基于暂态零序电流法的站内电缆监测系统及验证试验

2020-09-14倪辉田禄李奇超牛勃

宁夏电力 2020年3期

倪辉，田禄，李奇超，牛勃

(国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏银川 750011)

XLPE电力电缆由于绝缘性能好、占地面积小和维护方便等优点，已被广泛应用于发、输、配电系统中，其中变电站内的电力电缆主要设置在10～35 kV出线以及连接站用变压器、电容器、电抗器等[1]。近几年，由于电缆故障导致失火甚至变电站全停事件时有发生[2]，监测站内电缆线路并在故障初期及时反馈运维人员显得尤为重要。国内在电缆监测方面有温度监测[3-4]、护层电流监测[5-6]、电缆沟内环境监测[7]和局部放电监测[8-9]等，但其主要被应用于中、高压电缆及重要配网电缆线路中，结合变电站内特点对电缆进行监测还鲜有研究应用[10-11]；因此，本文针对站内电缆单相接地或短路故障，采用广域同步的方式，对站内电缆线路暂态零序电流进行监测，并采用模拟试验对电缆线路监测系统进行了验证。

1 基于暂态零序电流法的电缆监测系统

1.1 监测系统原理

电网正常运行时，PT二次侧输出的三相电压正常，零序电压值几乎为零，零序电流波形也几乎为零。电网出现单相接地故障时，非故障相电压上升，故障相电压下降，零序电压增大；零序电流波形发生变化，监测系统对比三相电压波形相位及幅值等数据，判定线路发生了单相接地故障，并通过对各相电压、电流的计算分析，判断出接地故障的相别，同时向远程终端实时推送故障报警信息，以便通知人员及时处理电网故障。

其判断原理如图1所示，当零序电压触及阈值后，会启动故障判断，并根据接入线路采集电流计算各线路上零序电流大小和方向。故障线路暂态零序电流幅值最大，方向由线路流向母线，非故障线路暂态零序电流由母线流向线路，以此对故障类型及位置进行判断[12]。

该系统能正确有效地监测出电缆线路故障的关键是采用暂态零序电流法，因为接地故障产生的暂态零序电流幅值远大于稳态值，且初始的暂态零序电流不受消弧线圈等设备的影响。为满足获得高质量且可靠的暂态零序电流波形，系统的采样精度与频率需要足够高。

图1 电缆在线监测装置故障判断原理

1.2 监测系统组成

某330 kV变电站内有8条35 kV电缆线路(2段母线)，分别连接4台电容器、2台电抗器和2台站用变，对该电缆线路进行监测将可保证变电站安全运行。在该站35 kV电缆装设基于暂态零序电流法的电缆监测系统，其由远程终端、电流传感器、电压传感器和广域同步单元组成，对电缆线路的三相电压和零序电流进行实时监测。

由于站内电缆线路短，零序电流微弱(稳态0.5 A)，监测系统使用开口式零磁通小电流传感器测量每条电缆出现的零序电流，如图2所示，测量范围为1 mA～5 A。其特点为采用有源零磁通技术，有效提高了小电流传感器的检测精度(±0.01%)，除了选用起始导磁率较高、损耗较小的特殊合金作铁心外，还借助电子信号处理技术对铁心内部的激磁磁势进行全自动的跟踪补偿，保持铁心工作在接近理想的零磁通状态。

图2 35 kV电缆线路监测装置传感器布置

本系统的零序电流是由分别安装于三相线路的采集单元录波数据合成，如果三个采集单元之间的时间同步误差较大，则会导致合成的零序电流误差大于实际零序电流，必将导致故障选线和定位错误；为此，系统采用高精度广域同步单元，同步精度达到1 μs，达到监测需要。

现场在发生故障时，初始零序电流持续时间很短，小于300 μs，为保证捕获完整的初始暂态波形，则需要较高的采样频率，因此系统采样频率选用12.8 kHz；此外，系统采样单元采用16 bits位宽的AD采样芯片，相较于常规的12 bits采样位宽，大幅提高了采样准确性，同步扩大了测量范围。

2 验证试验

为验证该330 kV变电站35 kV电缆线路监测系统的各项性能，在监测系统装设完毕后，进行单相失压模拟试验和现场人工单相接地试验。

2.1 单相失压模拟试验

2.1.1 试验步骤

试验通过继电保护测试仪模拟单相失压情况。在35 kV电缆线路监测装置端子箱Ⅱ处去掉由保护屏柜接入的UN以及IA、IB、IC，将继电保护测试仪的输出电压、电流对应信号接入端子箱，如图3所示，并通过以下试验步骤进行：

(1)在电缆线路监测装置停机状态下，拆下由控制屏柜取来的电压、电流输入信号线，接入继电保护测试仪输出信号线，电流接入选取3号电容器出线。接线完成，确认相序及信号接入位置是否正确。

(2)启动继电保护测试仪，并设置输出电压与电流信号，模拟保护屏柜运行状态下的输出信号，开启电缆线路监测装置。

图3 电缆在线监测装置现场试验接线

(3)调整继电保护测试仪输出信号，使其零序电压输出大于电缆在线监测装置保护启动值(缺省值为15 V，现场进行调整)，调整继电保护测试仪电流输出信号，拆除3号电容器A相电流输入。核对判别单元判定系统发生故障的类型，以及是否同时向远程终端实时推送故障报警信息(故障时间、故障线、故障相、故障区段及断线类故障的及时告警)。

2.1.2 试验数据和分析

试验通过调整继电保护测试仪输出信号，模拟故障零序电压使其输出大于电缆在线监测装置保护启动值(缺省值为15 V，本次试验为20 V)，调整继电保护测试仪电流输出信号模拟故障零序电流(本次为1 A)。报警信息(故障时间、故障线、故障相、故障区段及断线类故障)正确，如图4所示。各条出线的零序电压、电流录波如图5、图6所示，313线零序电流为继电保护测试仪电流输出信号，其它线路未监测到异常模拟信号。

图4 系统故障判断结果

图5 零序电压录波波形

图6 各条出线的零序电流录波波形

2.2 单相接地试验

2.2.1 试验步骤

为获得真实故障时产生的暂态零序电流以及比对监测系统测量的正确性，需进行现场人工单相接地试验，接线如图7所示，断路器采用快速接地开关。试验时，将断路器进线侧与被试线路待接地相可靠连接，出线侧经测量CT可靠接地，接线过程中断路器始终保持在“分”位。将暂态参数记录仪电流通道串入测量CT回路，并选用合适档位；同时将电缆线路监测装置所测三相电流以及零序电压串入暂态参数记录仪[13]。