基于行波原理的10 kV電纜網絡分布式故障定位方案

張維進，魏洪文，張立斌

(1.勝利石油管理局有限公司電力分公司, 山東 東營 257000; 2．山東博鴻電氣股份有限公司, 山東 淄博 255049)

電纜線路具有供電可靠性高、安全性好、不占地面空間等優勢，在城市10 kV壓配電網中應用越來越廣泛[1]。但電纜線路發生故障后，現有的配網自動化系統、故障指示器等設備僅能給出故障區段，具體故障位置查找仍需要停電后采用離線式行波測距與定位設備[2-5]，不僅花費大量的人力物力，還延緩了故障查找與修復時間。因此，如何快速準確地確定故障點位置是亟待解決的問題。

近年來國內外學者針對如何實現線路故障準確定位做了大量研究。張啟亮等[6]根據故障線路中的故障電流和非故障線路中的高頻暫態零序電流為非對稱信號，實現10 kV電纜小電流系統故障定位。李衛國等[7]提出一種基于離散正交S變換暫態零序電流能量相似度的故障定位方法，判斷線路區間兩端檢測點的能量相似度是否小于設定的閾值故障區間，如果小于閾值即為故障區間。顧晨杰等[8]提出利用不對稱故障時的負序電壓大小排序進行配電網的光伏電站的故障定位，負序電流由故障點流向外部電網引起的負序電壓在各個節點發生變化，找出負序電壓最大值即實現故障定位。但是，目前城市電纜網絡多為環網柜結構，分支線數量多、故障初始行波衰減嚴重、折反射規律復雜，利用上述文獻所提出的測距方法原理復雜，且在某些情況下對提取的電壓、電流信號處理結果并不理想，導致測距失敗。

針對上述難題，本文提出了基于行波原理的10 kV電纜網絡分布式故障定位方案，即在變電站母線、環網柜母線與主要線路末端分別安裝行波測距裝置，利用測距裝置直接獲取故障行波信號時間差進行測距定位。根據該理論研發的裝置已在多處現場投入應用，并取得良好效果。

1 行波在環網柜母線及分支線路末端的折反射規律

1.1 行波在環網柜母線上的折反射規律

行波在波阻抗不連續處會發生反射和折射。典型環網柜等值電路如圖1所示，一般包括2條進線和n條出線，其中，a、b、1、2，…，n為行波信號檢測點，f為故障點。

圖1 典型環網柜結構及行波信號的折反射

設環網柜所有進線和出線電纜波阻抗均為Z，uef為初始電壓行波，電流參考方向均由環網柜母線指向線路，如圖1中虛線所示。任何一條線路的電壓行波u和電流行波i(i=-u/Z)到達環網柜母線時，經歷折反射后，入射線路電壓行波ur和所有折射線路的電壓行波uz均相同，即

(1)

而入射線路電流行波ir和各條折射線路的電流行波iz則不再相同，

(2)

即任何一對電壓行波與電流行波到達環網柜母線時，入射線路電壓行波幅值降低、電流行波增大，而所有折射線路電壓行波與電流行波將同比例降低。表1給出了典型環網柜中行波的變化情況。

表1 典型環網柜行波折反射情況

然而，在實際10 kV電纜線路中一般存在多個環網柜，如圖2所示。忽略線路電阻引起的損耗，行波在傳播中的衰減主要是在環網柜母線處的折反射產生的。行波穿越的環網柜個數越多，每個環網柜線路數量越多，則行波衰減越嚴重。

圖2 測距裝置安裝位置示意圖

以故障發生在線路最末一個區段(如圖2中x點)為例，電壓電流行波傳播到檢測點b7～b10處時(考慮線路末端折反射情況)，幅值可以保持在初始幅值的60%以上；傳播到檢測點b4～b6處時，幅值僅為初始幅值的30%；而傳播到檢測點b1～b3處時，幅值僅為初始幅值的15%；傳播到變電站母線時，考慮到變電站出線數量較多，電流行波尚能保持在初始幅值的10%，而電壓行波將衰減到不足初始值的5%。

1.2 行波在線路末端的折反射規律

傳統觀點認為，零模網絡中配電線路末端為開路狀態，線模網絡中感性負荷(配電變壓器)對高頻行波信號來講也可視為開路。即無論是在線模網絡還是零模網絡的線路末端，電流行波發生負的全反射，總電流行波為0，電壓行波發生正的全反射，電壓行波加倍。因此，現有配電線路末端行波測距裝置一般僅檢測電壓行波信號。

實際上，配電變壓器存在的相間雜散電容將使高頻行波在短時間內等效為短路狀態，使得線路末端也可以檢測到電流行波信號。線路末端等值電路如圖3所示，其中，C為變壓器等效雜散電容，L為變壓器等效電感。

圖3 線路末端行波信號的折反射

利用配電網變壓器存在的相間雜散電容來獲取線路末端電流行波信號，使得配電線路末端行波測距裝置既可以檢測電壓行波信號，同時也可檢測電流信號。當系統中存在多個環網柜時，電壓行波可能衰減到非常小的值而無法檢測，電流行波較電壓行波衰減幅度較小，因此仍可檢測到電流行波。這樣就解決了傳統配電網測距中因只檢測電壓信號導致在某些故障情況下無法準確測距的問題，提高了配電網測距可靠性。

2 分布式行波測距系統

傳統上行波測距裝置安裝在線路兩端變電站中，近年出現了分布式行波測距技術，即除線路兩端外，行波測距裝置還安裝在線路中間適當位置，進一步提高測距精度和可靠性。

對于10 kV電纜網絡，環網柜作為線路中間節點，是安裝行波測距裝置的天然場所，與變電站母線、線路末端行波測距裝置一起構成分布式行波測距系統。

2.1 總體結構

如圖4所示，本故障行波測距系統由3部分組成：安裝在變電站、環網柜與線路末端的測距裝置；安裝在控制中心的主站和通信網。其中，通信網可以是光纖網、無線網或者混合通信網。測距裝置可以根據環網柜、線路末端配電室的安裝空間及通信條件選擇性安裝。安裝在線路末端的測距裝置可接入2路行波信號，安裝在環網柜和變電站母線處的測距裝置可分別接入8路行波信號監測8條線路。主站根據測距裝置在電網中的安裝位置，合理選擇單端、雙端或者廣域信息測距算法。

圖4 測距裝置安裝位置示意圖

測距終端裝置由主控單元、高速數據采集單元、GPS授時模塊、通信模塊及電源模塊等部分構成。終端通過專門研制的電流傳感器獲取電纜線路的高頻暫態行波電流信號，并通過通信模塊上傳到主站系統。

2.2 故障測距方法及關鍵技術

2.2.1 電流行波單端測距法

電流行波單端測距原理見圖5。設線路長度為l在t0時刻，距測距裝置安裝處M點x遠的F點發生故障，電流行波到達線路M點的時間為t1，故障點和對端的反射行波到達M點的時間分別為t2、t3，得到以下方程組

(3)

式中，V為電流行波的傳播速度。

解得

圖5 單端測距原理圖

2.2.2 電流行波雙端測距法

電流行波雙端測距原理見圖6。t0時刻，F點發生故障，經過t1時間故障行波到達故障測距裝置安裝點M，故障點和對端的反射行波到達M點的時間點分別為t2、t3，得到下列方程

(4)

測距系統進行故障測距的流程受終端裝置安裝位置的影響。當僅在變電站母線與環網柜母線安裝行波測距裝置時，終端裝置采集的故障行波信號通過網上通信傳給主站，根據信號確定測量點與故障點往返一次的時間，得到故障距離；當僅在變電站母線與線路末端安裝行波測距裝置時，主站將各測距終端裝置進行時鐘同步，根據兩終端裝置采集的故障行波信號時間差和兩終端間的距離，得到故障到某一終端裝置的距離；當在變電站母線、環網柜母線和線路末端安裝行波測距裝置時，利用兩終端裝置采集的故障行波信號時間差和兩終端間的距離，得到故障到某一終端裝置的距離，并根據某一終端裝置測量點與故障點往返一次的時間對故障距離進行驗證。

圖6 雙端測距原理圖

2.3 關鍵技術

2.3.1 高速數據采集

為提高行波測距分辨率和精度，以及滿足采集線路末端電流行波信號的需要，設計了基于現場可編程邏輯門陣(FPGA)的高速數據采集單元，單路信號最高采樣頻率為100 MHz。

2.3.2 傳感器采集頻帶選取

故障暫態行波不同頻率分量的波速度不同，但實驗表明，對于10 kV電纜線路，當頻率大于2 MHz時，波速度將趨于穩定。根據行波測距精度以及抗干擾能力綜合考慮，本測距系統采用的傳感器頻帶為2 MHz～100 MHz。

2.3.3 線路末端電流行波獲取方法

利用電磁式電流互感器和測距系統的高速采集單元實現對電流行波的100 MHz采集。

3 現場驗證

所開發的適用10 kV電纜網絡分布式行波測距系統，已在多地投入運行，并成功實現多起實際故障測距。以下分別為TJ變和BZ變某環網柜出線的兩次實際故障情況。

圖7為TJ變某環網柜出線及行波測距監測點布置情況，行波測距裝置安裝在各環網柜內，對所有線路出口均進行了監測。某次故障時僅1號、2號和3號環網柜記錄到故障電流行波，而4號環網柜行波測距裝置未啟動，各線路行波波形如圖8所示。

圖7 TJ變某環網柜線路結構圖

圖8 TJ變環網柜線路故障行波波形

根據線路結構與行波信息可判斷故障點位于2號環網柜與3號環網柜之間的干線上，距2號環網柜12.4 m、3號環網柜207.6 m。后經檢修人員查找，實際故障點距離2號環網柜11 m，測距系統誤差小于2 m。

圖9為BZ變某環網柜出線及行波測距監測點布置情況，由于環網柜內空間狹小，行波測距裝置安裝在各出線末端配變處，僅對環網柜各出線的末端進行了監測。某次故障時4個線路末端行波測距裝置均正確記錄到故障電流行波，各線路行波波形如圖10所示。

圖9 BZ變某環網柜線路結構圖

圖10 BZ變環網柜線路故障行波波形

根據線路結構與行波信息可判斷故障點位于1號環網柜1號出線末端，配電變壓器前電纜終端頭位置，距離d1傳感器僅0.6 m處。檢修確認測距結果正確。

從以上兩實例可以看出，故障測距系統根據測距終端裝置的安裝位置不同，采用相應的測距流程，均能準確確定故障位置。該系統適應10 kV電纜網絡，測距精度高、可靠性好，可及時確定故障位置以便檢修人員處理故障。

4 結論

(1)配電變壓器存在的相間雜散電容將使高頻行波在短時間內等效為短路狀態，使得線路末端也可以檢測到電流行波信號。

(2)分布式行波測距系統可根據現場安裝空間與通信條件，有選擇性地安裝于變電站母線、環網柜母線、線路末端，并選擇合適的單端、雙端或廣域測距算法。本系統已在現場實際運行，實際故障測距結果表明該技術是可行、可靠的。