风电场集电电缆线路故障检测技术

陈小华 许峰

摘要：风电场是一类利用风力清洁能源进行发电的发电站，其集电电缆是电力传输的大动脉结构，也是故障问题的高发部位。应当加强故障检测和故障处理，避免集电电缆线路故障给电力系统带来的不利影响。本文首先介绍了风电场集电电缆线路的基本情况，及利用分布式故障检测技术和传统行波法进行故障检测的重要性意义。接着分析了线路故障检测分布式检测单元的一般工作方式，常常是通过罗氏线圈的精准检测线路的电流、初行波波头，通过信号的识别、传输来保障风电场集中电缆线路的故障检测信号能够及时传输给主控制区。最后分析了分布式故障定位系统的构成、运行方式及各故障位置的定位分析，反映出分布式技术在风电场集电电缆线路故障检测中的良好应用效果。

关键词：风电场集电电缆;分布式检测;线路;故障检测技术;检测单元

一、风电场集电电缆线路

风电场即利用风力进行发电的场域，而风电场集电电缆线路则是区域内输送大量电能的高压输电线路，既是支撑电力系统运行的大动脉，也是连接用户终端与风电场间的电力纽带。集电电缆线路承担的是输运风电场运行的大量电能的重要职责，但这也导致其较易发生故障，干扰电力系统的正常运行。在我国积极探索风力、太阳能、水力等清洁能源发电的过程中，风电场也获得了持续性的高速发展，基于信息化、自动化的分布式故障检测技术，成为检测风电场集电电缆线路的重要技术，保障了电力输电网络的正常运行能力。总的来说，面对复杂灵活的电力网络结构，及集电电缆的集中电缆式结构，传统的行波波速取值存在的不确定性将很大程度的降低测距检测精度，这可能导致故障检测位置存在偏差，在进行故障检测时应当注意加强不确定性控制。

为了加强风电场的电场运行稳定性，可以采用分布式检测技术，对输电线路故障精确定位，将分布式检测与传统行波法融合应用，从而对集电电缆中的故障进行精确定位。风电场分布式检测技术通过在电力系统中的各部分设置电力检测器，对其故障初始行波的波头做好设识别和检测，从而实现故障定位。这种检测方式能够避免故障行波在集电电缆中的折射、反射环节，让故障检测装置能够从复杂的行波类型中精准识别行波波头。分布式检测也有利于在线实现对行波波速的精准测量和精度损伤补偿，通过降低行波波速的不确定性来提升测距精度。这种故障检测技术的定位精度也不会受到线路、系统和电阻等的构件类型、结构的影响。

二、线路故障检测的分布式检测单元

在集电电缆的输电线路发生接地故障时，会出现自故障点往两端传导的大量电流，同时产生有较宽频段的电压行波，故障态下的电压行波行波频带在几百到几千赫兹不等，行波传导到一般互感器等高压设备后会发生畸变。所以，为了保障采集的故障行波信号是真切准确的，应当设置有足够带宽的传感器。例如带宽在1 MHz及以上的罗氏线圈传感器，适应暂态故障行波的带宽传感要求，能够在行波信号通过时不出现失真变形问题。

线路故障检测的分布式检测单元的构成包括电源模块和电源管理线路，前者则一般可以再细分为高效取电线圈和超级储能电容（足够带宽）。线路故障检测的各检测单元是保障供电系统稳定可靠性供电性能的重要环节，是风电场集电电缆线路故障檢测的重要技术。罗氏线圈是一类电流传感器，能够及时、准确的检测区域电路通过的电流信号，并将其输出至A/D转换采样模块。随着模块接受电流输入信号，可根据di/dt等电流变化率的值来计算该电路部分的实际电流。若发现检测单元的电路输入值大于该区域的阈值范围，则会提升采样模块的采样速度，从而精准测定检测线路部分的故障行波信号。应当加强识别高速采样得到的初行波波头，通过检测时间、信号波长等信号，确定区域是否出现了故障问题，并将分布式检测单元所收集到的GPS信号向系统主机进行发送整合。

三、分布式故障定位系统

分布式故障定位系统的构成部分包括各分布式检测单元、处理器、电源管理、监控主机等，在面对有较强复杂性的风电场集电电缆线路。分布式检测单元还可以细分为：感应取电和电源管理是系统各区域设备球体单元的重要供电部分;微处理器、行波获取模块是精准获取故障行波信号，并对其做好初步处理的重要信号检测分析部分;GPS远程通讯模块则是搭载的单元与主机的重要通讯部件，能够将行波初始波头的相关时间、波长、频段等指数发送给监控主机。监控主机能够整合多个分布式检测的发送信号，结合其安装位置、电流传输路径等条件，给出故障线路位置的初步判断;随着该检测单元的继续检测，则可以根据行波的时间、波段变化等再做故障发生位置的精确计算。在风电场集中电缆的线路故障检测监控主机得出定位结果后，会将其发送至检修人员信息终端中，保障了集中电缆这些重要部分能够得到快速检修。

1.确定故障支路

解决集中电缆线路故障测距的关键是分析和确定故障的支路部分。在出现电缆线路故障时，故障定位系统会先通过分析各分布式检测单元的上传数据，结合初始行波波头判断出故障所在的支路。以存在10条输电线路的风电场集中电缆线路为例，各线路上搭载的检测单元数一般依照其线路长度来进行设计和安排。一般在各线路上的线载分布式检测单元（DFDU）设置为10 km-20 km间距。

分布式故障检测技术是通过各条输电线路上的检测单元，来确保能够及时发现区域的故障行波，并精准捕捉未经过反射影响、有较大波幅值的第一个故障行波的波头，具有检测精度高、易识别的优势。假设线路的MN段发生故障，则故障行波会从该故障点往M、N的线路两端传播，最先经过也是最先被检测的部分就是线路MN中间到两端安装的分布式检测单元。这也是系统主机判断故障支路的重要依据，能够根据各检测单元对故障行波的初检测时间来确定故障支路，最先检测到分布式单元位于的线路即为故障问题产生的支路。

2.定位故障点

故障点的定位需要依据集中电缆线路的故障支路位置，结合本线路各检测单元（DFDU）高速检测模式下的持续性检测数据，据此进行故障点的计算和定位。若故障位置在分布式检测单元的节点M，故障行波都是从分支节点在线路中流通，而离节点M最近的分布式检测单元应当会更早检测到故障行波信号。一般为了检测具体故障节点，会在线路段中加设分布式检测单元，通过更多单元的检测来精准定位故障点，辅助集中电缆管理者对故障位置的处理工作。

四、结语

在风电场集成电缆线路管理中，分布式技术与传统行波法融合应用有利于实现故障问题的精准定位，主要是通过集成电缆各线路中依据线路长度进行设计的分布式检测节点，来在故障问题发生时更精准的检测到初始行波的波头，通过综合多个节点的监测数据，实现故障点的精准定位，为风电场的电力系统管理提供故障处理依据。

参考文献：

[1]一起由接地工艺引起的220 kV高压电缆故障分析[J]. 刘凤莲，朱军，卢金奎，曾宏，吴驰，张涵轶，杜颢.  四川电力技术. 2019（03）：157-158

[2]基于大数据运行状态管控平台的配电网精益化管理探讨[J]. 李蕊，陈孝文，许家伟，吕志鹏，林树鸿.  电力设备管理. 2019（10）：34-35

[3]110 kV及以上电力电缆系统故障统计分析[J]. 惠宝军，傅明利，刘通，侯帅，刘昌，郭金明.  南方电网技术. 2017（12）：203-204