10kV电缆金属护层接地方式对故障暂态行波特性的影响

孙树森，陈　平，马永明，胡晶晶，曹运刚，王　龙

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；

2.国网微山县供电公司，山东 济宁 277600；3.国网高密市供电公司，山东 潍坊 261500)

10kV电缆金属护层接地方式对故障暂态行波特性的影响

孙树森1，陈平1，马永明2，胡晶晶3，曹运刚1，王龙1

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；

2.国网微山县供电公司，山东 济宁 277600；3.国网高密市供电公司，山东 潍坊 261500)

摘要：分析了变电站10kV电缆出线发生单相接地故障时，电缆金属护层不同接地方式对故障暂态特性的影响.重点分析对比了暂态电流波初始极性，并利用PSCAD仿真软件进行仿真，利用MATLAB对所获取的波形进行处理比较.大量的仿真结果表明，不同金属屏蔽层接地方式下发生单相接地故障时，故障暂态特性会有所区别，会对原有的故障特性产生影响.

关键词：电缆；金属护层接地；小电流接地系统

收稿日期：2015-01-06

作者简介:孙树森，男，1408896487@qq.com

文章编号：1672-6197(2016)01-0041-05

中图分类号：TM61

文献标志码：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

我国配电网普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地，即属于小电流接地系统[1].多年来小电流接地系统的选线问题一直未能得到很好的解决，目前电力系统普遍采用的方法是利用零序电流的选线方法[2]，采用的特征量主要有极性[3]、幅值[4]、能量[5]和突变量[6]等，但对于只安装两相电流互感器的系统，若想获取零序电流非常麻烦，故利用零序电流选线虽然具有很高的可靠性但也有一定的局限性[7].近年来行波法也广泛应用于故障线路的选线，而行波法是利用故障电流初始行波的极性进行选线，目前仅局限于架空线路.由于电缆较于架空线有占地空间小，敷设方便等优点，电缆在配网中的应用越来越广泛，电缆网络供电取代原有的架空线路供电已成为城市电网发展的必然趋势[8].但电缆从结构上比架空线复杂的多，在小电流接地系统中，当电缆发生单相接地故障时其故障暂态特性与架空线也有一定的区别，所以这种情况下选线问题更加困难.若想将行波法应用到电缆线路，需要对电缆线路发生故障后的行波特性进行一定研究.通过分析电缆金属护层不同接地方式下单相故障特性，可以得出电缆金属护层接地方式不同对故障暂态行波的影响.

1电缆金属护层接地方式的选择

10kV电缆大多是三芯结构，故普遍采用两端直接接地方式.随着经济与技术的发展，负荷密度增大，环网开关柜等设备的应用，市区变电所出线和电缆网供电主干线电缆开始采用较大截面积的单芯电缆，也就带来了金属屏蔽层接地方式的问题[8].

根据安全、经济、合理的原则，电缆线路金属护层接地方式主要分为以下三种[9]：

(1)金属护层两端直接接地.

(2)金属护层一端直接接地，另一端通过护层保护接地.

(3)金属护层交叉互联.

本文旨在研究电缆线路在不同接地方式下发生单相接地故障后的故障行波特性，从现场实际应用和防止雷电波侵入变电站的角度出发，电缆输电线路一般选择在负荷侧直接接地，并并联一组氧化锌避雷器，长电缆在电源侧，也即在变电站内通过保护器接地；数公里长的电缆，可以将电缆护层分段，分段处的护层交叉互联后通过保护器接地；而对于三芯电缆均采用金属护层双端接地.仿真时对以上因素予以考虑，对三种不同电缆金属屏蔽层接地方式下的主绝缘故障特性进行仿真，通过仿真进行对比分析.

2变电站10kV电缆出线仿真模型

主绝缘故障是指电缆因老化或受潮等原因而引起的导体与金属屏蔽层之间的绝缘故障，建立如图1所示的主绝缘故障仿真模型，并在PSCAD仿真软件中进行仿真分析.设置线路1处f1点B相接地，图中仅给出了电源侧经保护接地，负荷侧直接接地一种方式，而双端直接接地较为简单，直接将金属护层两端接地即可，而交叉互联需将电缆分段，金属护层进行交叉互联.对两端直接接地以及交叉互联的仿真模型在此不再给出.仿真中设置系统末端悬空，各电缆线路采用几何分布模型，仿真时间为0.05s，故障时间为0.02s，故障持续时间为0.02s，采样频率为2MHz，仿真结束后利用Matlab对波形进行处理，仅提取故障初始时刻在内的0.02s进行观察对比.电缆及架空线长度参数设置如下：电缆1长度为3km，电缆2长度为4km，电缆3长度为3.5km.

图1　仿真模型

3仿真分析

3.1　金属护层两端直接接地

利用图1中的仿真模型在PSCAD中进行仿真，将接地方式改为两端直接接地.对3条线路的三相暂态电流与3倍零序电流进行处理分析，结果如图2~图4所示.

图2　电缆护层两端接地时线路1的暂态电流

图3　电缆护层两端接地时线路2的暂态电流

图4　电缆护层两端接地时线路3的暂态电流

由仿真结果分析可知，对比零序电流可以看出，线路1零序初始暂态电流行波的极性与其余线路相反；三条线路的B相极性均与同线路零序电流初始行波极性相同，而故障线路的B相电流初始行波极性与非故障线路的B相极性相反；同线路的A、C相电流初始行波极性相同，故障线路与非故障线路的A、C相极性相反；未发生接地故障的两条电缆线路，其三相初始暂态电流的极性全部与本线路的零序初始暂态电流极性一致，而故障线路三相初始暂态电流极性不完全一致.

3.2　金属屏蔽层负荷侧一端接地

改变金属屏蔽层的接地方式为负荷侧单端接地，电源侧经保护接地，重复上述的仿真，并对波形进行处理分析.结果如图5~图7所示.

图5　金属屏蔽层负荷侧一端接地时线路1的暂态电流

图6　金属屏蔽层负荷侧一端接地时线路2的暂态电流

图7　金属屏蔽层负荷侧一端接地时线路3的暂态电流

由仿真分析结果可知，对比零序电流初始行波极性可知故障线路与非故障线路极性相反；三条线路的B相极性均与同线路零序电流初始行波极性相同，而故障线路的B相电流初始行波极性与非故障线路的B相极性相反；同线路的A、C相电流初始行波极性相同，故障线路与非故障线路的A、C相极性相反；未发生接地故障的两条电缆线路，三相初始暂态电流的极性不再一致，只有A、C相极性一致，B相与A、C相相反，与零序一致.该接地方式下故障暂态行波特性与金属护层两端接地时呈现出不同的特性.

3.3　金属屏蔽层交叉互联

将电缆进行分段并交叉互联后进行仿真，为了使研究更具完整性，仿真时应设置不同的故障位置，分别对交叉互联前、后以及交叉互联点发生单相接地故障后的故障暂态行波特性进行观察分析，在交叉互联点发生单相接地故障又分为电缆线芯与同相金属屏蔽层相连和电缆线芯和交叉后的一相金属屏蔽层相连两种情况.针对以上几种情况分别进行仿真分析.

1) 设置故障点位于交叉互联点

(1)当电缆线芯与同相金属屏蔽层相连时对3条线路的三相暂态电流与3倍零序电流进行处理分析，结果如图8~图10所示.

图8　电缆线芯与同相金属屏蔽层相连时线路1的暂态电流

图9　电缆线芯与同相金属屏蔽层相连时线路2的暂态电流

图10　电缆线芯与同相金属屏蔽层相连时线路3的暂态电流

由仿真分析结果可知，该情况与金属护层一端接地时的情况一致.

(2)当电缆导芯与交叉后一相金属屏蔽层相连时对3条线路的三相暂态电流与3倍零序电流进行处理分析，结果如图11~图13所示.

图11　电缆导芯与交叉后一相金属屏蔽层相连时线路1的暂态电流

图12　电缆导芯与交叉后一相金属屏蔽层相连时线路2的暂态电流

图13　电缆导芯与交叉后一相金属屏蔽层相连时线路3的暂态电流

根据图示可以看出，对比零序电流初始行波极性可知故障线路与非故障线路极性相反；三条线路的B相极性均与同线路零序电流初始行波极性相同，而故障线路的B相电流初始行波极性与非故障线路的B相极性相反；两条非故障线路故障暂态特性相似，故障线路与非故障线路三相电流初始行波极性相反；同一线路各相电流初始行波极性完全相同，故障线路的A、C相电流初始行波极性与非故障线路的A、C相极性相反.该种情况下的故障特性与上述几种情况都不相同.

2) 设置故障点在交叉互联前、后

根据仿真分析，当故障点在交叉互联前时其故障暂态特性与金属护层两端接地时故障暂态特性一致；当故障点在交叉互联后时其故障暂态特性与故障点在交叉互联点且电缆导芯与交叉后一相金属屏蔽层相连时故障暂态特性一致.这两种情况下的故障暂态特性均有一致的情况，故仿真图示不再给出.

4结论

在研究了电缆金属护层接地方式的基础上，针对不同的接地方式，对小电流接地系统的出线电缆发生单相接地故障时进行了研究分析，通过以上仿真结果的分析可以得出以下结论：

1) 当单芯电缆选择一端接地或交叉互联时发生单相接地故障，其故障暂态特性并

不完全相同，即金属护层的接地方式会对电流初始行波特性产生影响.

2) 如果将行波选线法利用到电缆线路则需要考虑不同的金属护层接地方式对电流初始行波的影响.

3) 电缆线路不论采取哪种金属护层接地方式，当发生单相接地故障时，故障线路的故障相电流与零序电流初始行波极性与非故障线路的同相极性总是相反的.

参考文献

[1] 肖白，束洪春，高峰. 小电流接地系统单相接地故障选线方法综述[J]. 继电器，2001,29(4):16-20.

[2] 赵彦伟，李志锋. 小电流接地选线装置运行现状分析[J]. 电力学报，2006,21(1)：68-69.

[3] 郭谋发，杨耿杰，黄世远.谐振接地系统暂态特征自适应故障选线法[J].电力自动化设备，2012,32(10)：35-41.

[4] 薛永端,冯祖仁,徐丙垠,等.基于暂态零序电流比较的小电流接地选线研究[J].电力系统自动化,2003,27(9)：48-53.

[5] 吴乐鹏,黄纯,林达斌,等.基于暂态小波能量的小电流接地故障选线新方法[J].电力自动化设备，2013,33(5)： 70-75.

[6] 毕见广，董新洲，周双喜．基于两相电流行波的接地选线方法[J]．电力系统自动化，2005，29(3)：17-20，50．

[7] 黄海鲲.110kV交联聚乙烯电缆绝缘在线监测的研究[D].武汉:武汉大学.2004.

[8] 唐忠.面向金属护层的XLPE电力电缆故障特征及在线监测研究[D].武汉：华中科技大学,2007.

[9] 欧景茹，祁树文.高压单芯电缆线路金属护套接地方式[J].吉林电力,2005,4(2):19-21.

(编辑：刘宝江)