陆上风电场工程集电线路地埋电缆常见故障分析与处理

中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司 万星一舟

陆上风电场工程中，以集电线路带动若干台风机的方式，通过一回或多回集电线路将每台风机对应的箱变进行连接，可以实现风机的电能汇集，并可将电能送往风电场工程的升压站或开关站。陆上风电场工程的集电线路通常分为电缆型和电缆加架空混合型两种形式，两种形式的集电线路均会涉及地埋电缆的设计、采购、施工及运维。集电线路地埋电缆一旦发生故障，将会破坏风电场与升压站或开关站之间的电能传输通道，甚至可能导致多台风机的电能无法送出。为避免集电线路地埋电缆故障的产生，降低故障带来的损失，应详细分析故障产生的原因，根据故障分析的结果，设置必要的故障预防措施及有效的故障处理措施。通过以上手段降低风电场工程集电线路的故障率和故障持续时间，就是为风电场工程的可靠运行打下有力基础。

1 集电线路地埋电缆故障的查找和处理

1.1 故障现象

在陆上风电场工程中，与集电线路地埋电缆的首端或末端相连的电气设备通常有箱变、集电线路进线开关柜、电缆分支箱等。如果集电线路地埋电缆出现故障，那么升压站主控室内的运维人员可能观测到箱变、集电线路进线开关柜等电气设备的断路器或熔断器动作，现场巡视的运维人员可能听到地埋电缆出现异响并闻到异味。此外，主控室中还可能监控到电压、电流等电气参数的异常，表明可能有故障发生。

1.2 故障查找

在对出现故障的集电线路地埋电缆进行检查时，一是要对集电线路的电气接线图以及电缆敷设图等设计图纸进行详细分析，深入了解地埋电缆的设置情况。二是要详细了解风力发电机、箱变、集电线路进线开关柜等有关设备的运行情况，判断故障出现的原因。三是要结合相关图纸的设计情况和相关设备的运维情况，制定出科学合理的检验方案，判断故障的具体位置，确保后续工作的顺利开展。

具体来看，运维人员在巡视过程中，如果听见异响或闻到异味，应及时向主控室内的运维人员进行上报，并结合主控室内反馈的监测数据，对相关集电线路进行检查。当出现了箱变或集电线路进线开关柜通信中断的现象时，应首先排除与该段集电线路关联的箱变和集电线路进线开关柜的故障，在排除箱变和开关柜设备本身的故障后，再查找集电线路的故障。查找过程中，若判断为集电线路地埋电缆出现故障，可按照以下顺序开展工作：

一是要充分结合故障录波设备以及保护装置的数据，初步判断故障的类别，如短路故障、开路故障等。二是要对故障类别的初判进行验证，如初步判断是一相或多相开路故障时，若在电缆的导体连续试验中，观测到导体的绝缘电阻与相关规程规范相符，但有一相或者多相出现不能连续，就可以基本验证判断正确。三是要查找故障出现的部位，如电缆头处发生故障，绝缘层处发生故障等；此外，还可采取分段检查的方式，确定故障的电缆段，缩小检查范围，加快检查进度。

1.2.1 电力电缆故障的带电诊断

目前，电力电缆带电诊断的方法较多，常用的有三类，即电桥法、脉冲法、声测法。这三类诊断方法分别有以下特点：电桥法主要通过电阻大小和电缆长度间的关系，判断故障点到电缆两端的距离，这种方法原理简单，但不能检测电缆的开路故障，且要明确电缆的具体长度；脉冲法是通过脉冲波传输和接收的方式检测故障，常分为低压脉冲法和高压脉冲法，其中低压脉冲法只能检测低阻故障与开路故障，高压脉冲法还可处理高阻故障；声测法是操作最简单的带电诊断方法，能够通过扩音设备对电缆放电时发出的声音进行放大，识别电缆故障出现的位置[1]。

1.2.2 故障点烧穿技术

电缆发生高阻故障时，故障电阻值常超过100kΩ，该故障电阻值条件下，难以采用电桥法、低压脉冲法或声测法进行故障诊断。采用故障点烧穿技术，可使烧穿后的故障点满足故障诊断的电阻值条件。电缆故障点的烧穿处理技术主要包括直流烧穿技术与交流烧穿技术。

直流烧穿技术采用的烧穿设备容量相对较小，进行直流烧穿时，要保持故障点电阻值变化的相对平缓，防止故障点电阻过度降低，以免给故障诊断带来不便。交流烧穿技术采用的烧穿设备容量非常高，进行交流烧穿时，工频交流电的烧穿电流会在一个周期内通过两次零点，此时故障点电阻将迅速提升，促使电缆故障点烧穿，交流烧穿技术适用于需要将故障点电阻值大幅降低的情况。根据直流烧穿技术与交流烧穿技术的不同特点，在故障查找时，应根据初步判断的故障类型结合拟采用的带电诊断方法来选取故障点烧穿方式，灵活运用这两项烧穿技术[2]。

1.2.3 测距误差排除方法

陆上风电场工程集电线路地埋电缆的电缆敷设工作会受到施工环境的影响，实际的地埋电缆路径和长度可能会和施工图纸有一定差异。风电场工程在进行竣工图设计时，通常会根据前期已签发的工程联系单等来核实并确认地埋电缆的最终长度。但集电线路电缆敷设的竣工图纸仍可能存在精确性不高的问题，通过电缆故障的带电诊断结合竣工图的设计情况来进行故障定位，可能仍有距离误差存在。此时，可将多种故障点定位方法结合运用，如电桥法+声测法的结合等。使故障点定位结果尽可能精确，从而降低因故障定位不准确而产生的额外工作量。

1.3 故障处理

陆上风电场工程集电线路地埋电缆常见的故障处理方法如下。一是电缆头故障，如出现了电缆头爆裂现象，应在断电条件下，将电缆头进行更换，并通过紧固电缆头固定螺栓等方式，对电缆头进行加固；再如因电缆头受潮，产生电缆头绝缘能力降低现象时，应在断电条件下，对电缆头进行加热干燥，提升绝缘电阻。二是电缆绝缘层和导体的故障，如因化学腐蚀损伤了电缆的绝缘层，应通过加强绝缘等方式进行处理。

2 集电线路地埋电缆故障的预防措施

2.1 设计阶段的预防措施

设计不合理，会增加集电线路地埋电缆采购、施工、运维等工作的难度，在设计阶段应重视集电线路的方案比选、电缆选型和路径规划等方面内容。电缆型和电缆加架空混合型两种常见的陆上风电场工程集电线路方案中，电缆加架空混合型集电线路的经济性通常较高，但电缆加架空混合型集电线路方案受到环境因素制约，如覆冰厚度较高时，架空线路杆塔存在较大的倒塔风险，为确保安全，此时不应采用电缆加架空混合型集电线路方案；从集电线路地埋电缆本身的经济性来看，铝芯电缆比铜芯电缆的造价低，为降低造价而选用了铝芯地埋电缆时，应充分考虑铝芯电缆在性能上相较于铜芯电缆的不足，如铝芯电缆的电缆头故障率高于铜芯电缆的电缆头。

电缆选型中，应注意以下几点，一是进行电缆的载流量计算时要明确各项校正系数的取值，电缆的载流量要和所选定的电缆截面相匹配。二是电缆选型要考虑电缆的运行环境，严寒地区可能要使用耐寒电缆，潮湿环境中可能要使用防水电缆。三是电缆终端头和中间接头等电缆附件的配置应与电缆相对应，特别要注意使用铝芯集电线路地埋电缆的情况，铝芯电缆与箱变高压侧或集电线路进线开关柜的铜排相连接时，应采用铜铝过渡接线端子[3]。

路径规划中，应根据相关规程规范来确定多根电缆之间的距离，并应结合工程环境来确定电缆的埋深，如在有冻土层的地区，电缆的设计埋深应在冻土层以下，当受条件限制，无法将电缆埋至冻土层以下时，应采用防止电缆受损伤的专项方案。

2.2 物资采购阶段的预防措施

控制材料的质量是预防集电线路地埋电缆故障的重要手段，在物资采购阶段，应对地埋电缆及电缆附件等材料进行严格把关。一是要加强供应商管理，在采购工作开展前，应根据设计阶段的电缆选型并结合以往工程项目的经验，对意向供应商进行筛选；对意向供应商的资信业绩要进行严格审核，主要包括企业规模、企业资质、企业信誉、技术能力、以往工程业绩等方面的内容。二是要把控电缆的生产流程，如有必要可通过监造等方式，对电缆的生产质量及进度进行跟踪；此外，为推进电缆备料等生产准备工作，应优化付款流程，避免因资金不到位导致的生产进度滞后。三是要密切关注铜、铝等工业金属的价格波动，控制好电缆的造价，在物资采购阶段选取质量优良、性价比高的电缆及电缆附件等材料。

2.3 施工阶段的预防措施

提升施工的科学性和可靠性，对集电线路地埋电缆的故障预防非常关键。一是要做好施工材料的物资管理，将不同型号的电缆、电缆附件等分类存放，既要防止电缆和电缆附件被盗，又要防止电缆和电缆附件受潮或损坏。二是要结合施工图纸，对地埋电缆的敷设路径进行优化，延长电缆的使用寿命。三是要按图施工，确保电缆的埋深达到施工图纸的要求，应特别注意有冻土层的地区，需将电缆埋至冻土层以下，必要时采用防止电缆受损伤的专项方案。四是要严格按照相关规程规范，设置电缆的标示桩，避免电缆遭到人为破坏。五是要规范施工操作，防止电缆及电缆附件出现机械损伤，如严禁对电缆进行大力拖拽，严格按照相关规程规范和施工图纸的要求选取电缆的转弯半径等[4]。

2.4 外部监管环节的预防措施

为提升风电场工程的建设质量，外部监管环节是不可或缺的。外部监管能够为集电线路地埋电缆的故障预防起到积极作用，如质监站对风电场工程的监检工作中，可能会核实集电线路的设计方案是否与工程环境相对应，还可能根据施工图纸检查集电线路地埋电缆的敷设情况；电网公司对风电场工程的检查及验收工作中，可能会检查集电线路地埋电缆的设计选型是否满足相关规程规范的要求，还可能检查地埋电缆的检修井是否按照施工图纸的要求进行设置。通过这样的外部监管，可以敦促相关人员进一步做好风电场工程集电线路地埋电缆的设计、采购和施工等工作，为集电线路地埋电缆的稳定运行打下良好基础。

2.5 运维阶段的预防与应对措施

陆上风电场工程的建设期相对较短，运营期相对较长。从长期来看，应高度重视集电线路地埋电缆在运维阶段的故障预防，提升电缆在长期运行过程中的安全可靠性。一是要完善运维制度，在运维指导手册中设置专门的章节来论述集电线路地埋电缆的常见故障预防与处理，进而形成一套科学合理的电缆运维标准。二是要加强人员的选拔和培训，应重点关注运维人员的责任意识、知识掌握、工程经验等方面的情况，选派责任心强、专业知识掌握熟练、相关工程经验丰富的人员参与运维工作。三是要落实对集电线路地埋电缆的运行检查和维护，积极做好巡视工作，及时发现可能存在的故障，采取有效措施排除隐患，确保电缆的安全稳定运行。四是要提高应对故障的能力，集电线路地埋电缆故障的持续时间越长，对风电场工程电能传输和发电效益的影响就越大，应紧密跟踪电缆的运行状况，发现故障第一时间做好原因判断和故障处理，使电缆快速恢复正常运行。

3 结语

在“30·60”双碳目标的背景下，我国风力发电行业的发展呈现突飞猛进的趋势。为保障陆上风电场工程的电能可靠传输，应着重做好集电线路地埋电缆的故障分析与处理工作。在陆上风电场工程的设计、物资采购、施工、外部监管、运维等各个环节中，相关人员应牢固掌握集电线路地埋电缆的常见故障原因，运用科学合理的检测方法，对故障进行有效排查，并及时进行故障处理，将集电线路地埋电缆的故障影响控制在最小范围内。为提升我国陆上风电场工程的建设质量，为增强我国可再生能源发电工程的运行可靠性提供助力。