韩永江 张国清 殷志江 舒 来 唐 锋 淡汉民

(智联新能电力科技有限公司)

0 引言

近年来, 国网公司范围内已发生多起因配网线路故障造成设备损坏、大面积停电甚至火灾事故[1-4]。随着国家振兴工业基地政策导向和我省各城市发展建设, 全省配网电缆线路以10%的速度在持续增长,由于地下电力通道空间的限制, 大量电缆线路敷设在同一通道内, 如发生单条电缆接地故障长时间无法消除, 高温接地电弧极易引发电缆通道火灾事故[5-8]。因此, 迫切需要对配网线路运行状态进行诊断分析,并在发生单相接地故障时实现准确选线跳闸, 降低大面积停电和火灾风险[9-10]。

目前, 有行波传输由于不受故障类型的影响, 定位精度高, 在输电网中应用广泛, 但受制于配电网的接地方式影响, 行波在配电网故障定位中的应用还需进一步论证。文献[11] 分析了配电网的行波传输特性; 文献[12] 分析了配电网经消弧线圈接地时,各节点零序电流的特征规律, 并给出一种零模行波选线的方法; 文献[13] 针对配电网行波波头缓的特征, 改进了小波变换提取行波波头的方法。

本文分析了行波在配电网的产生及传输过程, 推导了配电网故障的行波定位公式, 结合工程实际案例, 分析了各类配电网故障下的行波分析方法。

1 行波定位原理

1.1 行波传输特性分析

当配网线路某点发生故障时, 如图1 (a) 所示,故障点处电势发生了较大的变化。此时利用叠加定理, 故障点处相当于故障前电势与故障后新增电势的叠加, 如图1 (c) 所示。线路状态可分解为健全状态和故障状态, 健全状态如图1 (b) 所示, 此时线路无行波特征, 而故障状态时, 故障点相当于叠加一个负电源, 该电源会向故障点两端传输行波, 如图1(d) 所示。

1.2 单元式行波定位方法

(1) 单端行波定位法

单端行波定位法主要是利用在线路一端检测到的故障初始行波到达时刻和后续反射波到达时刻进行故障点定位。当后续反射波来自故障点时, 如图2 (a)所示,m端捕捉到的故障初始行波和故障点的反射波到达m端测点的时刻分别为tm1和tm2时, 可得故障距离ldm的计算式(1)。

图2 单端行波法故障定位示意图

式中,ldm表示故障点d距m端的线路长度,υ表示故障行波波速。

当后续反射波来自对端母线时, 如图2 (b) 所示,m端检测到的故障初始行波和对端母线的反射波到达m端测点的时刻分别为tm1和tm2时, 经推导可得到故障距离ldm的计算式(2)。

式中,l为线路长度。

单端行波法的关键是识别出反射波, 且判断出反射波是来自故障点还是来自对端母线。

(2) 双端行波定位法

双端行波定位法利用故障初始行波到达线路两端的时刻定位故障位置。如图3 所示, 当在线路两端检测到的故障初始行波到达时刻分别为tm和tn时, 经推导可得双端行波法的故障测距公式为(3)。

图3 双端行波法故障定位示意图

式中,ldm代表故障点d距离m端的距离,l代表线路长度,tm和tn分别代表行波到达m端和n端的时刻。

2 故障案例分析

2.1 单相接地故障

(1) 故障波形分析

2023 年07 月03 日17 时09 分46 秒在某10kV 配电线路上检测到波形异常预警情况, 该10kV 配电线路全线如图4, 工频电压波形出现A 相显著下降, B、C 相显著上升特征, 如图5, 工频电流出现干扰, 但基本不变, 如图6 所示, 满足配电网高阻接地故障特征。

图3 单相接地故障线路结构

图4 工频电压波形

图6 环圩西路30 号杆塔行波波形

(2) 故障区间判断

如图6、图7 所示, 根据行波极性判断故障区间:环圩西路30 号杆塔, 环圩西路80 号杆塔行波极性相反, 判断故障点在环圩西路30 号杆塔到环圩西路80号杆塔之间。

图7 环圩西路80 号杆塔行波波形

(3) 行波结果判断

选择距离故障点最近的两套设备为环圩西路30号杆塔与环圩西路80 号杆塔, 通过采用故障时刻采集到的行波到达两个最近采集设备的时间差进行故障点的精确定位。选取故障时刻行波到环圩西路30 号杆塔的时刻为tm, 第一次到达环圩西路80 号杆塔的时刻为tn,l为环圩西路30 号杆塔与环圩西路80 号杆塔之间的距离。v为行波波速近似与光速290m/μs, 带入式(3), 通过计算得出故障点在重庆路变20 线环圩西路67 号杆塔。

2.2 短路故障

(1) 故障波形分析

2023 年07 月02 日06 时14 分03 秒在某10kV 配电线路上检测到波形异常预警情况, 该10kV 配电线路全线如图8, 该10kV 线路主线3A 号杆塔处检测到B、C 相电流显著上升, 且方向完全相反, 并在持续0.25s 后线路跳闸, 如图9 所示, 满足配电网BC 相短路故障特征。

图8 短路故障线路结构

图9 工频电流波形

(2) 故障区间判断

如图10、图11 所示, 根据行波极性判断故障区间: 主线3A 号杆塔, 主线25 号杆塔行波极性相反,判断故障点在主线3A 号杆塔到主线25 号杆塔之间。

图10 主线3A 号杆塔行波波形

图11 主线25 号杆塔行波波形

(3) 行波结果判断

选择距离故障点最近的两套设备为主线3A 号杆塔与主线25 号杆塔, 通过采用故障时刻采集到的行波到达两个最近采集设备的时间差进行故障点的精确定位。选取故障时刻行波到主线3A 号杆塔的时刻为tm, 第一次到达主线25 号杆塔的时刻为tn,l为主线3A 号杆塔与主线25 号杆塔之间的距离。v为行波波速近似与光速290m/μs, 带入式(3), 通过计算得出故障点在主线18 号杆塔。

3 结束语

近年来, 国网公司范围内已发生多起因配网线路故障造成设备损坏、大面积停电甚至火灾事故, 迫切需要对配网线路运行状态进行诊断分析, 并在发生单相接地故障时实现准确选线跳闸。本文针对配电网的特点, 分析了故障行波在配网线路的传输特性, 推导了行波定位方法。通过工程上单相接地故障和短路故障案例, 分析了故障时工频电压电流的变化特征, 并结合行波极性和行波波头, 实现故障区间与故障点位的准确判别。