鮑 新 劉雙喜 何 峰 孫樹森 李垂有

1.國網(wǎng)濟南供電公司 山東 濟南 250021

2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 山東 淄博 255049

3.中山供電局 廣東 中山 528400

0 引言

我國配電網(wǎng)普遍采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地，即屬于小電流接地系統(tǒng)［1］。多年來小電流接地系統(tǒng)的選線問題一直未能得到很好的解決，目前電力系統(tǒng)普遍采用的方法是利用零序電流的選線方法［2］，采用的特征量主要有極性［3］、幅值［4］、能量［5］和突變量［6］等，但對于只安裝兩相電流互感器的系統(tǒng)，若想獲取零序電流非常麻煩，故利用零序電流選線雖然具有很高的可靠性但也有一定的局限性，針對這種情況不少研究人員提出了基于兩相電流行波的選線方法，通過比較模量電流行波的幅值與極性選擇故障線路［7-8］。由于電纜較于架空線有占地空間小，敷設(shè)方便等優(yōu)點，電纜在配網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛，電纜網(wǎng)絡(luò)供電取代原有的架空線路供電已成為城市電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢［9］。但電纜從結(jié)構(gòu)上比架空線復(fù)雜的多，在小電流接地系統(tǒng)中，當(dāng)電纜發(fā)生單相接地故障時其故障暫態(tài)特性與架空線也有一定的區(qū)別，所以這種情況下選線問題更加困難。目前在這方面進行研究的工作人員在建模時過于簡單且理想化，分析得出的結(jié)論具有一定的偏差。為解決以上問題對于電流的初始行波特性研究便顯得尤為重要，本文通過分析變電站電纜出線在不同位置發(fā)生單相接地故障時的初始行波特性，發(fā)現(xiàn)其與架空線路的暫態(tài)特性有一定的區(qū)別。

1 行波選線理論基礎(chǔ)［10］

1.1 行波選線原理

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，由于附加電源的作用，會產(chǎn)生暫態(tài)行波。行波首先由接地點開始向接地線路兩端傳播，并在母線處發(fā)生折射與反射，而且在線路上發(fā)生疊加，從而形成接地線路的初始行波；來自接地點的初始行波經(jīng)折射進入非接地線路，形成非接地線路的初始行波。

根據(jù)行波傳播理論，若系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，電流的入射波零模ir0由接地點傳到母線，由于母線處波阻抗不連續(xù)發(fā)生反射，其折射波i″和i′發(fā)射波分別為：

式中：ir0為入射電流波；zm為母線的等效波阻抗；zl為接地線路的阻抗。

入射波和反射波疊加行程接地線路的初始零模分量電流行波為：

若非接地線路的波阻抗為zk，則從接地線路折射到非接地線路的折射波在各非接地線路分流，形成非接地線路的零模電流初始行波為 （假設(shè)有N條線路）：

對比（3）和（4）式不難發(fā)現(xiàn)：由于配電站有較多出線回路，母線的波阻抗遠(yuǎn)小于非接地線路的波阻抗，即zm?zk，故接地線路的零模初始電流行波幅值遠(yuǎn)大于非接地線路的初始電流行波幅值，并且接地線路與非接地線路的初始電流初始行波極性相反；所有非接地線路的零模電流初始行波極性相同且幅值相近。上述原理的陳述證明故障暫態(tài)行波過程與接地方式無關(guān)，為解決小電流接地系統(tǒng)選線問題提出了新思路。

1.2 行波的獲取

長期以來，人們認(rèn)為常規(guī)的用于測量工頻信號的電壓、電流互感器（TV、TA）很難傳變測距使用的暫態(tài)高頻行波信號，因此早期的行波測距裝置使用高壓耦合設(shè)備測量電壓行波信號，投資大、復(fù)雜，可靠性差。近年來研制出的光纖TV、TA能夠傳變高頻行波信號，但離實用化還有一定的距離。

研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的電流互感器（TA）能夠很好地傳變高頻暫態(tài)電流信號，滿足行波故障測距的要求。因此，行波測距裝置可象普通的繼電保護裝置一樣，直接接入電流互感器的二次回路。裝置利用電流互感器的二次輸出形成行波測距信號，不需要裝設(shè)任何高壓行波耦合設(shè)備，投資小，安裝方便，容易被電網(wǎng)運行管理部門接受。

將電壓或電流傳感器采集到的模擬電壓或模擬電流信號再利用數(shù)據(jù)采集裝置在確保不失真的前提下轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸給微處理器分析。

2 變電站10kV電纜出線仿真模型

本文工作旨在研究變電站10kV電纜出線發(fā)生單相接地故障時的初始行波特性，建立如圖1所示仿真模型。由于10kV電纜大多是三芯結(jié)構(gòu)，故普遍采用金屬屏蔽層兩端直接接地方式［11］。本文所建立的模型中即采用三芯結(jié)構(gòu)，金屬屏蔽層雙端直接接地的方式。

圖1 仿真模型

在仿真模型中設(shè)置了兩處不同故障點，如圖1中所示。f1：電纜內(nèi)部單相主絕緣故障，f2：電纜末端單相接地故障。電纜長度參數(shù)設(shè)置如下：電纜1長度為2km，電纜2長度為3km，電纜3長度為5km。

3 仿真分析

根據(jù)所建立的仿真模型進行仿真分析，仿真中設(shè)置故障發(fā)生時刻為0.21s。為了便于研究在仿真中設(shè)置B相故障。仿真結(jié)束后，利用Matlab對數(shù)據(jù)進行處理分析。

3.1 電纜內(nèi)部單相主絕緣故障

1）金屬性故障

當(dāng)電纜在f1處發(fā)生主絕緣故障時，線路1、2、3三相電流及3倍零模電流初始行波分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 線路1三相電流及3倍零模電流

圖3 線路2三相電流及3倍零模電流

圖4 線路3三相電流及3倍零模電流

分析以上3條線路的三相及零模初始電流行波，可以看出當(dāng)線路1在f1處發(fā)生單相金屬性接地故障時，線路1故障相與零模電流初始行波的極性相同而與非故障相極性相反，線路2、3作為非故障線路三相與零模初始電流行波極性相同，但與線路1的故障相和零模電流初始行波極性相反，與非故障相電流初始行波極性相同。僅對比零?；蚬收舷嚯娏鞒跏夹胁O性可以判斷出線路1為故障線路。而在該種情況下若要像架空線系統(tǒng)中一樣實現(xiàn)利用兩相電流行波實現(xiàn)選線是無法實現(xiàn)的。

2）非金屬性故障

設(shè)定過渡電阻為50Ω，同樣在f1處發(fā)生單相接地故障，分析過渡電阻對其故障特性的影響，仿真結(jié)果分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 線路1三相電流及3倍零模電流

圖6 線路2三相電流及3倍零模電流

根據(jù)以上波形圖分析，當(dāng)f1處發(fā)生非金屬性接地故障時，由于過渡電阻的影響，各線路電流波的幅值被明顯削減，但其對各線路電流初始行波的極性并無影響，所以該情況下對選線的可靠性分析與f1處發(fā)生金屬性接地故障時相同。

圖7 線路3三相電流及3倍零模電流

3.2 電纜末端單相接地故障

1）金屬性故障

改變故障點到f2，重復(fù)上述仿真，并對波形進行處理分析。線路1、2、3三相電流及3倍零模電流波形分別如下圖8、圖9、圖10所示。

圖8 線路1三相電流及3倍零模電流

由仿真分析結(jié)果對比分析，可以看出在f2處發(fā)生單相金屬性接地故障時，線路3故障相與零模電流初始行波極性相同，與非故障相電流初始行波極性相反；而非故障線路1、2三相與零模電流初始行波極性完全相同，其極性與故障線路故障相相反。僅對比3條線路零?；蚬收舷嚯娏鞒跏夹胁梢耘袛喑龉收暇€路。所以該情況下利用兩相電流行波法進行選線同樣是不可靠的。

2）非金屬性故障

設(shè)定過渡電阻為50Ω，同樣在f2處發(fā)生單相接地故障，分析過渡電阻對其故障特性的影響，仿真結(jié)果分別如圖11、圖12、圖13所示。

圖9 線路2三相電流及3倍零模電流

圖10 線路3三相電流及3倍零模電流

圖11 線路1三相電流及3倍零模電流

根據(jù)以上波形圖分析，當(dāng)f2處發(fā)生非金屬性接地故障時，由于過渡電阻的影響，各線路電流波的幅值被明顯削減，但其對各線路電流初始行波的極性并無影響，所以該情況下對選線的可靠性分析與f2處發(fā)生金屬性接地故障時相同。

圖12 線路2三相電流及3倍零模電流

圖13 線路3三相電流及3倍零模電流

4 結(jié)論

本文對變電站10kV電纜出線在不同位置發(fā)生單相接地故障時的電流初始行波特性進行了仿真研究，并分析了過渡電阻對其故障特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)不論單相接地故障發(fā)生在何位置，利用零模電流初始行波極性或利用故障相電流初始行波極性進行選線都是可靠的，若電纜發(fā)生主絕緣故障時僅利用兩相電流行波的選線方法并不可靠。

本文所做工作對小電流接地系統(tǒng)選線的可靠性提高具有一定的參考價值。

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