变电站10kV电缆出线单相故障初始行波特性分析

鲍 新 刘双喜 何 峰 孙树森 李垂有

1.国网济南供电公司 山东 济南 250021

2.山东理工大学电气与电子工程学院 山东 淄博 255049

3.中山供电局 广东 中山 528400

0 引言

我国配电网普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地，即属于小电流接地系统［1］。多年来小电流接地系统的选线问题一直未能得到很好的解决，目前电力系统普遍采用的方法是利用零序电流的选线方法［2］，采用的特征量主要有极性［3］、幅值［4］、能量［5］和突变量［6］等，但对于只安装两相电流互感器的系统，若想获取零序电流非常麻烦，故利用零序电流选线虽然具有很高的可靠性但也有一定的局限性，针对这种情况不少研究人员提出了基于两相电流行波的选线方法，通过比较模量电流行波的幅值与极性选择故障线路［7-8］。由于电缆较于架空线有占地空间小，敷设方便等优点，电缆在配网中的应用越来越广泛，电缆网络供电取代原有的架空线路供电已成为城市电网发展的必然趋势［9］。但电缆从结构上比架空线复杂的多，在小电流接地系统中，当电缆发生单相接地故障时其故障暂态特性与架空线也有一定的区别，所以这种情况下选线问题更加困难。目前在这方面进行研究的工作人员在建模时过于简单且理想化，分析得出的结论具有一定的偏差。为解决以上问题对于电流的初始行波特性研究便显得尤为重要，本文通过分析变电站电缆出线在不同位置发生单相接地故障时的初始行波特性，发现其与架空线路的暂态特性有一定的区别。

1 行波选线理论基础［10］

1.1 行波选线原理

当发生单相接地故障时，由于附加电源的作用，会产生暂态行波。行波首先由接地点开始向接地线路两端传播，并在母线处发生折射与反射，而且在线路上发生叠加，从而形成接地线路的初始行波；来自接地点的初始行波经折射进入非接地线路，形成非接地线路的初始行波。

根据行波传播理论，若系统发生单相接地故障，电流的入射波零模ir0由接地点传到母线，由于母线处波阻抗不连续发生反射，其折射波i″和i′发射波分别为：

式中：ir0为入射电流波；zm为母线的等效波阻抗；zl为接地线路的阻抗。

入射波和反射波叠加行程接地线路的初始零模分量电流行波为：

若非接地线路的波阻抗为zk，则从接地线路折射到非接地线路的折射波在各非接地线路分流，形成非接地线路的零模电流初始行波为 （假设有N条线路）：

对比（3）和（4）式不难发现：由于配电站有较多出线回路，母线的波阻抗远小于非接地线路的波阻抗，即zm≪zk，故接地线路的零模初始电流行波幅值远大于非接地线路的初始电流行波幅值，并且接地线路与非接地线路的初始电流初始行波极性相反；所有非接地线路的零模电流初始行波极性相同且幅值相近。上述原理的陈述证明故障暂态行波过程与接地方式无关，为解决小电流接地系统选线问题提出了新思路。

1.2 行波的获取

长期以来，人们认为常规的用于测量工频信号的电压、电流互感器（TV、TA）很难传变测距使用的暂态高频行波信号，因此早期的行波测距装置使用高压耦合设备测量电压行波信号，投资大、复杂，可靠性差。近年来研制出的光纤TV、TA能够传变高频行波信号，但离实用化还有一定的距离。

研究发现，常规的电流互感器（TA）能够很好地传变高频暂态电流信号，满足行波故障测距的要求。因此，行波测距装置可象普通的继电保护装置一样，直接接入电流互感器的二次回路。装置利用电流互感器的二次输出形成行波测距信号，不需要装设任何高压行波耦合设备，投资小，安装方便，容易被电网运行管理部门接受。

将电压或电流传感器采集到的模拟电压或模拟电流信号再利用数据采集装置在确保不失真的前提下转换为数字信号，并传输给微处理器分析。

2 变电站10kV电缆出线仿真模型

本文工作旨在研究变电站10kV电缆出线发生单相接地故障时的初始行波特性，建立如图1所示仿真模型。由于10kV电缆大多是三芯结构，故普遍采用金属屏蔽层两端直接接地方式［11］。本文所建立的模型中即采用三芯结构，金属屏蔽层双端直接接地的方式。

图1 仿真模型

在仿真模型中设置了两处不同故障点，如图1中所示。f1：电缆内部单相主绝缘故障，f2：电缆末端单相接地故障。电缆长度参数设置如下：电缆1长度为2km，电缆2长度为3km，电缆3长度为5km。

3 仿真分析

根据所建立的仿真模型进行仿真分析，仿真中设置故障发生时刻为0.21s。为了便于研究在仿真中设置B相故障。仿真结束后，利用Matlab对数据进行处理分析。

3.1 电缆内部单相主绝缘故障

1）金属性故障

当电缆在f1处发生主绝缘故障时，线路1、2、3三相电流及3倍零模电流初始行波分别如图2、图3、图4所示。

图2 线路1三相电流及3倍零模电流

图3 线路2三相电流及3倍零模电流

图4 线路3三相电流及3倍零模电流

分析以上3条线路的三相及零模初始电流行波，可以看出当线路1在f1处发生单相金属性接地故障时，线路1故障相与零模电流初始行波的极性相同而与非故障相极性相反，线路2、3作为非故障线路三相与零模初始电流行波极性相同，但与线路1的故障相和零模电流初始行波极性相反，与非故障相电流初始行波极性相同。仅对比零模或故障相电流初始行波极性可以判断出线路1为故障线路。而在该种情况下若要像架空线系统中一样实现利用两相电流行波实现选线是无法实现的。

2）非金属性故障

设定过渡电阻为50Ω，同样在f1处发生单相接地故障，分析过渡电阻对其故障特性的影响，仿真结果分别如图5、图6、图7所示。

图5 线路1三相电流及3倍零模电流

图6 线路2三相电流及3倍零模电流

根据以上波形图分析，当f1处发生非金属性接地故障时，由于过渡电阻的影响，各线路电流波的幅值被明显削减，但其对各线路电流初始行波的极性并无影响，所以该情况下对选线的可靠性分析与f1处发生金属性接地故障时相同。

图7 线路3三相电流及3倍零模电流

3.2 电缆末端单相接地故障

1）金属性故障

改变故障点到f2，重复上述仿真，并对波形进行处理分析。线路1、2、3三相电流及3倍零模电流波形分别如下图8、图9、图10所示。

图8 线路1三相电流及3倍零模电流

由仿真分析结果对比分析，可以看出在f2处发生单相金属性接地故障时，线路3故障相与零模电流初始行波极性相同，与非故障相电流初始行波极性相反；而非故障线路1、2三相与零模电流初始行波极性完全相同，其极性与故障线路故障相相反。仅对比3条线路零模或故障相电流初始行波可以判断出故障线路。所以该情况下利用两相电流行波法进行选线同样是不可靠的。

2）非金属性故障

设定过渡电阻为50Ω，同样在f2处发生单相接地故障，分析过渡电阻对其故障特性的影响，仿真结果分别如图11、图12、图13所示。

图9 线路2三相电流及3倍零模电流

图10 线路3三相电流及3倍零模电流

图11 线路1三相电流及3倍零模电流

根据以上波形图分析，当f2处发生非金属性接地故障时，由于过渡电阻的影响，各线路电流波的幅值被明显削减，但其对各线路电流初始行波的极性并无影响，所以该情况下对选线的可靠性分析与f2处发生金属性接地故障时相同。

图12 线路2三相电流及3倍零模电流

图13 线路3三相电流及3倍零模电流

4 结论

本文对变电站10kV电缆出线在不同位置发生单相接地故障时的电流初始行波特性进行了仿真研究，并分析了过渡电阻对其故障特性的影响。研究发现不论单相接地故障发生在何位置，利用零模电流初始行波极性或利用故障相电流初始行波极性进行选线都是可靠的，若电缆发生主绝缘故障时仅利用两相电流行波的选线方法并不可靠。

本文所做工作对小电流接地系统选线的可靠性提高具有一定的参考价值。

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