采用自補(bǔ)償復(fù)合電流判據(jù)的變電站長段動(dòng)力電纜漏電監(jiān)測方法

陳 昊，劉懷宇，姚 凱，馬兆興，孫小磊

采用自補(bǔ)償復(fù)合電流判據(jù)的變電站長段動(dòng)力電纜漏電監(jiān)測方法

陳 昊1，劉懷宇1，姚 凱1，馬兆興2，孫小磊1

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；2.青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266525)

長期以來，變電站長段動(dòng)力電纜漏電缺乏有效監(jiān)測手段?；趯?duì)漏電電流變化特征以及現(xiàn)有監(jiān)測方法局限性的分析，提出了一種采用自補(bǔ)償復(fù)合電流判據(jù)的變電站交流系統(tǒng)長段動(dòng)力電纜漏電監(jiān)測方法。該方法通過引入動(dòng)力電纜兩端剩余電流和單相電流信息，構(gòu)建由穩(wěn)態(tài)剩余電流判據(jù)、剩余電流增量判據(jù)、穩(wěn)態(tài)剩余電流差動(dòng)判據(jù)、單相剩余電流差動(dòng)判據(jù)相結(jié)合的復(fù)合判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)長段電纜不對(duì)稱漏電、三相漏電的可靠辨識(shí)。仿真計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)踐結(jié)果表明，所提方法能夠有效監(jiān)測交流系統(tǒng)長段動(dòng)力電纜各種漏電故障，提升站內(nèi)交流系統(tǒng)智能運(yùn)維水平。

剩余電流；差流；長段動(dòng)力電纜；復(fù)合電流判據(jù)；漏電監(jiān)測；智能運(yùn)維

0 引言

220 kV及以上變電站交流系統(tǒng)的電氣火災(zāi)一般分為動(dòng)力電纜(或所連接的負(fù)載)短路引起的火災(zāi)和絕緣損壞引起的火災(zāi)[1-7]，前者的短路電流較大，一般可以通過空開、熔絲、保護(hù)裝置的動(dòng)作迅速切斷故障電流[8-9]。后者由于電弧電阻的存在[10-12]，引起動(dòng)力電纜漏電流通常小于300 mA，常規(guī)的空氣開關(guān)不能動(dòng)作，尤其是給開關(guān)場負(fù)荷供電的長段動(dòng)力電纜(簡稱長電纜)，其長度達(dá)百米以上，甚至達(dá)200多米，其中80%以上電纜段途經(jīng)易發(fā)生積水的電纜溝，存在較大的絕緣損壞隱患[13-15]，極易導(dǎo)致漏電流長期存在，甚至引發(fā)火災(zāi)，燒毀電纜，對(duì)站內(nèi)交流負(fù)荷的正常運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。包括紅外測溫在內(nèi)的常規(guī)變電運(yùn)維手段，對(duì)發(fā)現(xiàn)動(dòng)力電纜及其他交流回路絕緣損壞的溫度升高雖有一定作用，但受到漏電發(fā)生部位、絕緣損壞所處階段及周圍散熱等條件制約，僅能發(fā)現(xiàn)少部分交流回路漏電問題。近年發(fā)生的多起變電站電纜火情，大多經(jīng)歷了因絕緣損壞造成長時(shí)間漏電，直至電纜出現(xiàn)明火才被發(fā)現(xiàn)，如能在漏電階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏電故障，可以顯著降低安全隱患。

借鑒低壓用電系統(tǒng)通過監(jiān)測剩余電流(residual current)防范漏電危及人身安全的思路，近年來基于剩余電流的動(dòng)力電纜漏電監(jiān)測系統(tǒng)[16-19]，已在多座500 kV變電站試點(diǎn)推廣，實(shí)現(xiàn)了變電站應(yīng)用層級(jí)的漏電監(jiān)測。同時(shí)，圍繞剩余電流監(jiān)測的研究也在不斷深入：文獻(xiàn)[20]基于坐標(biāo)變換方法，對(duì)剩余電流進(jìn)行了計(jì)算；文獻(xiàn)[21]研究了剩余電流的相位關(guān)系，為剩余電流的計(jì)算提供了參考；文獻(xiàn)[22]給出了一種磁調(diào)制式電流互感器的剩余電流檢測模塊，能夠提高剩余電流檢測靈敏度，但未就產(chǎn)生剩余電流的運(yùn)行工況進(jìn)行說明。文獻(xiàn)[23]采用保護(hù)原理，對(duì)剩余電流進(jìn)行提取，但實(shí)現(xiàn)方法較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[24]從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制方法的角度，闡述了漏電流抑制技術(shù)。文獻(xiàn)[25]從控制的角度，采用補(bǔ)償方法以減小共模電流。文獻(xiàn)[26]討論了電壓型磁調(diào)制式剩余電流傳感器問題，通過檢測勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)了剩余電流的測量。上述研究均未專題討論變電站內(nèi)動(dòng)力電纜剩余電流監(jiān)測，且均未討論剩余電流監(jiān)測方法在實(shí)踐層面的局限性。

本文基于對(duì)變電站動(dòng)力電纜剩余電流法的討論，分析了該方法在實(shí)踐中的局限性，提出了一種自補(bǔ)償復(fù)合電流判據(jù)，給出了采用該判據(jù)的變電站動(dòng)力電纜漏電監(jiān)測方法。最后結(jié)合500 kV變電站交流系統(tǒng)動(dòng)力電纜漏電監(jiān)測實(shí)踐，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 基于剩余電流監(jiān)測的漏電監(jiān)測方法及局限性

1.1 剩余電流監(jiān)測原理

長期以來對(duì)動(dòng)力電纜絕緣損壞引起的漏電缺乏有效的監(jiān)測手段。近年來，通過借鑒低壓電網(wǎng)的剩余電流監(jiān)測方法實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電纜的漏電監(jiān)測。

剩余電流的概念始見于低壓配網(wǎng)，其定義為：同一時(shí)刻，在電氣裝置中的電氣回路給定點(diǎn)處的所有帶電體電流值(即瞬時(shí)值)之和。剩余電流監(jiān)測的基本原理如圖1所示。

在工程允許誤差范圍內(nèi)，一般情況下忽略雜散電流，本文后續(xù)討論亦假設(shè)雜散電流為零。

易見，當(dāng)發(fā)生單相對(duì)PE漏電時(shí)，剩余電流互感器(Residual Current Transformer, RCT)能感知到電流，當(dāng)該電流超過告警定值時(shí)，剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)將發(fā)出漏電告警，實(shí)現(xiàn)電纜單相漏電故障的有效監(jiān)測。

圖1 剩余電流監(jiān)測的基本原理

1.2 長段動(dòng)力電纜剩余電流監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)

1) 單RCT方案

在變電站長段動(dòng)力電纜支路首端裝設(shè)RCT，該方案對(duì)電纜長度和所接負(fù)荷性質(zhì)不作特殊考慮，監(jiān)測范圍較大，包含整條長電纜和該支路負(fù)荷的剩余電流。

2) 雙RCT方案

在長段動(dòng)力電纜支路首、末端均裝設(shè)RCT，該方案適用于對(duì)長電纜的專項(xiàng)檢測，利用兩端剩余電流的差流監(jiān)測長電纜漏電狀態(tài)，不包含對(duì)電纜末端所接負(fù)荷的漏電監(jiān)測，如要同時(shí)監(jiān)測長電纜支路負(fù)荷漏電情況，需另引出末端RCT電流進(jìn)行監(jiān)測。

1.3 基于剩余電流的漏電監(jiān)測方法的局限性

由于變電站長段動(dòng)力電纜漏電監(jiān)測和低壓電網(wǎng)交流系統(tǒng)電纜剩余電流監(jiān)測的目的和側(cè)重點(diǎn)存在差異，在實(shí)際應(yīng)用中，剩余電流監(jiān)測方法也暴露出對(duì)動(dòng)力電纜漏電故障的發(fā)展反應(yīng)不靈敏、剩余電流保護(hù)死區(qū)偏大等局限性。

1) 對(duì)故障的發(fā)展反應(yīng)不靈敏問題

剩余電流監(jiān)測能反應(yīng)長段動(dòng)力電纜單相漏電等不對(duì)稱漏電故障。如故障進(jìn)一步發(fā)展為三相漏電故障，由于三相對(duì)地泄漏電流相位的相互抵消，剩余電流值和分相漏電流的數(shù)量和將產(chǎn)生顯著差異，此時(shí)，剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)這類漏電無法靈敏反應(yīng)。

在漏電初始階段，直接發(fā)生三相漏電的概率較低，往往先發(fā)生單相漏電，在以保護(hù)人身安全為目的的居民用電漏電監(jiān)測中，利用剩余電流越限捕捉單相漏電進(jìn)而跳開空開，可實(shí)現(xiàn)保護(hù)人身安全的目的。但在變電站交流系統(tǒng)中，情況有所不同。以電纜溝積水浸泡引起的長電纜單相漏電發(fā)展為三相漏電的故障為例，在單相漏電階段，剩余電流監(jiān)測的確可以發(fā)現(xiàn)單相漏電，但僅僅是告警，不去聯(lián)跳空開。當(dāng)漏電進(jìn)一步發(fā)展成三相漏電時(shí)，剩余電流卻將大幅減小，甚至告警信號(hào)消失，此時(shí)變電站運(yùn)維人員將誤判為單相漏電故障已消失，貽誤故障排除時(shí)機(jī)。

2) 剩余電流保護(hù)死區(qū)偏大

圖2 剩余電流的分解

變電站交流系統(tǒng)長段動(dòng)力電纜的固有剩余電流和電纜制造、負(fù)荷性質(zhì)等因素有關(guān)，由于該電流分布的離散性，在空間位置上并不集中在一點(diǎn)，最終釀成火災(zāi)的危險(xiǎn)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于附加泄漏電流。當(dāng)前剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)的處理方式是在總體上測量剩余電流，不對(duì)兩種性質(zhì)不同的電流加以區(qū)分，易造成保護(hù)死區(qū)，同時(shí)加劇了剩余電流告警值整定問題。

此外，在實(shí)際應(yīng)用中，單一的剩余電流監(jiān)測還存在告警定值整定依據(jù)不充分、多CT采集電流時(shí)采樣精度因受干擾而下降等問題。

2 ?采用自補(bǔ)償復(fù)合電流判據(jù)的漏電監(jiān)測方法

2.1 概述

鑒于上述問題，剩余電流判據(jù)難以實(shí)現(xiàn)長段動(dòng)力電纜的各種類型漏電故障監(jiān)測。綜合考慮故障信息獲取的完備性和現(xiàn)場安裝的可實(shí)施性，提出了一種自補(bǔ)償復(fù)合電流判據(jù)，實(shí)現(xiàn)變電站交流系統(tǒng)動(dòng)力電纜的漏電監(jiān)測。

2.2 電流的采集

在充分反應(yīng)故障信息的基礎(chǔ)上，以盡可能減少CT個(gè)數(shù)為原則，制定的電流采集方案如下。

在動(dòng)力電纜M、N兩側(cè)A、B、C、N四線兩側(cè)各安裝一個(gè)RCT，同時(shí)在長電纜A相兩側(cè)安裝一個(gè)獨(dú)立CT。圖3為長電纜剩余電流監(jiān)測原理圖。根據(jù)兩側(cè)RCT和CT采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)長電纜不對(duì)稱漏電(單相漏電、兩相漏電)和三相漏電的有效判別。

圖3 電流信息的采集

2.3 自補(bǔ)償復(fù)合電流判據(jù)的判別元件

1) 穩(wěn)態(tài)剩余電流元件(元件一)

基于長段動(dòng)力電纜M側(cè)的RCT所采集的剩余電流值構(gòu)成穩(wěn)態(tài)剩余電流元件，其動(dòng)作判據(jù)如式(1)所示。

該元件經(jīng)延時(shí)11動(dòng)作，動(dòng)作后保持12。如12結(jié)束，不再滿足時(shí)間元件動(dòng)作條件，則元件復(fù)歸。

2) 剩余電流增量元件(元件二)

基于長電纜M側(cè)RCT所采集的剩余電流固定時(shí)間間隔之間的矢量差構(gòu)成剩余電流增量元件，動(dòng)作判據(jù)如式(2)所示。

該元件經(jīng)延時(shí)21動(dòng)作，動(dòng)作后保持22。如22結(jié)束，不再滿足元件動(dòng)作條件，則元件復(fù)歸。

3) 穩(wěn)態(tài)剩余電流差動(dòng)元件(元件三)

基于長電纜M、N兩側(cè)的RCT所采集的剩余電流值構(gòu)成穩(wěn)態(tài)剩余電流差動(dòng)元件，其動(dòng)作判據(jù)如式(3)所示。

該元件經(jīng)延時(shí)31動(dòng)作，動(dòng)作后保持32。如32結(jié)束，不再滿足元件動(dòng)作條件，則元件復(fù)歸。

4) 單相差流元件(元件四)

基于長電纜M、N兩側(cè)的A相電流矢量差值構(gòu)成單相電流差流元件，其動(dòng)作判據(jù)如式(4)所示。

該元件經(jīng)延時(shí)41動(dòng)作，動(dòng)作后保持42。如42結(jié)束，不再滿足元件動(dòng)作條件，則元件復(fù)歸。

2.4 自補(bǔ)償復(fù)合電流判據(jù)邏輯圖及示例

基于上述的4種判別元件，構(gòu)建自補(bǔ)償復(fù)合電流判據(jù)，其邏輯如圖4所示。

圖4 自補(bǔ)償復(fù)合電流判據(jù)

下面就電纜溝積水電纜絕緣破損，由單相漏電發(fā)展為對(duì)稱三相漏電時(shí)的告警過程加以說明(不失一般性，假設(shè)B相首先發(fā)生漏電)。

1) 單相漏電階段： B相首先發(fā)生漏電，穩(wěn)態(tài)剩余電流元件和剩余電流增量元件組成的或門輸出為1，穩(wěn)態(tài)剩余電流差動(dòng)元件輸出為1，監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)不對(duì)稱漏電；

2) 對(duì)稱三相漏電階段：假設(shè)發(fā)展為ABC三相漏電，首端感受到剩余電流大幅降低，穩(wěn)態(tài)剩余電流元件、穩(wěn)態(tài)剩余電流差動(dòng)元件輸出為0。剩余電流增量元件使或門輸出為1，因?yàn)榇藭r(shí)A相已出現(xiàn)漏電流，單相差流元件輸出為1，監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)三相漏電。

易見，自補(bǔ)償復(fù)合電流判據(jù)相較于剩余電流判據(jù)，具有較強(qiáng)的三相漏電監(jiān)測能力。

2.5 自補(bǔ)償電流的工程取值方法

考慮到基建初期，長段動(dòng)力電纜狀態(tài)較好，尚未經(jīng)受不利現(xiàn)場環(huán)境的影響，宜將此時(shí)的剩余電流測量值作為固有剩余電流的工程參考值。

基于上述假設(shè)，通過在長電纜敷設(shè)初期進(jìn)行實(shí)測電纜始端、末端的RCT測量剩余電流，將其作為固有剩余電流的估計(jì)值。由于測量誤差等因素的存在，固有剩余電流估計(jì)值不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的完全補(bǔ)償，但可以大幅降低固有剩余電流的影響，提高穩(wěn)態(tài)剩余電流差動(dòng)元件的靈敏性。

下面做進(jìn)一步的圖形化的說明，補(bǔ)償前的穩(wěn)態(tài)剩余電流元件極限動(dòng)作區(qū)域?yàn)閳D5左側(cè)部分中紅色虛線圓外側(cè)，補(bǔ)償后極限動(dòng)作區(qū)域變?yōu)榧t色實(shí)線圓外側(cè)，可見極限動(dòng)作區(qū)域變大。不失一般性，假設(shè)告警定值定為理論極限告警值的2倍，補(bǔ)償前后告警定值變化如圖5所示。易見，動(dòng)作區(qū)域顯著擴(kuò)大，圖5中穩(wěn)態(tài)剩余電流實(shí)測值采取自補(bǔ)償前不能告警，自補(bǔ)償機(jī)制啟動(dòng)后可以告警，判別靈敏度得以提高。

圖5 固有剩余電流補(bǔ)償對(duì)定值的影響

類似地，計(jì)算得到固有剩余電流差流的估計(jì)值，實(shí)測得到A相固有漏電流差流的估計(jì)值，分別實(shí)現(xiàn)元件二和元件四的自補(bǔ)償電流工程取值。

圖6給出了文中所提漏電流監(jiān)測判別分析的流程圖。

圖6 漏電流監(jiān)測分析流程圖

3 仿真驗(yàn)證

本節(jié)以江蘇地區(qū)某500 kV變電站某斷路器間隔長段動(dòng)力電纜(長度為125 m)為研究對(duì)象，基于實(shí)測電流電壓數(shù)據(jù)的收集和電纜的實(shí)際參數(shù)，于2021年2月在國家超級(jí)計(jì)算廣州中心的天河二號(hào)超算機(jī)上進(jìn)行了有限元仿真。模擬了3種基本故障、12種發(fā)展性故障驗(yàn)證本文所提判據(jù)在各種漏電場景下的有效性。下面以發(fā)展性故障I(單相故障發(fā)展成三相故障)為例加以說明。

圖7給出了模擬長段動(dòng)力電纜B相單相漏電階段的電流分布，圖8給出了模擬長段動(dòng)力電纜三相漏電階段的電流分布。

基于仿真結(jié)果的兩階段判據(jù)對(duì)比情況如表1所示。

圖7 單相漏電時(shí)的電流分布

圖8 三相漏電時(shí)的電流分布

表1 發(fā)展性故障I的仿真結(jié)果

由圖7、圖8和表1可見：

1) 在單相漏電階段，B相電纜對(duì)PE存在對(duì)地電流，剩余電流可以很好地表征單相漏電，兩種判據(jù)均能正確報(bào)警。

2) 在三相漏電階段，盡管ABC三相每相均存在顯著的對(duì)地泄漏電流，但剩余電流較小(16 mA)，剩余電流判據(jù)無法反應(yīng)這種三相漏電故障。復(fù)合電流判據(jù)綜合其他元件信息(如單相差流為305 mA)識(shí)別出三相漏電故障。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

近十年來，江蘇電網(wǎng)500 kV變電站發(fā)生數(shù)起因絕緣破損引起的二次電纜燒毀。2019年起，江蘇地區(qū)多座500 kV變電站結(jié)合智能運(yùn)檢工程建設(shè)，安裝剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)前期監(jiān)測數(shù)據(jù)收集和仿真計(jì)算的結(jié)果，在斷路器儲(chǔ)能回路等長段動(dòng)力電纜支路進(jìn)一步應(yīng)用復(fù)合電流判據(jù)。500 kV變電站動(dòng)力電纜漏電監(jiān)測如圖9所示。同時(shí)，亦在3條長段動(dòng)力電纜饋線支路和2條短電纜饋線支路上同時(shí)保留剩余電流判據(jù)(定值為300 mA)，將基于本文所提判據(jù)、剩余電流判據(jù)的5條電纜漏電監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。此外，再通過支路電流的監(jiān)測數(shù)據(jù)推算僅配置最傳統(tǒng)的空開的監(jiān)測效果(即能否到達(dá)空開動(dòng)作電流判斷效果)亦見表2。

圖9 500 kV變電站的動(dòng)力電纜漏電監(jiān)測

表2 監(jiān)測結(jié)果對(duì)比

由表2可見，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，空開方案較難發(fā)現(xiàn)漏電故障。復(fù)合電流判據(jù)方案相較于剩余電流方案可更有效地發(fā)現(xiàn)電纜(尤其是長段動(dòng)力電纜)的各種漏電故障。

基于現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和長期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可得出以下幾點(diǎn)建議。

2) 不同交流負(fù)荷支路宜在考慮固有剩余電流等因素的基礎(chǔ)上差異化設(shè)置告警值。

3) 電纜首末端CT的數(shù)據(jù)同步問題、抗電磁干擾問題較為突出，對(duì)漏電監(jiān)測的影響不容忽視。

3) 對(duì)于三相交流負(fù)荷長期不平衡的長電纜，N線對(duì)PE漏電亦會(huì)產(chǎn)生剩余電流，故障排查時(shí)應(yīng)關(guān)注該情況。

5 ?結(jié)論

本文分析了變電站交流系統(tǒng)長段動(dòng)力電纜漏電特征和剩余電流監(jiān)測方法的局限性，提出了一種自補(bǔ)償復(fù)合電流判據(jù)及補(bǔ)償量的工程取值方法。該方法能夠顯著提高漏電判別的靈敏性。仿真計(jì)算和500 kV變電站實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，本文所提監(jiān)測方法能可靠實(shí)現(xiàn)長段動(dòng)力電纜三相漏電告警，工程量合理，現(xiàn)場可操作性強(qiáng)，豐富了變電站交流系統(tǒng)動(dòng)力電纜的漏電監(jiān)測手段。

在后續(xù)的研究中，進(jìn)一步針對(duì)漏電機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)合變電站實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)控制或減小剩余電流的措施開展理論分析和實(shí)際驗(yàn)算，以期消除或緩解因剩余電流過大給變電站造成消防、安全運(yùn)行等隱患，為變電站交流系統(tǒng)智能運(yùn)維進(jìn)一步提供技術(shù)支持。

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Leakage current monitoring method for a long power cable in a substation based on a combined current criterion with self-compensation

CHEN Hao1, LIU Huaiyu1, YAO Kai1, MA Zhaoxing2, SUN Xiaolei1

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch, Nanjing 211102, China;2. School of Information and Control Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266525, China)

There is lack of an effective leakage current monitoring method for a long power cable in a substation. In this paper, based on the analysis on the variation features of leakage current and the imitation of present monitoring methods, a method for a substation AC system based on a combined current criterion with self-compensation is proposed. The residual current and the signal phase current of two ends of the power cable are used. The criterion is a combination of steady-state residual current, residual current increment, steady-state residual current differential, and single-phase residual current differential criteria, to achieve reliable detection on asymmetric leakage and three phase leakage currents of a long cable. The case study results show that the proposed method can monitor different kinds of leakage of a long power cable effectively and promote the level of AC system intelligent maintenance in a substation.

residual current; differential current; long power cable; combined current criteria; leakage current monitoring; intelligent maintenance

10.19783/j.cnki.pspc.211259

2021-09-12；

2021-11-30

陳 昊(1980—)，男，高級(jí)技師，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事變電二次運(yùn)檢相關(guān)工作；E-mail: pingfengma@ 126.com

馬兆興(1982—)，男，通信作者，博士，碩導(dǎo)，主要從事電力系統(tǒng)分析、運(yùn)行，綜合能源系統(tǒng)相關(guān)工作。E-mail: mazhaoxingapple@126.com

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(61803220)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(ZR2020ME194)；國家超級(jí)計(jì)算廣州中心支持項(xiàng)目資助

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61803220).

(編輯 魏小麗)