器整定的靈活性和可靠性。同時考慮一定的整定裕度，設置動作電流整定值為2 倍最大負荷電流值。當負荷電流在10 ～30 A 之間時，動作電流整定值設為60 A;當負荷電流在30 ～60 A時，動作電流整定值設為120 A;以此類推，當負荷電流在350～400 A 時，動作電流整定值設為800 A。動作電流值隨系統負荷電流的變化而階梯型動態調整。最后，得出電纜故障指示器整定邏輯圖如圖1 所示。

圖1 整定邏輯圖

3 故障指示器的應用

3.1 安裝故障指示器

在安裝電纜故障指示器時，短路傳感器必須安裝在電纜的單相分支上并進行緊固，防止移動造成滑落，指示器應便于觀察，不能傾斜。指示器傾斜時動作部位轉動困難，使得指示器不能正確動作，或者是當故障消除以后，指示器不能夠自動復位，導致誤判斷。在架空電纜線路混合系統，故障指示器應安裝在桿塔的電源側，而不要安裝在桿塔的負荷側，以便桿塔上的設備發生故障時，該指示器也可以準確指示。安裝接地傳感器時，應將電纜的3根導線包圍起來，電纜的接地線必須回穿傳感器并緊固，防止滑動。同時故障指示器安裝時必須裝設于電纜屏蔽層接地內側，防止電纜發生單相絕緣擊穿通過屏蔽層接地時，故障指示器不能夠正確動作。

對于故障指示器的裝設位置的確定，在便于運行維護的前提條件下，可以遵循如下原則:

1)變電所的線路出口處，能夠判定線路和變電所內部的故障。

2)長距離電纜線路的中上段、中段及中下段。

3)如果電纜分支線較長，可在分支線路的1/2 處裝設1 組。

4)電纜線路與架空線路的連接處，能夠判斷故障是否發生在電纜部分。

5)用戶配變的高壓進線處，能夠判斷故障是否由用戶造成。

3.2 使用和維護故障指示器

故障指示器安裝完以后，可以根據現場實際安裝情況畫出指示器安裝示意圖并建檔保存，當系統出現接地或短路故障時，依圖紙尋找故障位置。當線路出現接地故障時，線路運行人員首先應該根據調度員的通知并確定是哪一相接地、接地相與其他兩相的對地電壓值，然后再進行判斷。

當系統出現單相接地故障時，接地相的對地電壓值會下降，系統的電氣中性點要產生位移，另外兩相的對地電壓值會升高。若接地相的對地電壓值為0，那么另兩相的對地電壓值會從相電壓變到線電壓。若另兩相的對地電壓不升高，則是變電站的電壓互感器保險故障，而不是線路出現了接地故障。

為了保證故障指示器可以正常動作，每年在進行季節性清掃和線路檢修時，應該對故障指示器進行清掃。如果發現故障指示器拒動或者是誤動作時，應該及時組織相關人員進行分析，找出原因并進行調整。

3.3 基于二分法的故障定位〔5-8〕

結合電纜故障查找的實際特點，提出一種基于二分法的電纜故障快速查找方法。具體是:故障查找的總原則為先主干線路，后分支線路。對經檢查沒有發現故障的電纜線路，先斷開分支電纜線路后，采取試送電的方式逐段恢復主干線路的供電，然后再逐級查找并恢復沒有出現故障的其它線路。在系統發生故障時，根據故障特點，初步判斷故障區段，運行人員不要盲目的巡查，而是有針對性地先到故障區段的中點位置，如果該位置的指示器已動作，說明該點有故障電流，故障點應該在該安裝點的下游。此時運行人員以該點為起點原定故障區段的終點為終點，再到新故障區段的中點位置進行查找;如果該位置的指示器沒有動作，說明該點無故障電流，故障點應該在該安裝點的上游。此時運行人員以該點為終點原定故障區段的起點為起點，再到新故障區段的中點位置進行查找，以此類推。

當故障點被確定以后，即認為只要對故障點進行搶修，就可以恢復電纜線路的供電，而中止對其它線路的巡查，是非常錯誤的。因為當電纜線路發生故障時，故障電流要流經故障點上面的線路，從而對線路的薄弱環節，如電纜中間接頭、終端頭等，會造成沖擊而誘發故障，所以還應該對故障電流通過的其它所有線路進行全面認真的巡查。

4 仿真分析

運用ATP 和MATLAB 軟件進行仿真分析，仿真分析電路如圖2 所示。其中:線路1、線路3 的長度為25 km，線路2 為18 km，金屬接地故障點設置在3 號線路距首端15 km 處。假設故障類型和故障位置已經確定，在此基礎上對故障線路進行仿真分析。零序電流測量點分別設置在線路3 的首端、接地故障點前、接地故障點后、線路3 的末端。結合湘潭電網某區域10 kV 配電系統典型故障參數，各輸入判據量設定值為:故障電流I=2Iload(負荷電流)，電流突變量為55 A/30 ms，時間量t1為1 s，時間量t2為0.6 s，檢測點1，2，3，4 接地電流整定值分別為1.5 A，3 A，3 A，1.8 A。電纜模型為10 kV 三相交聯聚乙烯銅芯電纜。

圖2 ATP-MATLAB 仿真電路

采集數據后進行處理，通過MATLAB 軟件畫出各個檢測點的零序電流波形圖，如圖3 所示。由圖3 可知，檢測點4 的零序電流小于檢測點3 的零序電流，檢測點1 的零序電流小于檢測點2 的零序電流。

圖3 零序電流波形圖

圖3中曲線1 是檢測點3 的零序電流波形圖，曲線2 是檢測點4 的零序電流波形圖，曲線3 是檢測點2 的零序電流波形圖，曲線4 是檢測點1 的零序電流波形圖。

將各檢測點的整定值以及零序電流大小統計在表1 中，并判斷出故障指示器的動作情況。根據仿真分析結果可知:檢測點1 的零序電流大于整定值，說明故障位置在檢測點1 的下游，故障指示器動作;檢測點2 測得的零序電流值大于該點的整定值，說明故障位置在檢測點2 的下游，故障指示器動作;檢測點3 測得的零序電流值小于該點的整定值，說明故障位置在檢測點3 的上游，故障指示器不動作;檢測點4 測得的零序電流值小于該點的整定值，說明故障位置在檢測點4 的上游，故障指示器不動作;綜合分析可知，故障區段是檢測點2 和檢測點3 之間的電纜線路。

表1 檢測點結果分析

5 結論

結合湘潭電網的具體情況，對于電纜故障指示器的故障電流基于階梯型整定原則進行自適應的選取。結合短路故障和接地故障的特點，設計的一種電纜故障判斷邏輯，通過仿真分析驗證該設計的正確性和可行性。總結電纜故障指示器的安裝注意事項，運行維護和使用過程中的經驗，提出一種基于二分法數學原理的電纜故障查找方法。隨著分布式電源大量地接入配電網，系統的電氣特性將發生變化，比如系統的潮流將不再是傳統的單向流動，故障指示器如何適應這些變化，使其發揮更大的作用是下一步的研究重點。

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