何光華張志堅徐 凱楊靜泊袁啟洪郝海珍袁欽成

（1.無錫供電公司 2.北京科銳配電自動化股份有限公司）

?

110kV/220kV電纜線路故障仿真與在線檢測方法的研究

何光華1張志堅1徐 凱1楊靜泊1袁啟洪2郝海珍2袁欽成2

（1.無錫供電公司 2.北京科銳配電自動化股份有限公司）

摘要：根據(jù)單芯電纜的結(jié)構(gòu)，按照工程中的數(shù)據(jù)，利用PSCAD對單回路三相電纜的單相接地故障建立仿真模型。通過分析故障點發(fā)生在不同位置時，3個測量點檢測的A、B、C三相電流幅值分布規(guī)律，同時充分考慮實際運行環(huán)境中遇到的問題，力求邏輯嚴密，從而提煉出故障判斷原理?；诖嗽碓O(shè)計生產(chǎn)的適用于110kV/220kV輻射性線路或者系統(tǒng)側(cè)為接地系統(tǒng)、用戶側(cè)為不接地系統(tǒng)的專用故障指示器已在現(xiàn)場運行中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：單相接地故障；相間短路；單芯電纜；感應(yīng)電流；線芯電流

1 高壓電纜線路故障檢測現(xiàn)狀

隨著我國城市電網(wǎng)改造進程的逐步加快，“纜化工程”即110kV及以上電壓等級的線路電纜化率的逐漸提高，高壓電纜分支箱、環(huán)網(wǎng)柜等新設(shè)備投運量的逐漸增加，使得110kV及220kV的全電纜線路及混合電纜線路的多分支網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)開始形成規(guī)模；同時，目前變電所多數(shù)為GIS線變組結(jié)構(gòu)，變電所側(cè)相應(yīng)采用GIS電纜終端接入GIS氣室的結(jié)構(gòu)較多。電纜的故障探測出現(xiàn)了新的難點，尤其對多分支電纜的故障檢測和混合線路的故障檢測，較難實施以往行之有效的方法。主要表現(xiàn)為：①從檢測方法來講。常規(guī)高壓脈沖檢測法是電纜故障探測方法中較為常見的一種注入信號方法，在電纜終端一側(cè)的分立端口處注入高壓探測信號，在分支處進行接地和不接地處理。但當前，電纜的接口安全增加的同時，電纜的各終端均在變電所內(nèi)，很多是無戶外終端桿形式結(jié)構(gòu)，使得線路維修人員無法有效地接入故障探測需要注入的測量信號，以往常規(guī)的拆搭頭線的方法難以實施，而GIS氣室拔下GIS電纜終端受相關(guān)人員及設(shè)備的限制，無法確保質(zhì)量的可靠性。②從電纜敷設(shè)結(jié)構(gòu)拓撲來講。傳統(tǒng)的阻抗測距法伴隨高壓電纜接頭和分支的增加，使得故障探測脈沖信號在傳輸中發(fā)生衰減，檢測誤差隨機性的增大，因而不能有效地對線路參數(shù)進行預(yù)估，致使故障判斷的距離計算出現(xiàn)不定量的偏差。③從電纜的接地方式來講。由于110kV/220kV電壓等級的電力電纜故障電流非常大，所以采用鋁護套直接接地方式和經(jīng)過避雷器接地方式，部分采用交叉互聯(lián)的連接方式，使得測量信號也受到其影響，嚴重影響脈沖電流法等探測方法的探測精度。④從電纜自身的結(jié)構(gòu)來講。單芯電纜廣泛應(yīng)用于110kV及以上電壓等級，電纜線路大部分為直接接地故障，且部分為高阻接地，為檢修方便相關(guān)的技術(shù)方法為拆除該故障相，使得傳統(tǒng)低壓電橋法（需要借助完好相）、傳統(tǒng)中壓二次脈沖法中與完好相對比的方法等也難以實施，探測方法受到了較大的影響。

2 本文采用的方法

110kV及以上電纜線路大部分采用單芯電纜，其金屬護套的接地方式不同于配網(wǎng)兩端直接接地方式，考慮到正常運行時對金屬護套感應(yīng)電壓、金屬護套環(huán)流的限制，金屬護套常采用三種方式接地：I段式、II段式、III段式，其中III段式包括交叉互連和I段式加II段式。

110kV電纜線路主要短路故障類型為兩相短路、三相短路、單相接地短路，其中前兩種故障類型短路電流基本上是通過電纜線芯形成回流，流過金屬護套中的電流比較小，金屬護套電流的影響可以忽略。

當發(fā)生單相接地故障時，若電纜金屬護套采用I段式、II段式連接方式，故障指示器安裝時能把金屬護套環(huán)流消除，直接測到的是線芯電流。若電纜金屬護套采用交叉互連方式，金屬護套充當回流線的作用，使得金屬護套中有故障電流流過，同時也有感應(yīng)電流流過，該感應(yīng)電流是因為三相電纜線芯電流不平衡引起的感應(yīng)電流。因為工程安裝的限制，故障指示器需直接安裝在電纜外面，這時指示器測到的電流不但有故障電流還有金屬護套上流過的電流。

本文介紹一種尤其適用110kV/220kV輻射性線路或者系統(tǒng)側(cè)為接地系統(tǒng)、用戶側(cè)為不接地系統(tǒng)故障的在線檢測方法，其核心原理是借鑒配網(wǎng)系統(tǒng)的故障指示裝置，通過仿真不同地點的故障，分析高壓單芯電纜故障時電流的變化規(guī)律，確定故障區(qū)段，從而縮小檢測范圍。

現(xiàn)根據(jù)單芯電纜的結(jié)構(gòu)，按照工程中的數(shù)據(jù)，利用PSCAD對單回路三相電纜的主絕緣故障（導體與金屬護套短接時）建立仿真模型，其中的電纜參數(shù)按照沈陽古河電纜公司生產(chǎn)的110kV銅芯XLPE絕緣皺紋鋁護套電力電纜（標稱面積400mm2）中的參數(shù)進行設(shè)置。

3 110kV電纜線路的單相接地故障仿真

線路電纜護層采用交叉互聯(lián)接地方式，故障相為A相，故障點的位置發(fā)生主絕緣（導體與金屬護套短接時），線路電壓等級為110kV，故障持續(xù)時間為1s，水平排列，每相電纜之間的間距為0.2m，地下電纜深度為2m。

當故障點發(fā)生在交叉互聯(lián)第二大段中的第二小段時（見圖1），在故障點前測量點3（交叉互聯(lián)第一大段中的第三小段）、測量點5（離故障點前最近的一組指示器）及故障點后測量點6（離故障點后最近的一組指示器）檢測的A、B、C三相電流幅值的仿真結(jié)果如表1所示。

圖1　故障點發(fā)生在交叉互聯(lián)第二大段中的第二小段

表1　3個測量點的A、B、C三相電流

正常負荷電流約為195A，功率因數(shù)為0.9。金屬護套的電流約為24A，護套電壓約為0.2V。正常情況及各測量點電壓電流波形如圖2～6所示。

圖2　正常電壓電流波形

圖3　測量點5的A相電流、電壓波形

圖4　測量點5的B相電流、電壓波形

圖5　測量點6（故障點后第一組指示器）A相電流、電壓波形

圖6　測量點6（故障點后第一組指示器）B相電流、電壓波形

4 故障判斷原理

4.1 故障電流的分布規(guī)律

卓松生[22]以臨界流化速度為衡量標準，選用Syamlal-O′brien曳力雙流體模型，分析了振動和粒徑對床層縱向顆粒分布(顆粒體積分數(shù))及均勻性(顆粒體積分數(shù)標準差)的影響，結(jié)果如圖3所示。

以A相單相接地故障為例，If為故障電流，如圖7所示。

圖7　故障電流的分布規(guī)律

故障指示器在1、2、3處測的電流為（忽略護套感應(yīng)電流和負荷電流）如表2所示。

表2　故障指示器在1、2、3處的電源

同理可得到B、C相及不同位置發(fā)生單相接地短路時，指示器測到的電流都符合如下規(guī)律：故障點前測量的故障相電流大于1/2故障電流，故障點后測量的故障相電流小于1/2故障電流；故障點前非故障相（故障點到相距最近的接地點之間）測量電流有可能大于1/2故障電流，故障點前其他非故障相測量電流小于1/2故障電流；故障點后非故障相測量電流小于1/2故障電流。

當系統(tǒng)最大和最小短路電流相差不大時，1/2故障電流值比較容易確定，實際現(xiàn)場大多數(shù)是這種情況；然而當系統(tǒng)最大和最小短路電流相差比較大時，宜采用主站集中式動態(tài)判斷方法：主站實時判斷通過光纖通訊的電流值，當發(fā)現(xiàn)相鄰的兩點之間電流值之比大于1.3，即判定短路故障點在此處。

4.2 故障判斷原理

（1）安裝位置

電纜線路故障原因大部分是因為交叉互連接頭絕緣不好造成的接地短路，故指示器安裝在交叉互連或接地箱處。

解決以下兩種狀態(tài)下發(fā)生的故障：電纜線路送電時開關(guān)合到故障上；運行中發(fā)生的短路故障。

（3）判據(jù)

電纜線路發(fā)生短路故障時，線路電流的一個變化特征是：電流有一個正的跳變；另一個特征是：在發(fā)生短路故障后的一個很短的時間間隔內(nèi)，線路在繼電保護裝置的控制下，故障電流會被出口斷路器切斷從而線路電流下降為零，如圖8所示。

圖8　

1）檢測電流是否大于定值。檢測電流是否大于過流定值，并持續(xù)一個ΔT時間，該時間與現(xiàn)場安裝的指示器保護裝置定值配合；I ＞ IsetΔT＞Tset；過流定值的大小選擇為短路電流的0.5倍，當指示器檢測到電流大于0.5倍短路電流（該短路電流需要預(yù)先設(shè)置），并持續(xù)一個ΔT時間，故障判斷啟動。

2）檢測線路是否斷電。從故障判斷啟動開始計時，在規(guī)定的時間內(nèi)若指示器檢測到線路無電則指示器判定為故障，否則不判為故障。

3）給出故障信號。若指示器檢測到故障，進行當?shù)匕l(fā)光指示，并可以與主站系統(tǒng)通訊進行自動故障定位。

4）故障區(qū)段定位。采用以上判據(jù)可保證故障相故障點前指示器動作，故障點后指示器不動。那么故障區(qū)段就是在最后一個動作指示器和后面第一個沒有動作指示器之間的線路上。由于交叉互連環(huán)流的影響，非故障相有可能也會動作，那么兩種方案排除非故障相動作的問題：①若有主站系統(tǒng)，故障指示器會把故障數(shù)據(jù)送到主站，主站比較各點的故障電流大小，確定故障相，故障區(qū)段。②若無主站系統(tǒng)，需要同變電站配合，先確定故障相，然后順著故障相，根據(jù)故障指示器指示查找故障區(qū)段。

5）躲勵磁涌流。一般勵磁涌流是兩倍的變壓器額定電流（最大為8倍），一般短路電流比勵磁涌流大，綜合考慮三種方式躲勵磁涌流。若變壓器空載投入，勵磁涌流導致指示器誤動，可采用來電復位的辦法復位指示器；若變壓器投入時負荷大于某個固定值，那么不符合指示器動作條件，指示器不會動作；另外適當增加過流延時時間躲勵磁涌流。

5 結(jié)束語

基于此原理設(shè)計生產(chǎn)的適用于110kV/220kV電纜的專用故障指示器首次應(yīng)用羅氏線圈方式進行信號采集，具有大電流不易飽和的特性，采集電流范圍（0～15000A）廣泛，不僅覆蓋全部電力電纜的各種應(yīng)用環(huán)境，還可以進行有效地電氣量檢測，并能夠有效規(guī)避線路重合閘、變壓器空載投切的勵磁涌流及負荷空載投切等各種干擾。結(jié)合光纖通訊的優(yōu)點，可靠地將故障電氣量上傳到調(diào)度中心，匯集成電力系統(tǒng)綜合判定故障區(qū)段的數(shù)據(jù)，判定故障以協(xié)調(diào)相關(guān)人員進行快速修復線路故障、恢復系統(tǒng)供電，大大減少故障巡線時間，提高供電可靠性。目前已在現(xiàn)場運行中取得了良好的效果，受到用戶好評。

參考文獻：

[1] 袁欽成. 配電系統(tǒng)故障處理自動化技術(shù)[M]. 北京：中國電力出版社，2006.

[2] 魏書榮, 馬宏忠, 王東海. 電纜線路改造引起的護層感應(yīng)電壓變化及其補償[J]. 電線電纜, 2004(4):26-28.

[3] 雷文東. 在高壓電纜線路中回流線對降低護層電壓的效用[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè), 2012(26)：103-105.

[4] 彭超, 趙健康, 苗付貴. 分布式光纖測溫技術(shù)在線監(jiān)測電纜溫[J]. 高電壓技術(shù), 2006, 32(8)：43-45.

[5] Anders G J, Napieralski A, Kuleszaz. Calculation of the Internal Thermal Resistance and Ampacity of 3-Core Screened Cables with Fillers[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, 14(3)：729-734.

[6] 鄭肇驥, 王琨明. 高壓電纜線路[M]. 北京：水利電力出版社, 1983.

[7] 馬國棟. 電線電纜載流量[M]. 北京：中國電力出版社, 2003.

[8] 牛海清, 王曉兵, 蟻澤沛, 等. 110kV 單芯電纜金屬護套環(huán)流計與試驗研究[J]. 高電壓技術(shù), 2005, 31(18)：15-17.

[9] 王敏. 10kV 單相電力電纜屏蔽層的感應(yīng)電壓和環(huán)流[J]. 高電壓技術(shù), 2002, 28(5)：30-32.

[10] 賈欣, 曹曉瓏, 喻明. 單芯電纜計及護套環(huán)流時載流量的計算[J]. 高電壓技術(shù), 2001, 27(1)：25-26.

[11] 趙健康, 樊友兵, 王曉兵, 等. 高壓電力電纜金屬護套下的熱阻特性分析[J]. 高電壓技術(shù), 2008, 34(11)：2483-2487.

[12] 胡振興,丁唯,齊春.大短路電流對單芯電纜護層電壓保護器設(shè)計選型的影響[J].現(xiàn)代建筑電氣,2014(B09):25-27.

[13] 羅俊華,周作春,李華春,羅旻.單芯電力電纜金屬護層過電壓保護器參數(shù)設(shè)計[J]. 高電壓技術(shù),2008 (2):355-358.

[14] 聶世民.單芯交聯(lián)聚乙烯電力電纜金屬護層感應(yīng)電壓限制措施研究[D].天津:天津大學,2011.

[15] 盛洞天, 李明亮. 回流線對電纜護層感應(yīng)電壓影響分析[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2011(14):271-272.

[16] 牛海清,王曉兵,劉毅剛,蟻澤沛,張堯. 高壓單芯電纜金屬護套雷電過電壓仿真和參數(shù)分析[J].高電壓技術(shù),2009(4):784-789.

[17] 樊友兵,趙健康,錢康, 蒙紹新, 竇飛,等.單芯電力電纜同相多根并聯(lián)運行方式分析與優(yōu)化[J].高電壓技術(shù),2010(10):2607-2612.

[18] 張新剛/保護用電流互感器鐵心飽和相關(guān)問題的研究[D]. 北京:華北電力大學, 2006.

[19] 陳紀綱.帶回流線的直線供電方式接觸網(wǎng)防雷技術(shù)的研究[D]. 成都:西南交通大學. 2005.

[20] 楊守信,楊力.110kV長慶電纜護套絕緣過電壓保護分析計算[J]. 高電壓技術(shù), 2004, 30(4):22-24.

收稿日期：（2015-11-12）