10 kV 电缆故障指示器整定研究及应用

苏浩益，吴小勇，万亦农

( 国网湖南省电力公司湘潭供电分公司，湖南 湘潭411104)

配电网位于电力系统的最末端，直接与电力用户相连接，是电力系统安全、稳定、优质、经济运行的核心组成部分。随着智能电网建设的开展，电力企业开展了大规模的配电网改造工程，配电自动化作为提高系统供电可靠性和电能质量、扩大配电网络供电能力、实现系统高效经济稳定运行的重要手段，为电力工业带来了新的机遇和内涵。

湘潭电网现有电缆故障指示器的整定模式是固定的，只有某一个特定的电流值可选，受电流波动、励磁涌流、高次谐波、分布电容以及电磁干扰的影响，存在动作准确度不高的问题。目前市场上出现了自适应电流整定、固定阶梯型整定的故障指示器，即当所在线路的负荷电流增大时，故障指示器的整定值也随之变化，借助交流滤波器等硬件装置，通过校验相角值达到躲避励磁涌流的目的，并通过检验波形的衰减来消除高次谐波的影响。随着高级传感技术和信息通信技术的发展，以电流值、电压值突变量以及故障信号编码为故障判据的整定原则也取得较好的效果。对于某具体的电网，只有应用适合电网自身的电缆故障指示器整定原则才能够最大最好地发挥出故障指示器的作用。文章结合湘潭供电分公司10 kV 配电网的特点，制定出相应的故障指示器动作逻辑和整定值，在此基础上提出一种新的故障快速查找方法。

1 10 kV 配电网接地系统的特点

湘潭供电分公司10 kV 配电网电缆线路的故障类型主要包括短路故障、接地故障以及断线故障。对其特征归纳如下:

1)单相接地故障短路电流在600 ～1 500 A 范围内变化，两相接地故障短路电流在3 000 ～7 000 A 范围内变化，并且接地故障时故障相电压下降一般在50%以上;

2)在重合闸或者正常合闸时冲击电流较大，最大可达1 500 A，冲击电流的大小取决于合闸时电源电压的幅值和相角，线路的波阻抗以及变压器的励磁涌流等。冲击电流与稳态电流的比值在3～9范围内;

3)在重合闸或者正常合闸时，暂态电流一般在合闸后1 个周波后达到最大值，然后迅速衰减，经过5 个周波后，冲击电流衰减幅度在40% ～70%，这时电流最大也在500 A 以下;

4)负荷随时间、季节的变化而波动，电力用户侧的负荷类型多样。

2 故障指示器整定分析

故障指示器主要包括检测电路、逻辑分析电路、信号触发电路、通信传输电路、电源电路等模块，通过将检测到的上电、断电、接地、短路等信号通过无线射频方式传送到信号传输终端，最后驱动故障指示器的显示部分〔1-4〕。

考虑到湘潭电网负荷的时变性和多样性，结合10 kV 电缆线路整定原则，选取阶梯型整定原则以保证故障指示器整定的灵活性和可靠性。同时考虑一定的整定裕度，设置动作电流整定值为2 倍最大负荷电流值。当负荷电流在10 ～30 A 之间时，动作电流整定值设为60 A;当负荷电流在30 ～60 A时，动作电流整定值设为120 A;以此类推，当负荷电流在350～400 A 时，动作电流整定值设为800 A。动作电流值随系统负荷电流的变化而阶梯型动态调整。最后，得出电缆故障指示器整定逻辑图如图1 所示。

图1 整定逻辑图

3 故障指示器的应用

3.1 安装故障指示器

在安装电缆故障指示器时，短路传感器必须安装在电缆的单相分支上并进行紧固，防止移动造成滑落，指示器应便于观察，不能倾斜。指示器倾斜时动作部位转动困难，使得指示器不能正确动作，或者是当故障消除以后，指示器不能够自动复位，导致误判断。在架空电缆线路混合系统，故障指示器应安装在杆塔的电源侧，而不要安装在杆塔的负荷侧，以便杆塔上的设备发生故障时，该指示器也可以准确指示。安装接地传感器时，应将电缆的3根导线包围起来，电缆的接地线必须回穿传感器并紧固，防止滑动。同时故障指示器安装时必须装设于电缆屏蔽层接地内侧，防止电缆发生单相绝缘击穿通过屏蔽层接地时，故障指示器不能够正确动作。

对于故障指示器的装设位置的确定，在便于运行维护的前提条件下，可以遵循如下原则:

1)变电所的线路出口处，能够判定线路和变电所内部的故障。

2)长距离电缆线路的中上段、中段及中下段。

3)如果电缆分支线较长，可在分支线路的1/2 处装设1 组。

4)电缆线路与架空线路的连接处，能够判断故障是否发生在电缆部分。

5)用户配变的高压进线处，能够判断故障是否由用户造成。

3.2 使用和维护故障指示器

故障指示器安装完以后，可以根据现场实际安装情况画出指示器安装示意图并建档保存，当系统出现接地或短路故障时，依图纸寻找故障位置。当线路出现接地故障时，线路运行人员首先应该根据调度员的通知并确定是哪一相接地、接地相与其他两相的对地电压值，然后再进行判断。

当系统出现单相接地故障时，接地相的对地电压值会下降，系统的电气中性点要产生位移，另外两相的对地电压值会升高。若接地相的对地电压值为0，那么另两相的对地电压值会从相电压变到线电压。若另两相的对地电压不升高，则是变电站的电压互感器保险故障，而不是线路出现了接地故障。

为了保证故障指示器可以正常动作，每年在进行季节性清扫和线路检修时，应该对故障指示器进行清扫。如果发现故障指示器拒动或者是误动作时，应该及时组织相关人员进行分析，找出原因并进行调整。

3.3 基于二分法的故障定位〔5-8〕

结合电缆故障查找的实际特点，提出一种基于二分法的电缆故障快速查找方法。具体是:故障查找的总原则为先主干线路，后分支线路。对经检查没有发现故障的电缆线路，先断开分支电缆线路后，采取试送电的方式逐段恢复主干线路的供电，然后再逐级查找并恢复没有出现故障的其它线路。在系统发生故障时，根据故障特点，初步判断故障区段，运行人员不要盲目的巡查，而是有针对性地先到故障区段的中点位置，如果该位置的指示器已动作，说明该点有故障电流，故障点应该在该安装点的下游。此时运行人员以该点为起点原定故障区段的终点为终点，再到新故障区段的中点位置进行查找;如果该位置的指示器没有动作，说明该点无故障电流，故障点应该在该安装点的上游。此时运行人员以该点为终点原定故障区段的起点为起点，再到新故障区段的中点位置进行查找，以此类推。

当故障点被确定以后，即认为只要对故障点进行抢修，就可以恢复电缆线路的供电，而中止对其它线路的巡查，是非常错误的。因为当电缆线路发生故障时，故障电流要流经故障点上面的线路，从而对线路的薄弱环节，如电缆中间接头、终端头等，会造成冲击而诱发故障，所以还应该对故障电流通过的其它所有线路进行全面认真的巡查。

4 仿真分析

运用ATP 和MATLAB 软件进行仿真分析，仿真分析电路如图2 所示。其中:线路1、线路3 的长度为25 km，线路2 为18 km，金属接地故障点设置在3 号线路距首端15 km 处。假设故障类型和故障位置已经确定，在此基础上对故障线路进行仿真分析。零序电流测量点分别设置在线路3 的首端、接地故障点前、接地故障点后、线路3 的末端。结合湘潭电网某区域10 kV 配电系统典型故障参数，各输入判据量设定值为:故障电流I=2Iload(负荷电流)，电流突变量为55 A/30 ms，时间量t1为1 s，时间量t2为0.6 s，检测点1，2，3，4 接地电流整定值分别为1.5 A，3 A，3 A，1.8 A。电缆模型为10 kV 三相交联聚乙烯铜芯电缆。

图2 ATP-MATLAB 仿真电路

采集数据后进行处理，通过MATLAB 软件画出各个检测点的零序电流波形图，如图3 所示。由图3 可知，检测点4 的零序电流小于检测点3 的零序电流，检测点1 的零序电流小于检测点2 的零序电流。

图3 零序电流波形图

图3中曲线1 是检测点3 的零序电流波形图，曲线2 是检测点4 的零序电流波形图，曲线3 是检测点2 的零序电流波形图，曲线4 是检测点1 的零序电流波形图。

将各检测点的整定值以及零序电流大小统计在表1 中，并判断出故障指示器的动作情况。根据仿真分析结果可知:检测点1 的零序电流大于整定值，说明故障位置在检测点1 的下游，故障指示器动作;检测点2 测得的零序电流值大于该点的整定值，说明故障位置在检测点2 的下游，故障指示器动作;检测点3 测得的零序电流值小于该点的整定值，说明故障位置在检测点3 的上游，故障指示器不动作;检测点4 测得的零序电流值小于该点的整定值，说明故障位置在检测点4 的上游，故障指示器不动作;综合分析可知，故障区段是检测点2 和检测点3 之间的电缆线路。

表1 检测点结果分析

5 结论

结合湘潭电网的具体情况，对于电缆故障指示器的故障电流基于阶梯型整定原则进行自适应的选取。结合短路故障和接地故障的特点，设计的一种电缆故障判断逻辑，通过仿真分析验证该设计的正确性和可行性。总结电缆故障指示器的安装注意事项，运行维护和使用过程中的经验，提出一种基于二分法数学原理的电缆故障查找方法。随着分布式电源大量地接入配电网，系统的电气特性将发生变化，比如系统的潮流将不再是传统的单向流动，故障指示器如何适应这些变化，使其发挥更大的作用是下一步的研究重点。

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