倪輝，田祿，李奇超，牛勃

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011)

XLPE電力電纜由于絕緣性能好、占地面積小和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于發(fā)、輸、配電系統(tǒng)中，其中變電站內(nèi)的電力電纜主要設(shè)置在10～35 kV出線以及連接站用變壓器、電容器、電抗器等[1]。近幾年，由于電纜故障導(dǎo)致失火甚至變電站全停事件時(shí)有發(fā)生[2]，監(jiān)測(cè)站內(nèi)電纜線路并在故障初期及時(shí)反饋運(yùn)維人員顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)在電纜監(jiān)測(cè)方面有溫度監(jiān)測(cè)[3-4]、護(hù)層電流監(jiān)測(cè)[5-6]、電纜溝內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)[7]和局部放電監(jiān)測(cè)[8-9]等，但其主要被應(yīng)用于中、高壓電纜及重要配網(wǎng)電纜線路中，結(jié)合變電站內(nèi)特點(diǎn)對(duì)電纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)還鮮有研究應(yīng)用[10-11]；因此，本文針對(duì)站內(nèi)電纜單相接地或短路故障，采用廣域同步的方式，對(duì)站內(nèi)電纜線路暫態(tài)零序電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用模擬試驗(yàn)對(duì)電纜線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 基于暫態(tài)零序電流法的電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，PT二次側(cè)輸出的三相電壓正常，零序電壓值幾乎為零，零序電流波形也幾乎為零。電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，非故障相電壓上升，故障相電壓下降，零序電壓增大；零序電流波形發(fā)生變化，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)比三相電壓波形相位及幅值等數(shù)據(jù)，判定線路發(fā)生了單相接地故障，并通過對(duì)各相電壓、電流的計(jì)算分析，判斷出接地故障的相別，同時(shí)向遠(yuǎn)程終端實(shí)時(shí)推送故障報(bào)警信息，以便通知人員及時(shí)處理電網(wǎng)故障。

其判斷原理如圖1所示，當(dāng)零序電壓觸及閾值后，會(huì)啟動(dòng)故障判斷，并根據(jù)接入線路采集電流計(jì)算各線路上零序電流大小和方向。故障線路暫態(tài)零序電流幅值最大，方向由線路流向母線，非故障線路暫態(tài)零序電流由母線流向線路，以此對(duì)故障類型及位置進(jìn)行判斷[12]。

該系統(tǒng)能正確有效地監(jiān)測(cè)出電纜線路故障的關(guān)鍵是采用暫態(tài)零序電流法，因?yàn)榻拥毓收袭a(chǎn)生的暫態(tài)零序電流幅值遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)值，且初始的暫態(tài)零序電流不受消弧線圈等設(shè)備的影響。為滿足獲得高質(zhì)量且可靠的暫態(tài)零序電流波形，系統(tǒng)的采樣精度與頻率需要足夠高。

圖1 電纜在線監(jiān)測(cè)裝置故障判斷原理

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

某330 kV變電站內(nèi)有8條35 kV電纜線路(2段母線)，分別連接4臺(tái)電容器、2臺(tái)電抗器和2臺(tái)站用變，對(duì)該電纜線路進(jìn)行監(jiān)測(cè)將可保證變電站安全運(yùn)行。在該站35 kV電纜裝設(shè)基于暫態(tài)零序電流法的電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其由遠(yuǎn)程終端、電流傳感器、電壓傳感器和廣域同步單元組成，對(duì)電纜線路的三相電壓和零序電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

由于站內(nèi)電纜線路短，零序電流微弱(穩(wěn)態(tài)0.5 A)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用開口式零磁通小電流傳感器測(cè)量每條電纜出現(xiàn)的零序電流，如圖2所示，測(cè)量范圍為1 mA～5 A。其特點(diǎn)為采用有源零磁通技術(shù)，有效提高了小電流傳感器的檢測(cè)精度(±0.01%)，除了選用起始導(dǎo)磁率較高、損耗較小的特殊合金作鐵心外，還借助電子信號(hào)處理技術(shù)對(duì)鐵心內(nèi)部的激磁磁勢(shì)進(jìn)行全自動(dòng)的跟蹤補(bǔ)償，保持鐵心工作在接近理想的零磁通狀態(tài)。

圖2 35 kV電纜線路監(jiān)測(cè)裝置傳感器布置

本系統(tǒng)的零序電流是由分別安裝于三相線路的采集單元錄波數(shù)據(jù)合成，如果三個(gè)采集單元之間的時(shí)間同步誤差較大，則會(huì)導(dǎo)致合成的零序電流誤差大于實(shí)際零序電流，必將導(dǎo)致故障選線和定位錯(cuò)誤；為此，系統(tǒng)采用高精度廣域同步單元，同步精度達(dá)到1 μs，達(dá)到監(jiān)測(cè)需要。

現(xiàn)場(chǎng)在發(fā)生故障時(shí)，初始零序電流持續(xù)時(shí)間很短，小于300 μs，為保證捕獲完整的初始暫態(tài)波形，則需要較高的采樣頻率，因此系統(tǒng)采樣頻率選用12.8 kHz；此外，系統(tǒng)采樣單元采用16 bits位寬的AD采樣芯片，相較于常規(guī)的12 bits采樣位寬，大幅提高了采樣準(zhǔn)確性，同步擴(kuò)大了測(cè)量范圍。

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證該330 kV變電站35 kV電纜線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝設(shè)完畢后，進(jìn)行單相失壓模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)人工單相接地試驗(yàn)。

2.1 單相失壓模擬試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)通過繼電保護(hù)測(cè)試儀模擬單相失壓情況。在35 kV電纜線路監(jiān)測(cè)裝置端子箱Ⅱ處去掉由保護(hù)屏柜接入的UN以及IA、IB、IC，將繼電保護(hù)測(cè)試儀的輸出電壓、電流對(duì)應(yīng)信號(hào)接入端子箱，如圖3所示，并通過以下試驗(yàn)步驟進(jìn)行：

(1)在電纜線路監(jiān)測(cè)裝置停機(jī)狀態(tài)下，拆下由控制屏柜取來的電壓、電流輸入信號(hào)線，接入繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出信號(hào)線，電流接入選取3號(hào)電容器出線。接線完成，確認(rèn)相序及信號(hào)接入位置是否正確。

(2)啟動(dòng)繼電保護(hù)測(cè)試儀，并設(shè)置輸出電壓與電流信號(hào)，模擬保護(hù)屏柜運(yùn)行狀態(tài)下的輸出信號(hào)，開啟電纜線路監(jiān)測(cè)裝置。

圖3 電纜在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)接線

(3)調(diào)整繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出信號(hào)，使其零序電壓輸出大于電纜在線監(jiān)測(cè)裝置保護(hù)啟動(dòng)值(缺省值為15 V，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整)，調(diào)整繼電保護(hù)測(cè)試儀電流輸出信號(hào)，拆除3號(hào)電容器A相電流輸入。核對(duì)判別單元判定系統(tǒng)發(fā)生故障的類型，以及是否同時(shí)向遠(yuǎn)程終端實(shí)時(shí)推送故障報(bào)警信息(故障時(shí)間、故障線、故障相、故障區(qū)段及斷線類故障的及時(shí)告警)。

2.1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析

試驗(yàn)通過調(diào)整繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出信號(hào)，模擬故障零序電壓使其輸出大于電纜在線監(jiān)測(cè)裝置保護(hù)啟動(dòng)值(缺省值為15 V，本次試驗(yàn)為20 V)，調(diào)整繼電保護(hù)測(cè)試儀電流輸出信號(hào)模擬故障零序電流(本次為1 A)。報(bào)警信息(故障時(shí)間、故障線、故障相、故障區(qū)段及斷線類故障)正確，如圖4所示。各條出線的零序電壓、電流錄波如圖5、圖6所示，313線零序電流為繼電保護(hù)測(cè)試儀電流輸出信號(hào)，其它線路未監(jiān)測(cè)到異常模擬信號(hào)。

圖4 系統(tǒng)故障判斷結(jié)果

圖5 零序電壓錄波波形

圖6 各條出線的零序電流錄波波形

2.2 單相接地試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)步驟

為獲得真實(shí)故障時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)零序電流以及比對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的正確性，需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人工單相接地試驗(yàn)，接線如圖7所示，斷路器采用快速接地開關(guān)。試驗(yàn)時(shí)，將斷路器進(jìn)線側(cè)與被試線路待接地相可靠連接，出線側(cè)經(jīng)測(cè)量CT可靠接地，接線過程中斷路器始終保持在“分”位。將暫態(tài)參數(shù)記錄儀電流通道串入測(cè)量CT回路，并選用合適檔位；同時(shí)將電纜線路監(jiān)測(cè)裝置所測(cè)三相電流以及零序電壓串入暫態(tài)參數(shù)記錄儀[13]。

圖7 接地試驗(yàn)接線

試驗(yàn)步驟如下：

(1)試驗(yàn)前檢查被試側(cè)斷路器外觀、狀態(tài)、例行試驗(yàn)報(bào)告、檢修記錄，確保設(shè)備狀態(tài)正常；

(2)在停電狀態(tài)下，對(duì)電纜進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試；檢查完畢，進(jìn)行試驗(yàn)接線；

(3)對(duì)被試側(cè)斷路器保護(hù)裝置進(jìn)行檢查，核對(duì)其整定值并檢查保護(hù)裝置定檢報(bào)告；

(4)接線檢查無誤后，由運(yùn)行人員送電；

(5)接地試驗(yàn)開始，合上快速接地開關(guān)，由暫態(tài)參數(shù)記錄儀記錄波形。核對(duì)判別單元判定系統(tǒng)發(fā)生故障類型以及是否同時(shí)向遠(yuǎn)程終端實(shí)時(shí)推送故障報(bào)警信息(故障時(shí)間、故障線、故障相、故障區(qū)段及斷線類故障的及時(shí)告警)。

2.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

試驗(yàn)驗(yàn)證313線(3號(hào)電容器)A相單相接地情況，接地時(shí)間為3.6 s。

試驗(yàn)用錄波儀在母線PT柜處錄波如圖8所示。當(dāng)接地發(fā)生，A相電壓跌落至1.196 kV，B相電壓升至32.465 kV， C相電壓升至32.803 kV，零序電壓升至31.281 kV。

圖8 單相接地試驗(yàn)?zāi)妇€PT柜處錄波

合成零序電流波形如圖9所示，在接地時(shí)有4簇較大脈沖，峰值分別為25.6 A、25.6 A、12.0 A、20.8 A，穩(wěn)定后合成零序電流有效值為2.83 A。

圖9 合成零序電流錄波

接地點(diǎn)電流如圖10所示，接地點(diǎn)瞬時(shí)沖擊電流峰值可達(dá)491.28 A，接地的穩(wěn)態(tài)接地電流(電容電流)有效值為0.99 A。

圖10 單相接地試驗(yàn)接地點(diǎn)電流錄波

監(jiān)測(cè)裝置在A相發(fā)生接地告警如圖11所示，報(bào)警信息(故障時(shí)間、故障線、故障相、故障區(qū)段及斷線類故障)正確。

圖11 系統(tǒng)故障判斷結(jié)果

監(jiān)測(cè)裝置和試驗(yàn)裝置錄波的零序電壓對(duì)比如圖12，接地故障開始階段與結(jié)束階段波形形狀基本一致。

(a)監(jiān)測(cè)裝置錄波波前

(b)試驗(yàn)裝置錄波波前

(c)監(jiān)測(cè)裝置錄波波尾

(d)試驗(yàn)裝置錄波波尾

監(jiān)測(cè)裝置對(duì)各條出線的零序電流錄波如圖13所示，313線暫態(tài)零序電流方向與其它線路零序電流反向，且313線零序電流數(shù)值較大(約2.5 A)。

圖13 監(jiān)測(cè)裝置各條出線的零序電流錄波波形

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)35 kV電纜線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的單相失壓模擬試驗(yàn)和人工單相接地試驗(yàn)結(jié)果，比對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置和試驗(yàn)儀器所采電壓、電流波形，確定該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的暫態(tài)零序電流滿足精度要求，功能正常，單相接地情況下能提供及時(shí)正確的故障報(bào)警信息(故障時(shí)間、故障線、故障相、故障區(qū)段及斷線類故障)。

3 推廣措施及建議

(1)由于零序電流微弱，采集三相電流應(yīng)配備具有足夠精度(±0.01%)的電流互感器；

(2)為保證合成的零序電流的準(zhǔn)確，電流的采樣單元應(yīng)具有較高的同步精度(1 μs)；

(3)為保證捕獲完整的初始暫態(tài)波形，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有較高的采樣頻率和采樣位寬；

(4)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝需無破壞性，不會(huì)造成電纜及其他器件外破損壞等情況發(fā)生；

(5)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝后應(yīng)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 結(jié) 論

以某330 kV變電站內(nèi)電纜監(jiān)測(cè)需要為例，設(shè)計(jì)了一套結(jié)合暫態(tài)零序電流法和廣域同步的電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過單相失壓模擬試驗(yàn)和人工單相接地試驗(yàn)驗(yàn)證此系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地采集電纜線路故障發(fā)生時(shí)的暫態(tài)零序電流，并能及時(shí)將故障報(bào)警信息上報(bào)運(yùn)維人員，保證變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。