張維進(jìn)，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(yōu)勢，在城市10 kV壓配電網(wǎng)中應(yīng)用越來越廣泛[1]。但電纜線路發(fā)生故障后，現(xiàn)有的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)、故障指示器等設(shè)備僅能給出故障區(qū)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(shè)備[2-5]，不僅花費(fèi)大量的人力物力，還延緩了故障查找與修復(fù)時(shí)間。因此，如何快速準(zhǔn)確地確定故障點(diǎn)位置是亟待解決的問題。

近年來國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)線路故障準(zhǔn)確定位做了大量研究。張啟亮等[6]根據(jù)故障線路中的故障電流和非故障線路中的高頻暫態(tài)零序電流為非對(duì)稱信號(hào)，實(shí)現(xiàn)10 kV電纜小電流系統(tǒng)故障定位。李衛(wèi)國等[7]提出一種基于離散正交S變換暫態(tài)零序電流能量相似度的故障定位方法，判斷線路區(qū)間兩端檢測點(diǎn)的能量相似度是否小于設(shè)定的閾值故障區(qū)間，如果小于閾值即為故障區(qū)間。顧晨杰等[8]提出利用不對(duì)稱故障時(shí)的負(fù)序電壓大小排序進(jìn)行配電網(wǎng)的光伏電站的故障定位，負(fù)序電流由故障點(diǎn)流向外部電網(wǎng)引起的負(fù)序電壓在各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化，找出負(fù)序電壓最大值即實(shí)現(xiàn)故障定位。但是，目前城市電纜網(wǎng)絡(luò)多為環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)，分支線數(shù)量多、故障初始行波衰減嚴(yán)重、折反射規(guī)律復(fù)雜，利用上述文獻(xiàn)所提出的測距方法原理復(fù)雜，且在某些情況下對(duì)提取的電壓、電流信號(hào)處理結(jié)果并不理想，導(dǎo)致測距失敗。

針對(duì)上述難題，本文提出了基于行波原理的10 kV電纜網(wǎng)絡(luò)分布式故障定位方案，即在變電站母線、環(huán)網(wǎng)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(hào)時(shí)間差進(jìn)行測距定位。根據(jù)該理論研發(fā)的裝置已在多處現(xiàn)場投入應(yīng)用，并取得良好效果。

1 行波在環(huán)網(wǎng)柜母線及分支線路末端的折反射規(guī)律

1.1 行波在環(huán)網(wǎng)柜母線上的折反射規(guī)律

行波在波阻抗不連續(xù)處會(huì)發(fā)生反射和折射。典型環(huán)網(wǎng)柜等值電路如圖1所示，一般包括2條進(jìn)線和n條出線，其中，a、b、1、2，…，n為行波信號(hào)檢測點(diǎn)，f為故障點(diǎn)。

圖1 典型環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)及行波信號(hào)的折反射

設(shè)環(huán)網(wǎng)柜所有進(jìn)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(huán)網(wǎng)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(dá)環(huán)網(wǎng)柜母線時(shí)，經(jīng)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(duì)電壓行波與電流行波到達(dá)環(huán)網(wǎng)柜母線時(shí)，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(huán)網(wǎng)柜中行波的變化情況。

表1 典型環(huán)網(wǎng)柜行波折反射情況

然而，在實(shí)際10 kV電纜線路中一般存在多個(gè)環(huán)網(wǎng)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(huán)網(wǎng)柜母線處的折反射產(chǎn)生的。行波穿越的環(huán)網(wǎng)柜個(gè)數(shù)越多，每個(gè)環(huán)網(wǎng)柜線路數(shù)量越多，則行波衰減越嚴(yán)重。

圖2 測距裝置安裝位置示意圖

以故障發(fā)生在線路最末一個(gè)區(qū)段(如圖2中x點(diǎn))為例，電壓電流行波傳播到檢測點(diǎn)b7～b10處時(shí)(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(diǎn)b4～b6處時(shí)，幅值僅為初始幅值的30%；而傳播到檢測點(diǎn)b1～b3處時(shí)，幅值僅為初始幅值的15%；傳播到變電站母線時(shí)，考慮到變電站出線數(shù)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(guī)律

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，零模網(wǎng)絡(luò)中配電線路末端為開路狀態(tài)，線模網(wǎng)絡(luò)中感性負(fù)荷(配電變壓器)對(duì)高頻行波信號(hào)來講也可視為開路。即無論是在線模網(wǎng)絡(luò)還是零模網(wǎng)絡(luò)的線路末端，電流行波發(fā)生負(fù)的全反射，總電流行波為0，電壓行波發(fā)生正的全反射，電壓行波加倍。因此，現(xiàn)有配電線路末端行波測距裝置一般僅檢測電壓行波信號(hào)。

實(shí)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(shí)間內(nèi)等效為短路狀態(tài)，使得線路末端也可以檢測到電流行波信號(hào)。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(hào)的折反射

利用配電網(wǎng)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(hào)，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(hào)，同時(shí)也可檢測電流信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)環(huán)網(wǎng)柜時(shí)，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(tǒng)配電網(wǎng)測距中因只檢測電壓信號(hào)導(dǎo)致在某些故障情況下無法準(zhǔn)確測距的問題，提高了配電網(wǎng)測距可靠性。

2 分布式行波測距系統(tǒng)

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

對(duì)于10 kV電纜網(wǎng)絡(luò)，環(huán)網(wǎng)柜作為線路中間節(jié)點(diǎn)，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(gòu)成分布式行波測距系統(tǒng)。

2.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖4所示，本故障行波測距系統(tǒng)由3部分組成：安裝在變電站、環(huán)網(wǎng)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(wǎng)。其中，通信網(wǎng)可以是光纖網(wǎng)、無線網(wǎng)或者混合通信網(wǎng)。測距裝置可以根據(jù)環(huán)網(wǎng)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(hào)，安裝在環(huán)網(wǎng)柜和變電站母線處的測距裝置可分別接入8路行波信號(hào)監(jiān)測8條線路。主站根據(jù)測距裝置在電網(wǎng)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(shù)據(jù)采集單元、GPS授時(shí)模塊、通信模塊及電源模塊等部分構(gòu)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(tài)行波電流信號(hào)，并通過通信模塊上傳到主站系統(tǒng)。

2.2 故障測距方法及關(guān)鍵技術(shù)

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(shè)線路長度為l在t0時(shí)刻，距測距裝置安裝處M點(diǎn)x遠(yuǎn)的F點(diǎn)發(fā)生故障，電流行波到達(dá)線路M點(diǎn)的時(shí)間為t1，故障點(diǎn)和對(duì)端的反射行波到達(dá)M點(diǎn)的時(shí)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(shí)刻，F(xiàn)點(diǎn)發(fā)生故障，經(jīng)過t1時(shí)間故障行波到達(dá)故障測距裝置安裝點(diǎn)M，故障點(diǎn)和對(duì)端的反射行波到達(dá)M點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)分別為t2、t3，得到下列方程

(4)

測距系統(tǒng)進(jìn)行故障測距的流程受終端裝置安裝位置的影響。當(dāng)僅在變電站母線與環(huán)網(wǎng)柜母線安裝行波測距裝置時(shí)，終端裝置采集的故障行波信號(hào)通過網(wǎng)上通信傳給主站，根據(jù)信號(hào)確定測量點(diǎn)與故障點(diǎn)往返一次的時(shí)間，得到故障距離；當(dāng)僅在變電站母線與線路末端安裝行波測距裝置時(shí)，主站將各測距終端裝置進(jìn)行時(shí)鐘同步，根據(jù)兩終端裝置采集的故障行波信號(hào)時(shí)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(dāng)在變電站母線、環(huán)網(wǎng)柜母線和線路末端安裝行波測距裝置時(shí)，利用兩終端裝置采集的故障行波信號(hào)時(shí)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(jù)某一終端裝置測量點(diǎn)與故障點(diǎn)往返一次的時(shí)間對(duì)故障距離進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 雙端測距原理圖

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 高速數(shù)據(jù)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(hào)的需要，設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣(FPGA)的高速數(shù)據(jù)采集單元，單路信號(hào)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(tài)行波不同頻率分量的波速度不同，但實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于10 kV電纜線路，當(dāng)頻率大于2 MHz時(shí)，波速度將趨于穩(wěn)定。根據(jù)行波測距精度以及抗干擾能力綜合考慮，本測距系統(tǒng)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(tǒng)的高速采集單元實(shí)現(xiàn)對(duì)電流行波的100 MHz采集。

3 現(xiàn)場驗(yàn)證

所開發(fā)的適用10 kV電纜網(wǎng)絡(luò)分布式行波測距系統(tǒng)，已在多地投入運(yùn)行，并成功實(shí)現(xiàn)多起實(shí)際故障測距。以下分別為TJ變和BZ變某環(huán)網(wǎng)柜出線的兩次實(shí)際故障情況。

圖7為TJ變某環(huán)網(wǎng)柜出線及行波測距監(jiān)測點(diǎn)布置情況，行波測距裝置安裝在各環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)，對(duì)所有線路出口均進(jìn)行了監(jiān)測。某次故障時(shí)僅1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)環(huán)網(wǎng)柜記錄到故障電流行波，而4號(hào)環(huán)網(wǎng)柜行波測距裝置未啟動(dòng)，各線路行波波形如圖8所示。

圖7 TJ變某環(huán)網(wǎng)柜線路結(jié)構(gòu)圖

圖8 TJ變環(huán)網(wǎng)柜線路故障行波波形

根據(jù)線路結(jié)構(gòu)與行波信息可判斷故障點(diǎn)位于2號(hào)環(huán)網(wǎng)柜與3號(hào)環(huán)網(wǎng)柜之間的干線上，距2號(hào)環(huán)網(wǎng)柜12.4 m、3號(hào)環(huán)網(wǎng)柜207.6 m。后經(jīng)檢修人員查找，實(shí)際故障點(diǎn)距離2號(hào)環(huán)網(wǎng)柜11 m，測距系統(tǒng)誤差小于2 m。

圖9為BZ變某環(huán)網(wǎng)柜出線及行波測距監(jiān)測點(diǎn)布置情況，由于環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)空間狹小，行波測距裝置安裝在各出線末端配變處，僅對(duì)環(huán)網(wǎng)柜各出線的末端進(jìn)行了監(jiān)測。某次故障時(shí)4個(gè)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(huán)網(wǎng)柜線路結(jié)構(gòu)圖

圖10 BZ變環(huán)網(wǎng)柜線路故障行波波形

根據(jù)線路結(jié)構(gòu)與行波信息可判斷故障點(diǎn)位于1號(hào)環(huán)網(wǎng)柜1號(hào)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(rèn)測距結(jié)果正確。

從以上兩實(shí)例可以看出，故障測距系統(tǒng)根據(jù)測距終端裝置的安裝位置不同，采用相應(yīng)的測距流程，均能準(zhǔn)確確定故障位置。該系統(tǒng)適應(yīng)10 kV電纜網(wǎng)絡(luò)，測距精度高、可靠性好，可及時(shí)確定故障位置以便檢修人員處理故障。

4 結(jié)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(shí)間內(nèi)等效為短路狀態(tài)，使得線路末端也可以檢測到電流行波信號(hào)。

(2)分布式行波測距系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場安裝空間與通信條件，有選擇性地安裝于變電站母線、環(huán)網(wǎng)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(tǒng)已在現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行，實(shí)際故障測距結(jié)果表明該技術(shù)是可行、可靠的。