區域電網電纜—架空線混合線路故障區間判別方法及實現

李園園，沈 軍，朱曉彤，王 耀，劉革明

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102)

受城市空間和規劃的限制，電纜—架空線混合線路在大中城市中的應用越來越廣泛。由于架空線故障以瞬時性故障居多，一般需要啟動重合閘，而發生在電纜的故障，則往往是永久性故障，如電纜絕緣破損、電纜中間接頭故障等，再次重合會對電纜產生較大的損傷，對系統也會造成二次故障沖擊，因此一般要求閉鎖重合閘。當電纜—架空線混合線路發生故障時，必須先由檢修人員找出故障點，查明故障點是位于架空線還是電纜段，只有找到故障點，確定為架空線故障時，才能下達手合故障線路命令，這對檢修人員提出了很高要求，同時要耗費大量的人力與物力。

目前對于電纜—架空線混合線路的研究主要集中在保護方面的研究，對快速定位故障區間的研究則比較少[1-3]。文獻[4]提出了一種適用于架空線—電纜混合線路的新型電抗繼電器，該方法可以在線區分電纜故障和架空線故障，但該方法必須基于差動保護原理和通道，對無通道保護而言并不適用。文獻[5]提出了一種超高壓架空線—電纜混合線路故障測尋方法，但該方法為基于錄波器數據的離線計算，且計算方法復雜，不能滿足在線判斷的要求。另外，由于受限于傳統電磁式電流互感器（TA）安裝體積及造價等原因，現有的識別架空線—電纜混合線路故障區間的方法，大都是利用現有的保護測量回路，在現有的保護裝置中進行功能修改，增加相關判據和定值實現。這些方法在短線或多級混聯線路應用時難以整定，誤差很大。同時由于這些方法是集成在線路保護裝置中，一方面增加了保護裝置的復雜性，另一方面故障定位信息分散，不利于運行和檢修人員的集中分析。

光學TA 具有絕緣結構簡單、體積小、重量輕，傳變特性好，安裝簡單等特點，在電力系統變電站，特別是智能化變電站中取得了越來越廣泛的應用。其中，柔性光學TA的出現則使得光學互感器的安裝和維護更加方便，可任意彎曲的光纜可適應于任意形狀的導體，特別適合于變電站改造、安裝空間狹小、不停電安裝檢修等應用場合[6]?；诠鈱W互感器技術，以及智能變電站技術[7-10]的發展，本文提出了一種面向區域電網的識別電纜—架空線混合線路故障區間的新方法。

1 系統整體方案架構

一個包含4個變電站的小型區域電網如圖1 所示。中心變電站（在110 kV 系統中，一般為主供電源變電站）與其他變電3個站之間分別有線路1、線路2、線路3 三條輸電線路相連，其中線路1為兩段式架空線—電纜混合線路，線路2為三段式架空線—電纜混合線路（架空—電纜—架空線路），線路3 全線均為架空線。傳統的方法是在中心變電站和站1、站2、站3 分別配置6臺保護裝置，由各保護裝置采集安裝點故障信息，完成故障點的判斷。

圖1 傳統判別方案示意圖

有別于傳統以單一線路為對象的方法，本文提出的方法是以整個區域電網為檢測對象，區域電網內包含多個變電站，以及變電站間的多條架空線—電纜混合線路。本方案在區域電網中選定一個變電站作為中心變電站（無特別要求，在110 kV 系統中，一般為主供電源變電站），僅在中心變電站內配置一臺集中式的故障區間判別裝置（與保護裝置獨立的單獨裝置），由該裝置將區域電網內所有輸電線路的電氣量信息進行集中匯總處理，實時完成區域電網中任一段線路發生故障時的故障區間定位。

本方案數據采集系統是基于光學互感器，特別是柔性光學互感器技術。本方案根據區域電網的網絡拓撲，在圖1 所示的區域電網中各線路的兩端以及電纜—架空線交接處（如圖2 中“○”所示）分別安裝光學互感器（特別是柔性光學互感器）和就地數據采集裝置（合并單元）。為方便敘述，將所述互感器安裝點定義為測量點，兩相鄰測量點之間的輸電線路定義為一個故障區間。光學互感器負責一次電流的采集，數據采集裝置完成數據的采集和轉換后，通過光纖將數據傳送給中心變電站的集中式故障區間判別裝置。本方案整體示意圖如圖2所示。

圖2 故障區間判別方案示意圖

由于各個測量點的合并單元均為就地安裝，其與中心變電站的距離大多都超過2 km，多模光纖的數據傳輸可靠性無法得到保證，故本方案采用單模光纖將采樣數據送到中心變電站的集中式故障區間判別裝置。通道連接方式如圖3 所示，可選擇專用光纖或復用通道。

圖3 通道連接方式

中心變電站的故障區間判別裝置采用集中式設計，即僅由1 臺裝置完成整個區域電網所有線路的故障區間定位。故障區間判別裝置接收區域電網內所有測量點的數據，進行綜合分析處理，并在故障后識別出故障區間，實現故障的快速定位和檢修，加快故障后系統恢復供電的能力。

2 故障區間判別方法

基于上述的系統平臺架構，集中式故障區間判別裝置可以實時獲取區域電網內各個測量點的故障電流采樣值。由于本方案在電纜—架空線交接處都安裝了柔性光學互感器，故通過分析各測量點的故障電流特征，就可以很方便地判別出故障發生的區間。

對于單電源供電線路，當發生區內故障時，故障區間電源側相間電流主要表現為較大的故障電流，而負荷側由于無電源提供短路電流，其相間電流主要是少量分流的正序和負序故障電流，以及負荷電流的疊加，電源側和負荷側兩者相間電流的數量級別差異明顯。根據上述故障電流特征，在故障區間判別裝置中對每個測量點設置一個可整定的電流定值，在區域電網內發生故障后，故障區間判別裝置按線路依次掃描各測量點故障相間電流，若滿足一側相間電流大于整定的電流定值，而另一側相間電流小于整定的電流定值，則判斷為該區間內發生故障。

對于雙電源或多電源供電線路，采用電流差動原理實現故障區間的判斷。故障區間判別裝置按線路依次計算各故障區間的兩側分相電流和，若該值大于整定值，則判斷為該區間內發生故障。由于差動方案涉及兩側數據同步等技術，則在本文中不做詳細敘述。

3 集中式故障區域判別裝置

上述方案中，設在中心變電站的集中式故障區間判別裝置是為本方案專門研發的新裝置，該裝置接收所有測量點的故障數據，完成整個區域電網的故障區間判別邏輯。為了兼容不同規模的區域電網，以及不同的架空線—電纜混合段數，集中式故障區間判別裝置硬件采用即插式標準插件，軟件采用模塊化設計。這種設計方法可實現按照區域電網的輸電線路出線數實例化插件和故障判斷模塊，按照每條輸電線路的測量點數實例化數據接收和處理模塊，線路出線數和測量點數均可采用參數整定實現，從而可靈活適用于各種不同網絡拓撲的區域電網。如圖4 所示，故障區間判別裝置整體結構由電源插件，判別CPU 插件（可擴展），人機接口插件，光耦插件組成，可根據區域電網的規模和網絡拓撲靈活擴展插件。判別CPU 插件通過光口接收各測量點來的數據，并進行處理，在系統發生故障時，依次掃描2個相鄰測量點的數據，完成故障區間的判斷。光耦插件主要實現對時、打印、投檢修態、信號復歸等開入命令的采集。人機接口插件完成顯示、錄波、打印、報文等人機通信功能。

判別CPU 插件根據區域電網的線路條數進行擴展，每個CPU 插件的光口數根據各條混合線路上的測量點數進行配置?？紤]到一般情況下系統中最多是三段線路混合，本方案中以4 光口插件作為標準配置。仍以圖1 所示的區域電網為例，說明裝置的實際配置實現過程。如圖5 所示，首先根據線路條數實例化3個標準CPU 插件，分別實現線路1至線路3的故障區間判別；然后根據每條線路的測量點數分別在線路1至線路3 插件中實例化3，4，2個數據接收和處理模塊。

圖4 故障區間判別裝置的典型配置圖

圖5 故障區間判別裝置實際系統配置圖

對于單電源供電線路，當發生區內故障時，如圖5中線路2 發生區內故障，在線路2的TA1，TA2，TA3測量點均流過較大的故障電流，其相間電流均大于整定的電流定值，而TA4 測量點位于故障點的負荷側，其相間電流小于整定的電流定值，則判斷為線路2的TA3，TA4 測量點間的段3 發生故障。

對于雙電源或多電源供電線路，當發生區內故障時，如圖5 中線路2 發生區內故障，線路2的段1 和段2 流過的電流均為穿越電流，其兩側TA的分相電流和均為0，而段3的兩側TA 分相電流相加，其和很大，故判斷為線路2的TA3，TA4 測點間的段3 發生故障。

4 現場檢修及異常情況處理機制

由于本方案是面向區域電網，采用集中式裝置實現，系統中任一一次設備檢修或故障，或裝置的某一測量點數據故障將可能導致這個方案失效，故必須考慮靈活的系統檢修及異常情況處理機制，將局部因素對整體方案的影響降到最小。

4.1 現場檢修機制

集中式故障區間判別裝置對每個數據接收口均獨立設置SV 接收軟壓板，若SV 接收軟壓板置退出位置，則裝置自動退出與該TA 有關的所有采樣、自檢、邏輯功能，其他均不受影響。

現場任一線路的檢修不影響區域電網其他線路邏輯判斷的正常運行。如圖5 線路1 檢修需退出運行時，將線路1的CPU 插件上RX1～RX3 對應的SV 接收軟壓板均置退出狀態即可，線路2 和線路3的CPU 插件可繼續運行。線路上任一TA 或光學互感器的檢修不影響整條線路的運行。如圖6 所示線路2 上的TA2檢修，僅需將線路2的CPU 插件上TA2 對應的RX2的SV 接收軟壓板置退出狀態，則RX2 對應的所有采樣、自檢、邏輯均退出。裝置自動按照實際有效的TA1，TA3，TA4 測量點重新進行故障區間劃分，將TA1～TA3 視為段1，TA3～TA4 視為段2。在圖6 所示處發生短路故障，裝置報“線路2 段2 故障”。

圖6 TA2 檢修

4.2 裝置異常處理機制

安裝于中心變電站中的集中式故障區間判別裝置任一CPU 插件的故障不影響其他CPU 插件的正常運行。如線路1的CPU 插件故障，僅自動退出線路1的判斷功能，線路2 和線路3的功能不受影響。集中式故障區間判別裝置任一光纖接收口故障不影響整條線路的運行。如圖7 所示，線路2的CPU 插件上的RX2接收故障，若暫時無法更換插件，僅需將該插件上RX2 對應的SV 接收軟壓板置退出狀態，則RX2 對應的所有采樣、自檢、邏輯均退出。裝置自動將TA1～TA3 視為段1，TA3～TA4 視為段2。在圖7 所示處發生短路故障，裝置報“線路2 段2 故障”，即處理結果類似于TA2 檢修。

圖7 RX2 故障

如圖8 所示，線路1的CPU 插件，其光纖接收口有冗余的情況，若該插件上的RX3 接收故障，若暫時無法更換插件，可將TA3的采樣光纖接入RX4，同時將RX3 對應的SV 軟壓板置退出狀態，將RX4 對應的SV 接收軟壓板置投入狀態，則RX3 對應的所有采樣、自檢、邏輯均退出，RX4 邏輯投入。裝置自動將RX2～RX4 對應于TA2～TA3，裝置仍將TA1～TA2視為段1，TA2～TA3 視為段2 不變。

圖8 RX3 故障

5 柔性光學TA 及現場應用方案

光學TA 是一種新型的光學計量技術，是基于法拉第（Faraday）磁光效應測量一次電流的互感器。光學TA 采用光纖作為Faraday 傳感材料，一次端無需供電，抗電磁干擾能力強，且不存在磁飽和及鐵磁諧振等問題；采用反射式光纖Sagnac 干涉技術實現對光信號的測量[7]，精度高；通過光纖互易結構，使外界的溫度、壓力等影響能互相抵消，降低了互感器受環境溫度、振動等干擾因素的影響，提高了互感器的精度和穩定性。

柔性光學TA 是一種特殊安裝形式的光學互感器，與普通光學TA的區別是：柔性光學互感器的一次傳感部分僅僅為一根帶反射鏡的光纖，該傳感光纖采用了特殊的工藝處理后制成非鎧裝傳感光纜，傳感光纜沒有固定的形狀，可以靈活地盤繞在絕緣電纜外圍形成光纖傳感環。柔性光學的TA 各主要器件如圖9所示。

圖9 柔性光學TA 結構圖

柔性光學TA 現場安裝時只需將傳感光纜靈活纏繞在一次導體周圍即可，安裝方式靈活，其傳感光纜能適應任意尺寸的導體，可以現場繞制和熔接，安裝和維護方便，尤其適用于變電站的改造或系統新增測量點等工程中。柔性光學互感器傳感光纜可纏繞在絕緣電纜的外圍，處于低壓側，安裝過程中對絕緣電纜沒有損傷，因此在安裝過程中無需停電，可達到不停電加裝TA的目的。典型的柔性光學互感器的帶電安裝方式如圖10 所示，圖中傳感光纜可在絕緣電纜帶電情況下進行纏繞。

圖10 柔性光學互感器典型傳感纜安裝方式

6 結束語

本方案已經在試點工程獲得實施，依據本方案研發的故障區間判別裝置、柔性光學互感器、數據采集單元也已經投入運行。工程投運以來，經歷了多次故障的考驗，運行情況表明，區域電網內故障時，故障區域判別裝置能夠實時給出正確的故障區段指示，區域電網外的故障，裝置不會誤判別。

（1）實現故障的實時定位，架空線瞬時故障可快速恢復供電；減輕了故障尋線工作量，加快了永久故障檢修和系統恢復供電的速度。

（2）將整個區域電網的故障定位功能集中在中心變電站的1 臺裝置中，實現了故障信息的集中獲取和同步分析，裝置占用屏柜少，投資省，經濟實用。

（3）柔性光學互感器體積小，重量輕，抗電磁干擾能力強，可靈活適應于各種現場條件，實現不停電安裝和檢修，現場施工簡單。

（4）檢修機制簡單，異常情況處理智能化，使用及維護工作量小。

本方案對于架空線—電纜混合線路較多的城市電網來說，具有較大的推廣使用價值。

[1]江少成，岳亞麗，潘震宇，等.架空線-電力電纜混合線路特性及保護配置探討[J].四川電力技術，2009，32(6)：42-44.

[2]許曉慈.架空-電纜混合線路的自適應保護方案[J].華東電力，2005，33(9)：58-60.

[3]范春菊，宋蓓華，郁惟鏞.電纜-架空混合線路相間距離保護方案研究[J].供用電，2006，23(5)：33-36.

[4]沈 軍，李超群，朱曉彤，等.高壓電纜-架空線混合線路重合閘新判據[J].電力系統自動化，2012，36(13)：97-100.

[5]吳承恩，邰能靈，郁惟鏞.超高壓電纜-架空線混合線路故障測尋方法[J].供用電電力系統自動化，2005，29(10)：26-29.

[6]王曉菁.光學電流互感器的研究方向與現狀[J].電力科學與工程，2008，24（2）：34-36.

[7]吳 罡，李 琳，李 翔.110 kV 智能變電站設計方案初探[J].江蘇電機工程，2011，30(2)：31-35.

[8]張沛超，高 翔.智能變電站[J].電氣技術，2010(8)：4-10.

[9]金 逸，劉 偉，查顯光，等.智能變電站狀態監測技術及應用[J].江蘇電機工程，2012，31(2)：12-15.

[10]許小兵，董麗金，袁 棟.智能變電站小電流接地選線裝置的研究與實現[J].江蘇電機工程，2013，32(5)：55-58.