10 kV配電網(wǎng)故障在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和定位分析

何 毓，顧育濱，薛成頌，秦富云，陳 珍，王 飛

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，海南 海口 570100；2.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瓊中供電局，海南 瓊中 572900）

0 引 言

在加快城市一體化建設(shè)和農(nóng)村電網(wǎng)改造的大環(huán)境和大背景下，我國(guó)電力需求日益增高，對(duì)供電安全性和供電效率的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。在大力發(fā)展城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，城鄉(xiāng)配網(wǎng)改造隨著農(nóng)網(wǎng)和城網(wǎng)改造的進(jìn)一步深入、電力電纜的廣泛投入以及新型配件設(shè)備的啟用，10 kV及以上高電壓等級(jí)的建設(shè)已基本完備，提升了自動(dòng)化水平，使得調(diào)度管理和運(yùn)行管理更加規(guī)范，大幅降低了配網(wǎng)故障率。通過(guò)研究10 kV電網(wǎng)故障暫態(tài)信息，分析線(xiàn)路模型的時(shí)域測(cè)距方法，可將故障暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的全過(guò)程數(shù)據(jù)應(yīng)用于配網(wǎng)電纜故障測(cè)距等領(lǐng)域，體現(xiàn)了暫態(tài)信息良好的應(yīng)用價(jià)值。本文通過(guò)建立線(xiàn)路分布參數(shù)電路模型，提出了一種配網(wǎng)電纜單相接地故障雙端時(shí)域測(cè)距的算法，對(duì)10 kV配電網(wǎng)故障進(jìn)行有效的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)定位分析，能夠很好地保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 常見(jiàn)電力電纜故障類(lèi)型及故障定位方法

1.1 常見(jiàn)電力電纜故障類(lèi)型

常見(jiàn)10 kV配電網(wǎng)電纜故障類(lèi)型較多，主要有低阻故障、開(kāi)路故障以及高阻故障等。低阻故障一般是電纜相間或相對(duì)地絕緣較小，不符合電力規(guī)范要求而出現(xiàn)線(xiàn)路受損。線(xiàn)路絕緣電阻只有采用低壓脈沖法才能監(jiān)測(cè)或測(cè)量出。低阻故障的故障電阻一般不大于40 Ω，低于電纜的波阻抗。短路故障是低阻故障的一種特例。當(dāng)電纜相間或相對(duì)地絕緣電阻阻值符合電力規(guī)范要求，而終端配電點(diǎn)無(wú)線(xiàn)路電壓或者終端電壓正常無(wú)負(fù)載能力時(shí)，屬于開(kāi)路故障。另外，配電線(xiàn)路中間出現(xiàn)明顯斷線(xiàn)也會(huì)造成配電網(wǎng)絡(luò)開(kāi)路故障。對(duì)于高阻故障來(lái)說(shuō)，它包括泄露性高阻故障和閃絡(luò)性高阻故障。

1.2 電力電纜故障監(jiān)測(cè)和定位分析

電力電纜發(fā)生故障后，主要通過(guò)故障診斷、故障測(cè)距（粗測(cè)）、精準(zhǔn)定點(diǎn)以及故障處理與測(cè)試等進(jìn)行處理。首先，通過(guò)故障診斷測(cè)量電纜導(dǎo)電和絕緣等性能。其次，檢測(cè)和判斷故障的可能性，判別出故障的配網(wǎng)線(xiàn)，并初步辨識(shí)故障類(lèi)型。再次，通過(guò)測(cè)量?jī)x器對(duì)存在故障的配電線(xiàn)纜加載測(cè)試信號(hào)，在線(xiàn)測(cè)量和分析故障信息，判斷故障距離，稱(chēng)為故障測(cè)距。最后，在測(cè)距基礎(chǔ)上，通過(guò)感應(yīng)定點(diǎn)法、聲測(cè)定點(diǎn)法、同步定點(diǎn)法以及時(shí)差定點(diǎn)法等方法，精確測(cè)出故障點(diǎn)實(shí)際位置，并安排維修人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搶修[1]。

1.3 電力電纜故障測(cè)距方法

目前，對(duì)于10 kV配電網(wǎng)電纜故障的故障點(diǎn)定位，通用方法是采用故障定位檢測(cè)儀和故障指示器進(jìn)行檢測(cè)。電纜線(xiàn)路的故障測(cè)距方法較多，主要采用離線(xiàn)理論和在線(xiàn)理論，主要方法為阻抗法和行波法。依據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源分類(lèi)，主要分為單端法和雙端法。阻抗法分為直流電阻法和電容電橋法，行波法可分為脈沖電壓法、低壓脈沖發(fā)射法、二次脈沖法以及脈沖電流法等。當(dāng)前由于光纖技術(shù)的廣泛應(yīng)用，很多地方采用光纖電纜故障測(cè)距法。這種方法目前只應(yīng)用于高阻接地故障測(cè)距，具有操作簡(jiǎn)單、定位快速以及抗電磁干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

電橋法主要用于低阻故障測(cè)距，是電纜故障測(cè)距的經(jīng)典方法，行波法作為輸電線(xiàn)路故障測(cè)距的重要方法，應(yīng)用較為廣泛。電橋法和行波測(cè)距的理論基礎(chǔ)都是將電纜看作一種分布式參數(shù)元件，不同的是電橋法把故障線(xiàn)纜與非故障線(xiàn)纜短接，利用調(diào)節(jié)電位器進(jìn)行電阻的平衡性測(cè)量，而行波法則根據(jù)行波到達(dá)母線(xiàn)后反射到故障點(diǎn)再由故障點(diǎn)反射到達(dá)母線(xiàn)的時(shí)間差，或者根據(jù)行波初始波頭到達(dá)兩側(cè)母線(xiàn)的時(shí)間差進(jìn)行測(cè)距。

根據(jù)行波延時(shí)原理，基于行波法傳統(tǒng)裝置又可分為A型測(cè)距裝置、B型測(cè)距裝置以及C型測(cè)距裝置3類(lèi)。A型測(cè)距根據(jù)故障點(diǎn)產(chǎn)生的故障行波在測(cè)量點(diǎn)和故障點(diǎn)之間往返一次的時(shí)間和行波速度來(lái)確定故障點(diǎn)的距離。隨著研究的深入，許多學(xué)者利用測(cè)量點(diǎn)測(cè)量暫態(tài)故障分量產(chǎn)生的行波浪涌與故障點(diǎn)之間反射波的時(shí)延實(shí)現(xiàn)單端輸電線(xiàn)路測(cè)距，主要用于測(cè)量電纜的閃絡(luò)性高阻故障和泄漏性故障。B型測(cè)距裝置利用故障產(chǎn)生的第一個(gè)行波波頭信號(hào)，借助通信通道獲取波頭到達(dá)電纜兩端的時(shí)間差實(shí)現(xiàn)測(cè)距。它能夠利用GPS定位技術(shù)和小波分析技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量[2]。C型測(cè)距裝置采用的方法主要有低壓脈沖法和二次脈沖法，主要借助脈沖發(fā)射裝置向離線(xiàn)故障線(xiàn)路發(fā)射高壓高頻或直流脈沖，然后根據(jù)高頻脈沖從發(fā)射裝置到故障點(diǎn)往返時(shí)間進(jìn)行測(cè)距。

目前，線(xiàn)路測(cè)距方面的研究主要集中于線(xiàn)路的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，即通過(guò)建立的線(xiàn)路數(shù)學(xué)模型對(duì)配電線(xiàn)路故障進(jìn)行分析測(cè)距。只要構(gòu)建的模型有效和精確，測(cè)距結(jié)果就會(huì)精準(zhǔn)。線(xiàn)路模型主要包括線(xiàn)路集中、線(xiàn)路分布參數(shù)以及小波分析等數(shù)學(xué)模型。對(duì)于小電流接地故障的定位和監(jiān)測(cè)，主要利用配電線(xiàn)路安裝的饋線(xiàn)終端單元（FTU）作為檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)接地故障并與DA主站通信，由主站確定故障點(diǎn)所在的線(xiàn)路區(qū)段（DA系統(tǒng)區(qū)段定位）。小電流接地故障定位方法又可細(xì)分為主動(dòng)式定位方法和被動(dòng)式定位方法。主動(dòng)式故障定位方法通過(guò)檢測(cè)故障線(xiàn)路中加載的特定檢測(cè)信號(hào)的分布狀況來(lái)確定故障點(diǎn)精確位置。被動(dòng)式故障定位方法是對(duì)故障產(chǎn)生的電壓和電流等信號(hào)進(jìn)行特征監(jiān)測(cè)和提取，利用定位算法來(lái)確定故障點(diǎn)精確位置。主動(dòng)式定位法具體主要有信號(hào)注入法、中電阻法、零序電流突變法以及傳遞函數(shù)法等。被動(dòng)式定位方法又可以分為阻抗法、行波法、穩(wěn)態(tài)零序電流比較法、穩(wěn)態(tài)零序無(wú)功功率方向法、5次諧波法以及暫態(tài)無(wú)功功率方向法等。

2 10 kV配網(wǎng)電纜單端測(cè)距算法

輸電線(xiàn)路出現(xiàn)故障后，電壓和電流信號(hào)瞬變過(guò)程中，因混有衰減直流分量和多變性諧波成分，造成信號(hào)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的畸變，需要采用數(shù)字濾波器及其算法來(lái)消除這些畸變的影響，從而提高故障測(cè)距的準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度。本文采用全波傅氏算法，假設(shè)數(shù)學(xué)模型是被采樣信號(hào)為周期性時(shí)間函數(shù)[3]。函數(shù)表述如下：

式中，A為采樣信號(hào)中的直流分量，an、bn表示各次諧波的正弦項(xiàng)及余弦項(xiàng)振幅，其中：

式中，N表示采樣點(diǎn)數(shù)（1個(gè)周期內(nèi)），Xk表示第k次采樣值（1個(gè)周期），n表示n次諧波。

在10 kV配電電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中，假設(shè)t-1時(shí)刻，線(xiàn)路某相K點(diǎn)處出現(xiàn)單相接地故障，則母線(xiàn)故障相電壓為短路故障相電壓UKφ與線(xiàn)路上的壓降和，則有：

式中，φ為A、B、C，代表A、B、C故障相，于是有：

假設(shè)出現(xiàn)相間故障，根據(jù)上述原理，則可得：

式中，φφ為AB、BC、AC，代表故障兩相。

當(dāng)UKφ=0時(shí)，有：

由此能夠計(jì)算出從母線(xiàn)處或保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的故障阻抗。分析線(xiàn)路均勻分布阻抗，假設(shè)線(xiàn)路長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則故障距離計(jì)算為：

式中，Z1表示配電線(xiàn)路總阻抗，z表示單位長(zhǎng)度線(xiàn)路阻抗值，則單相接地故障測(cè)距計(jì)算公式為：

對(duì)于相相間短路，則計(jì)算公式為：

測(cè)量過(guò)程難免出現(xiàn)誤差，通常誤差計(jì)算公式為：

式中，L表示配電線(xiàn)路長(zhǎng)度，xcalculate表示計(jì)算所得的故障距離，xactual表示真實(shí)故障距離。

3 仿真分析及結(jié)果

利用MATLAB 7.0仿真軟件，仿真分析10 kV配電網(wǎng)電纜故障。實(shí)際電力配電線(xiàn)路系統(tǒng)較為復(fù)雜，為便于研究分析，簡(jiǎn)化線(xiàn)路結(jié)構(gòu)，建立電纜故障系統(tǒng)模型[4]。某地10 kV主線(xiàn)路段發(fā)生短路故障，通過(guò)5個(gè)測(cè)量點(diǎn)故障電流波形仿真分析，如圖1所示。

從圖1中分析，當(dāng)某點(diǎn)初始故障電流暫態(tài)行波到達(dá)測(cè)量點(diǎn)時(shí)間是：T1=6.8 μs，T2=10.9μs，T3=19.3 μs，T4=28 μs，T5=27.3 μs。可見(jiàn)，最先到達(dá)第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間為6.8 μs。以第一測(cè)量點(diǎn)為參考點(diǎn)，利用第1、2測(cè)量點(diǎn)所在線(xiàn)路計(jì)算故障點(diǎn)大致位置D，計(jì)算方法如下：

按此計(jì)算方法可分別計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)1到其他測(cè)量點(diǎn)的距離，按照式（11）進(jìn)行誤差分析，誤差值為3～5 m，最終選取測(cè)量最大值，從而精確定位故障位置D=2 km處（距離測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)1）。

圖1 1～5測(cè)量點(diǎn)電流波形分析

4 結(jié) 論

城鄉(xiāng)一體化快速發(fā)展，農(nóng)村電網(wǎng)改造尤其是10 kV配電網(wǎng)應(yīng)用較為普遍，促使電力電纜應(yīng)用日益增多，用電負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)，電網(wǎng)線(xiàn)路故障率高。因此，快速判斷配電網(wǎng)故障類(lèi)型和故障點(diǎn)位置，及時(shí)安排電力人員及時(shí)修復(fù)以恢復(fù)電網(wǎng)安全和高效運(yùn)行成為難點(diǎn)。本文系統(tǒng)分析故障類(lèi)型以及故障監(jiān)測(cè)和定位方法，利用行波傳輸特點(diǎn)進(jìn)行故障電流計(jì)算分析，最終可精準(zhǔn)測(cè)量出故障位置。