基于分布式故障测距思路的管网电缆架空线路技术研究.pdf

172023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术基于分布式故障测距思路的管网电缆架空线路技术研究武阳阳（国家管网集团北方管道有限责任公司石家庄输油气分公司）摘要：成品油和天然气（以下简称“油气”）管网工作区供电线路的稳定运行直接决定了油气的稳定运输与居民生活水平，受到城市化高度集中发展的影响油气管网供电线路大部分都是采用电缆以及混架的形式铺设，线路故障层出不穷，现阶段尚无明确的距离保护方案，只能通过故障时人工巡线的方式进行故障排查。本文以国家管网集团北方管道有限责任公司石家庄输油气分公司晋中作业区进线一路 512 专线为例，从分布式故障测距思路出发，对混架线路进行建模分析，对油气供电线路进行线路状态量采集与监测，最终实现了油气混架供电线路故障点精确定位，配合油气管网供电线路现场运维人员进行故障点查找与处理，减小了不必要的故障停电时间造成的恶劣社会影响，从而实现了经济效益。关键词：油气管网供电线路；分布式故障测距；混架线路；经济效益0 引言油气管网供电线路大部分为城市配电系统的重要组成成分之一，不同于城市配电系统直接面向居民楼或者单位，其主要负荷为油气沿线运输的压力系统、信号系统等等，承担着城市化油气系统运输的主要动力来源。而油气管网供电线路大部分离城市中心较近，受到高度集中的城市化建筑，油气管网供电线路一般情况下采用电缆架空混架形式铺设，电缆主体结构部分深埋地下，受到自然环境、地下雨水的侵蚀，线路极易发生隐患放电最终导致电缆击穿从而发生故障跳闸的情况，因此电缆线路的状态量监测显得极为重要。由于石家庄输油气分公司晋中作业区阳泉站进线一路 512 专线采用 10kV 中性点不接地系统，当架空线路发生单相接地故障未达到系统过流和速断保护设定阈值时，系统不会发生故障跳闸，城市化高度集中的区域，单相接地故障频发。现阶段，由于油气管网供电线路的结构特殊性尚无明确的距离保护方案，对于油气管网供电线路只有在线路发生故障跳闸时进行人工寻线的方式进行故障点处理，这对于油气管网线路的故障恢复显得极为不利。本文从分布式故障测距角度出发，设计出一种基于电缆架空混架线路的故障测距装置，该装置在系统发生故障时可实现油气管网供电线路电缆段架空段的区分，同时实现故障点快速精确定位。1 分布式故障测距思路分布式故障测距思路是基于行波的输电线路故障测距技术，行波法故障测距技术是针对输电线路的2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 172023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 172023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49182023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术故障精确定位技术于 20 世纪提出，在当时，受到传感器采集精度以及数字信号处理问题的影响，行波法故障测距一直没有得到成熟稳定的应用，直到 21 世纪初期，高精度数字传感器的成熟应用以及小波变换等数字信号处理方法的相继出现，行波法故障测距率先应用于架空输电线路上，架空输电线路结构较为简单，系统不存在复杂的 T 接或者电缆架空混架的情况，采用 D 行波法故障测距基本能够保证故障点精确定位误差在百米以内，图 1 为 D 行波法故障测距等效示意图。图 1 D 行波法故障测距示意图如图 1 所示为行波法故障测距在架空输电线路中的应用示意图，其中 A、B 为两变电站，m、n 为行波监测终端，Xm，Xn为故障点分别距离监测终端 m以及 n 的距离，G 点为架空输电线路发生故障时接地点，t1、t2分别为故障点 G 产生的沿输电线路向两端传输的行波，式（1）为行波法故障测距公式：式中，t 为行波沿输电线路到达两监测终端的时间差公式，而 t1、t2时刻只需要结合高精度传感器进行采集，通过小波变换等数学方法即可实现行波波头达到监测终端的时刻求解。v 为行波沿架空输电线路传输的波速，通过线路参数即可实现波速的求解，利用通过式（1）可知，在利用 D 行波法故障测距时，故障测距公式与故障点的过渡阻抗无关，因此，（1）行波法故障测距在架空线路上进行应用时，故障精确度相比站内的录波式阻抗测距精度更高。分布式故障测距思路在简单架空输电线路上取得了较高的故障测距精度以及良好的稳定性，是由于架空输电线路首先环境较为良好，系统采用中性点有效接地方式，同时电磁干扰较小，因此影响故障测距精度的因素较少，而针对线路结构较为复杂的时候，需要通过稳定的系统以及成熟的数字信号处理方法才能实现故障精确定位。2 分布式故障监测装置系统组成应用油气管网电缆架空混架线路的分布式故障测距装置采用架空线路思路，系统基本分为电流传感器、电压传感器以及故障测距处理算法及逻辑。电流传感器用线路中电流量的监测，同时采集线路中的行波电流用于求解行波达到监测终端的波头时刻；电压传感器用于采集线路中电压的变化，用来辨别油气管网供电线路发生单相接地还是故障跳闸；故障测距处理算法用于判定系统中的误报以及故障点精确定位情况。模块之间相互配合，从而实现油气管网供电线路的故障点精确定位。2.1 电流传感器油气管网供电线路大部分为电缆架空混架线路，电缆线路部分采用三芯电缆，在电缆终端头处进行接地处理，而架空线路则沿用配电网线路形式。电流传感器采用柔性线圈传感器，可适应不同粗细的电缆，利用工业橡胶结合扎带的形式固定在电缆终端头处，该电流传感器采用罗氏线圈监测电流原理，罗氏线圈具有良好的输出响应特性，同时其具备良好的通频带，约为 0.1Hz1MHz。油气管网供电线路工频频率为 50Hz，行波频率约为几十 kHz200kHz，因此该传感器可以很好地采集油气管网供电线路工频以及行波，如图 2 所示为柔性线圈传感器放大示意图。2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 182023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 182023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49192023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术线圈卡于电缆终端头处，其采集原理如下：式中，u（t）为罗氏线圈输出电压方程；i1（t）为电缆本体中负载电流方程；M 为线圈与电缆芯线之间的参数，该值在传感器安装时为常数；i2（t）为自积分电阻中电流方程；L、R0、C0和 r 分别为罗氏线圈自身电感参数、电阻参数、电容参数、自积分电阻参数。而由于油气管网线路发生跳闸时行波阻抗远大于自积分回路中的阻抗，因此，可将罗氏线圈 u（t）等效为如式（3）的输出：式中，在电缆线路安装完成时，M、L0、r 全部为常数。因此，可以大致判定系统中罗氏线圈输出参数只与电缆线路中负载电流方程 i1（t）有关，且呈现良好的线性特性。由于柔性线圈传感器为罗氏线圈传感器在进行电流采集时，会将工频电流信号以及行波电流信号同时采集，因此通过频率选择的方式进行筛选，在对柔性线圈采集的信号进行处理时需设置通频带，工频电流通频带为 01000Hz，行波电流通频带为 1000Hz1MHz，如图 3 所示为油气管网供电线路电流信号采集处理示意图。图 2 柔性线圈传感器放大示意图图 3 油气管网供电线路电流信号采集处理示意图图 4 油气管网混架线路电压传感器测量等效示意图（2）（3）2.2 电压传感器由于 10kV 混架油气管网供电线路采用中性点非有效接地方式运行，在进行接地点以及故障点判定时必须借助工频电压，因此该监测装置加入了工频电压监测传感器。油气管网混架供电线路电压传感器此处同样安装于电缆转架空的终端头处，同样采用柔性线圈的方式进行电压测量，该处不同于传统的站内变压器侧的相电压测量，该电压传感器利用串联电容分压原理，进行电压的测量，如图 4 所示为油气管网混架线路电压传感器测量等效示意图。应用于油气管网线路的电压测量的传感器同样采用柔性线圈传感器的形式，其测量原理为电容分压结构，C1、C2分别为传感器对地杂散电容以及传感器对2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 192023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 192023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49202023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术油气管网电缆供电线路电容，C3为测量回路中电容，因此可以得出测量回路中的电压方程为：式中，U0为油气管网电缆线路中电压情况；U（t）为传感器输出的电压数值量，通过查阅参考文献可知电容 C1量级单位为 pF 级，C2量级单位为 F 级，因此电压量集中在 C2处，只需要合理设计 C3处电容量使其与 C2进行阻抗匹配即可进行电缆供电线路的近似电压测量。2.3 系统触发逻辑根据上述电流传感器以及电压传感器采集原理设计了如图 5 所示的油气管网混架线路故障测距系统逻辑。（4）图 5 油气管网混架线路故障测距逻辑图 6 石家庄输油气分公司晋中作业区阳泉站进线一路图 7 石家庄输油气分公司晋中作业区阳泉站进线一路通过电压、电流传感器采集的信号进行 A/D 转换，之后进行上述带通滤波进行工频电流信号以及行波电流信号的分离，利用工频电流信号集合工频电压信号进行油气管网混架线路的故障跳闸判定集合行波电流采集的波形情况，从而实现了故障点精确定位。3 系统实验本文以石家庄输油气分公司晋中作业区阳泉站进线一路 512 专线为例，线路现场走廊如图 6 所示，建立了系统仿真模型，设立了分布式行波监测点位，分别模拟了电缆段故障时、架空段故障时监测点采集的工频波形及行波波形情况，如图 7 所示为石家庄输油气分公司晋中作业区阳泉站进线一路 512 专线线路结构。线路全长为 5km，采用电缆架空混架形式铺设，其中包括 4km 电缆以及 1km 架空线路，线路采用单端电源供电的模式，其中架空侧为负载侧，系统为10kV 电压等级，图 7 中电缆采用三芯电缆结构，中性点采用非有效接地方式运行。本次仿真模型中电缆及架空线参数如下表所示。512 专线线路走廊图512 专线线路结构2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 202023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 202023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49212023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术利用表中数据，进行行波在电缆线路中传输的波速计算，利用行波传输公式可知，行波在电缆线路中传输以及在架空线路中传输的波速度分别为：在进行电缆线路及架空线路波速度计算时近似线路采用无损线路计算，从而近似得出行波在电缆线路中传输的波速度约为 171.29m/s，而行波在架空线路中传输的波速度约为 291.33m/s。（5）表 仿真模型中电缆及架空线参数图 8 石家庄输油气分公司晋中作业区阳泉站进线一路 512 专线线路仿真模型线路类型电缆架空线路各序分量正序零序正序零序0.026720.31630.00320.05320.53010-31.21210-101.02210-41.23210-93.53010-37.95210-99.03610-42.77310-8电阻（/km）电感（H/km）电容（F/km）3.1 实验背景本次实验仿真混架线路故障定位精度情况，分别设置电缆线路参数为三芯电缆，设置架空线路为三相裸导线，如图 8 所示为石家庄输油气分公司晋中作业区阳泉站进线一路 512 专线线路仿真模型。如图 8 所示为该条线路的仿真模型示意图，线路采用 10kV 中性点非有效接地方式运行，电缆 LCC 参数分为两段，分别为左端 1km，右端 3km，架空 LCC参数分为两段，分别为左端 0.5km，右端 0.5km，末端采用负载性质电路接地，在距离电缆段变电站首段1km 处，图 8 中单相接地故障点电阻都为 10，仿真模型中单相接地故障为先后施加故障接地点，分别在电缆线路变电站出口处、电缆转架空处、架空线路末端设立电流观测点，在变电站出口处设立电压观测点，以下为两次仿真故障定位情况。3.2 实验定位情况故障仿真情况，系统正常运行，在电缆中设立单相接地故障点，设立过流保护机制，线路发生故障跳闸，在距离首段变电站 1km 处设立单相接地故障点，图 9 为电缆段发生单相接地时三个监测点采集到的工频电流情况。2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 212023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 212023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49222023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术图 9 电缆段故障时监测点工频电流波形图图 10 故障精确定位情况（a）变电所出口（b）电缆末端（c）架空线路末端由于系统为单电源运行模式，因此当电缆线路发生故障跳闸时，故障点前短路电流较大，而故障点后短路电流基本不存在，因此可以判定为本次故障位于电缆段，利用电缆段两监测装置进行故障点精确定位，图 10 中靠近变电站两监测终端进行故障点精确定位。利用式（1）、式（5）结合电缆段全长即可实现线圈的故障点精确定位，进行线路故障定精确定位：（6）式中，L 为故障点距离首段变电站的距离，通过上述仿真模型求解行波波速以及故障时行波在电缆线路中进行故障距离求解可知，实际故障点与仿真故障点误差仅为 27.74m，可实现快速实现行波故障查找与排除。4 结束语1）油气管网工作区供电线路环境复杂，大部分线路采用电缆架空混架的线路结构进行铺设，现阶段尚无有效的故障监测手段，只能在电缆线路发生故障时，通过阻抗法进行故障查找；2）基于分布式故障测距思路的故障监测装置主要通过线路电压情况、电流情况的采集实现线路的在线式故障监测；针对混架线路，设置合理的监测点位置，利用电压配合电流的方法实现故障点区间判定，从而配合调度人员进行远程重合闸操作，利用行波电流情况可实现高精度的故障定位，从而减小油气管网线路不必要的停电时间造成损失。2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 222023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 222023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49232023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术567891011121314（上接第16 页）参考文献1234参考文献1234567李璐，谭忠富，张恩源.含分布式电源的智能配网的控制策略研究J.华东电力，2014，42（8）：1600-1605.袁佳歆，李响，张哲维.基于注入信号的有源配电网单相接地故障选线方法 J.电测与仪表，2020，57（5）：44-49.杨斌，李明贞，周承科.基于泄漏电流的高压电缆线路故障测距方法 J.电测与仪表，2020，57（5）：120-124.张小娟，李泽荣，张重远，等.基于最小路法的配电网可靠性评估 J.电网与清洁能源，2010，26（8）：24-28.杨 磊，汪佛池，赵 涛，等.10kV 配电网中性点接地方式选择及转供电技术措施研究 J.电瓷避雷器，2021（1）：68-77.郭丽伟，薛永端，徐丙垠，等中性点接地方式对供电可靠性的影响分析 J电网技术，2015，39（8）：2340-2345朱文葛，李景禄，易洲楠，等.考虑线路阻抗的主动干预型熄弧装置应用分析 J.电瓷避雷器，2021（5）：41-47.沈煜，阮羚，戴兵，等.配电网单相电弧接地故障的辨识方法 J.武汉大学学报（工学版），2018，51（12）：1098-1104.洪书文，李悦，周威，等.配电网经消弧接地系统不对称度对高阻接地故障选线影响研究 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