10kV電纜金屬護層接地方式對故障暫態行波特性的影響

孫樹森，陳　平，馬永明，胡晶晶，曹運剛，王　龍

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；

2.國網微山縣供電公司，山東 濟寧 277600；3.國網高密市供電公司，山東 濰坊 261500)

10kV電纜金屬護層接地方式對故障暫態行波特性的影響

孫樹森1，陳平1，馬永明2，胡晶晶3，曹運剛1，王龍1

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；

2.國網微山縣供電公司，山東 濟寧 277600；3.國網高密市供電公司，山東 濰坊 261500)

摘要：分析了變電站10kV電纜出線發生單相接地故障時，電纜金屬護層不同接地方式對故障暫態特性的影響.重點分析對比了暫態電流波初始極性，并利用PSCAD仿真軟件進行仿真，利用MATLAB對所獲取的波形進行處理比較.大量的仿真結果表明，不同金屬屏蔽層接地方式下發生單相接地故障時，故障暫態特性會有所區別，會對原有的故障特性產生影響.

關鍵詞：電纜；金屬護層接地；小電流接地系統

收稿日期：2015-01-06

作者簡介:孫樹森，男，1408896487@qq.com

文章編號：1672-6197(2016)01-0041-05

中圖分類號：TM61

文獻標志碼：A

Abstract:We analyze the impact of different metal shield grounding on the fault transient characteristics of cables when the 10kV substation cable outlet single-phase ground fault occurs. We focuse on analysis and comparison of the initial transient current wave polarity and use PSCAD simulation software to simulate, then use MATLAB for processing and comparing the acquired waveform. Substantial simulative results show that single-phase ground fault occurs in different metal shield grounding method,and the fault transient characteristics will be different, and affect the fault characteristics.

The impact of 10kV cable metal shield grounding

on fault transient traveling wave characteristics

SUN Shu-sen1, CHEN Ping1, MA Yon-ming2, HU Jing-jing3, CAO Yun-gang1, WANG Long1

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Techmology, Zibo 255049, China;

2.State Grid Weishan Eleetric Power Company,Jining 277600,China;

3. State Grid Gaomi Electric Power Company, Gaomi 261500, China)

Key words: cable; metal shield grounding; non-effectively earthed system

我國配電網普遍采用中性點不接地或經消弧線圈接地，即屬于小電流接地系統[1].多年來小電流接地系統的選線問題一直未能得到很好的解決，目前電力系統普遍采用的方法是利用零序電流的選線方法[2]，采用的特征量主要有極性[3]、幅值[4]、能量[5]和突變量[6]等，但對于只安裝兩相電流互感器的系統，若想獲取零序電流非常麻煩，故利用零序電流選線雖然具有很高的可靠性但也有一定的局限性[7].近年來行波法也廣泛應用于故障線路的選線，而行波法是利用故障電流初始行波的極性進行選線，目前僅局限于架空線路.由于電纜較于架空線有占地空間小，敷設方便等優點，電纜在配網中的應用越來越廣泛，電纜網絡供電取代原有的架空線路供電已成為城市電網發展的必然趨勢[8].但電纜從結構上比架空線復雜的多，在小電流接地系統中，當電纜發生單相接地故障時其故障暫態特性與架空線也有一定的區別，所以這種情況下選線問題更加困難.若想將行波法應用到電纜線路，需要對電纜線路發生故障后的行波特性進行一定研究.通過分析電纜金屬護層不同接地方式下單相故障特性，可以得出電纜金屬護層接地方式不同對故障暫態行波的影響.

1電纜金屬護層接地方式的選擇

10kV電纜大多是三芯結構，故普遍采用兩端直接接地方式.隨著經濟與技術的發展，負荷密度增大，環網開關柜等設備的應用，市區變電所出線和電纜網供電主干線電纜開始采用較大截面積的單芯電纜，也就帶來了金屬屏蔽層接地方式的問題[8].

根據安全、經濟、合理的原則，電纜線路金屬護層接地方式主要分為以下三種[9]：

(1)金屬護層兩端直接接地.

(2)金屬護層一端直接接地，另一端通過護層保護接地.

(3)金屬護層交叉互聯.

本文旨在研究電纜線路在不同接地方式下發生單相接地故障后的故障行波特性，從現場實際應用和防止雷電波侵入變電站的角度出發，電纜輸電線路一般選擇在負荷側直接接地，并并聯一組氧化鋅避雷器，長電纜在電源側，也即在變電站內通過保護器接地；數公里長的電纜，可以將電纜護層分段，分段處的護層交叉互聯后通過保護器接地；而對于三芯電纜均采用金屬護層雙端接地.仿真時對以上因素予以考慮，對三種不同電纜金屬屏蔽層接地方式下的主絕緣故障特性進行仿真，通過仿真進行對比分析.

2變電站10kV電纜出線仿真模型

主絕緣故障是指電纜因老化或受潮等原因而引起的導體與金屬屏蔽層之間的絕緣故障，建立如圖1所示的主絕緣故障仿真模型，并在PSCAD仿真軟件中進行仿真分析.設置線路1處f1點B相接地，圖中僅給出了電源側經保護接地，負荷側直接接地一種方式，而雙端直接接地較為簡單，直接將金屬護層兩端接地即可，而交叉互聯需將電纜分段，金屬護層進行交叉互聯.對兩端直接接地以及交叉互聯的仿真模型在此不再給出.仿真中設置系統末端懸空，各電纜線路采用幾何分布模型，仿真時間為0.05s，故障時間為0.02s，故障持續時間為0.02s，采樣頻率為2MHz，仿真結束后利用Matlab對波形進行處理，僅提取故障初始時刻在內的0.02s進行觀察對比.電纜及架空線長度參數設置如下：電纜1長度為3km，電纜2長度為4km，電纜3長度為3.5km.

圖1　仿真模型

3仿真分析

3.1　金屬護層兩端直接接地

利用圖1中的仿真模型在PSCAD中進行仿真，將接地方式改為兩端直接接地.對3條線路的三相暫態電流與3倍零序電流進行處理分析，結果如圖2~圖4所示.

圖2　電纜護層兩端接地時線路1的暫態電流

圖3　電纜護層兩端接地時線路2的暫態電流

圖4　電纜護層兩端接地時線路3的暫態電流

由仿真結果分析可知，對比零序電流可以看出，線路1零序初始暫態電流行波的極性與其余線路相反；三條線路的B相極性均與同線路零序電流初始行波極性相同，而故障線路的B相電流初始行波極性與非故障線路的B相極性相反；同線路的A、C相電流初始行波極性相同，故障線路與非故障線路的A、C相極性相反；未發生接地故障的兩條電纜線路，其三相初始暫態電流的極性全部與本線路的零序初始暫態電流極性一致，而故障線路三相初始暫態電流極性不完全一致.

3.2　金屬屏蔽層負荷側一端接地

改變金屬屏蔽層的接地方式為負荷側單端接地，電源側經保護接地，重復上述的仿真，并對波形進行處理分析.結果如圖5~圖7所示.

圖5　金屬屏蔽層負荷側一端接地時線路1的暫態電流

圖6　金屬屏蔽層負荷側一端接地時線路2的暫態電流

圖7　金屬屏蔽層負荷側一端接地時線路3的暫態電流

由仿真分析結果可知，對比零序電流初始行波極性可知故障線路與非故障線路極性相反；三條線路的B相極性均與同線路零序電流初始行波極性相同，而故障線路的B相電流初始行波極性與非故障線路的B相極性相反；同線路的A、C相電流初始行波極性相同，故障線路與非故障線路的A、C相極性相反；未發生接地故障的兩條電纜線路，三相初始暫態電流的極性不再一致，只有A、C相極性一致，B相與A、C相相反，與零序一致.該接地方式下故障暫態行波特性與金屬護層兩端接地時呈現出不同的特性.

3.3　金屬屏蔽層交叉互聯

將電纜進行分段并交叉互聯后進行仿真，為了使研究更具完整性，仿真時應設置不同的故障位置，分別對交叉互聯前、后以及交叉互聯點發生單相接地故障后的故障暫態行波特性進行觀察分析，在交叉互聯點發生單相接地故障又分為電纜線芯與同相金屬屏蔽層相連和電纜線芯和交叉后的一相金屬屏蔽層相連兩種情況.針對以上幾種情況分別進行仿真分析.

1) 設置故障點位于交叉互聯點

(1)當電纜線芯與同相金屬屏蔽層相連時對3條線路的三相暫態電流與3倍零序電流進行處理分析，結果如圖8~圖10所示.

圖8　電纜線芯與同相金屬屏蔽層相連時線路1的暫態電流

圖9　電纜線芯與同相金屬屏蔽層相連時線路2的暫態電流

圖10　電纜線芯與同相金屬屏蔽層相連時線路3的暫態電流

由仿真分析結果可知，該情況與金屬護層一端接地時的情況一致.

(2)當電纜導芯與交叉后一相金屬屏蔽層相連時對3條線路的三相暫態電流與3倍零序電流進行處理分析，結果如圖11~圖13所示.

圖11　電纜導芯與交叉后一相金屬屏蔽層相連時線路1的暫態電流

圖12　電纜導芯與交叉后一相金屬屏蔽層相連時線路2的暫態電流

圖13　電纜導芯與交叉后一相金屬屏蔽層相連時線路3的暫態電流

根據圖示可以看出，對比零序電流初始行波極性可知故障線路與非故障線路極性相反；三條線路的B相極性均與同線路零序電流初始行波極性相同，而故障線路的B相電流初始行波極性與非故障線路的B相極性相反；兩條非故障線路故障暫態特性相似，故障線路與非故障線路三相電流初始行波極性相反；同一線路各相電流初始行波極性完全相同，故障線路的A、C相電流初始行波極性與非故障線路的A、C相極性相反.該種情況下的故障特性與上述幾種情況都不相同.

2) 設置故障點在交叉互聯前、后

根據仿真分析，當故障點在交叉互聯前時其故障暫態特性與金屬護層兩端接地時故障暫態特性一致；當故障點在交叉互聯后時其故障暫態特性與故障點在交叉互聯點且電纜導芯與交叉后一相金屬屏蔽層相連時故障暫態特性一致.這兩種情況下的故障暫態特性均有一致的情況，故仿真圖示不再給出.

4結論

在研究了電纜金屬護層接地方式的基礎上，針對不同的接地方式，對小電流接地系統的出線電纜發生單相接地故障時進行了研究分析，通過以上仿真結果的分析可以得出以下結論：

1) 當單芯電纜選擇一端接地或交叉互聯時發生單相接地故障，其故障暫態特性并

不完全相同，即金屬護層的接地方式會對電流初始行波特性產生影響.

2) 如果將行波選線法利用到電纜線路則需要考慮不同的金屬護層接地方式對電流初始行波的影響.

3) 電纜線路不論采取哪種金屬護層接地方式，當發生單相接地故障時，故障線路的故障相電流與零序電流初始行波極性與非故障線路的同相極性總是相反的.

參考文獻

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(編輯：劉寶江)