風電場集電電纜線路故障檢測技術

陳小華 許峰

摘要：風電場是一類利用風力清潔能源進行發電的發電站，其集電電纜是電力傳輸的大動脈結構，也是故障問題的高發部位。應當加強故障檢測和故障處理，避免集電電纜線路故障給電力系統帶來的不利影響。本文首先介紹了風電場集電電纜線路的基本情況，及利用分布式故障檢測技術和傳統行波法進行故障檢測的重要性意義。接著分析了線路故障檢測分布式檢測單元的一般工作方式，常常是通過羅氏線圈的精準檢測線路的電流、初行波波頭，通過信號的識別、傳輸來保障風電場集中電纜線路的故障檢測信號能夠及時傳輸給主控制區。最后分析了分布式故障定位系統的構成、運行方式及各故障位置的定位分析，反映出分布式技術在風電場集電電纜線路故障檢測中的良好應用效果。

關鍵詞：風電場集電電纜;分布式檢測;線路;故障檢測技術;檢測單元

一、風電場集電電纜線路

風電場即利用風力進行發電的場域，而風電場集電電纜線路則是區域內輸送大量電能的高壓輸電線路，既是支撐電力系統運行的大動脈，也是連接用戶終端與風電場間的電力紐帶。集電電纜線路承擔的是輸運風電場運行的大量電能的重要職責，但這也導致其較易發生故障，干擾電力系統的正常運行。在我國積極探索風力、太陽能、水力等清潔能源發電的過程中，風電場也獲得了持續性的高速發展，基于信息化、自動化的分布式故障檢測技術，成為檢測風電場集電電纜線路的重要技術，保障了電力輸電網絡的正常運行能力?？偟膩碚f，面對復雜靈活的電力網絡結構，及集電電纜的集中電纜式結構，傳統的行波波速取值存在的不確定性將很大程度的降低測距檢測精度，這可能導致故障檢測位置存在偏差，在進行故障檢測時應當注意加強不確定性控制。

為了加強風電場的電場運行穩定性，可以采用分布式檢測技術，對輸電線路故障精確定位，將分布式檢測與傳統行波法融合應用，從而對集電電纜中的故障進行精確定位。風電場分布式檢測技術通過在電力系統中的各部分設置電力檢測器，對其故障初始行波的波頭做好設識別和檢測，從而實現故障定位。這種檢測方式能夠避免故障行波在集電電纜中的折射、反射環節，讓故障檢測裝置能夠從復雜的行波類型中精準識別行波波頭。分布式檢測也有利于在線實現對行波波速的精準測量和精度損傷補償，通過降低行波波速的不確定性來提升測距精度。這種故障檢測技術的定位精度也不會受到線路、系統和電阻等的構件類型、結構的影響。

二、線路故障檢測的分布式檢測單元

在集電電纜的輸電線路發生接地故障時，會出現自故障點往兩端傳導的大量電流，同時產生有較寬頻段的電壓行波，故障態下的電壓行波行波頻帶在幾百到幾千赫茲不等，行波傳導到一般互感器等高壓設備后會發生畸變。所以，為了保障采集的故障行波信號是真切準確的，應當設置有足夠帶寬的傳感器。例如帶寬在1 MHz及以上的羅氏線圈傳感器，適應暫態故障行波的帶寬傳感要求，能夠在行波信號通過時不出現失真變形問題。

線路故障檢測的分布式檢測單元的構成包括電源模塊和電源管理線路，前者則一般可以再細分為高效取電線圈和超級儲能電容（足夠帶寬）。線路故障檢測的各檢測單元是保障供電系統穩定可靠性供電性能的重要環節，是風電場集電電纜線路故障檢測的重要技術。羅氏線圈是一類電流傳感器，能夠及時、準確的檢測區域電路通過的電流信號，并將其輸出至A/D轉換采樣模塊。隨著模塊接受電流輸入信號，可根據di/dt等電流變化率的值來計算該電路部分的實際電流。若發現檢測單元的電路輸入值大于該區域的閾值范圍，則會提升采樣模塊的采樣速度，從而精準測定檢測線路部分的故障行波信號。應當加強識別高速采樣得到的初行波波頭，通過檢測時間、信號波長等信號，確定區域是否出現了故障問題，并將分布式檢測單元所收集到的GPS信號向系統主機進行發送整合。

三、分布式故障定位系統

分布式故障定位系統的構成部分包括各分布式檢測單元、處理器、電源管理、監控主機等，在面對有較強復雜性的風電場集電電纜線路。分布式檢測單元還可以細分為：感應取電和電源管理是系統各區域設備球體單元的重要供電部分;微處理器、行波獲取模塊是精準獲取故障行波信號，并對其做好初步處理的重要信號檢測分析部分;GPS遠程通訊模塊則是搭載的單元與主機的重要通訊部件，能夠將行波初始波頭的相關時間、波長、頻段等指數發送給監控主機。監控主機能夠整合多個分布式檢測的發送信號，結合其安裝位置、電流傳輸路徑等條件，給出故障線路位置的初步判斷;隨著該檢測單元的繼續檢測，則可以根據行波的時間、波段變化等再做故障發生位置的精確計算。在風電場集中電纜的線路故障檢測監控主機得出定位結果后，會將其發送至檢修人員信息終端中，保障了集中電纜這些重要部分能夠得到快速檢修。

1.確定故障支路

解決集中電纜線路故障測距的關鍵是分析和確定故障的支路部分。在出現電纜線路故障時，故障定位系統會先通過分析各分布式檢測單元的上傳數據，結合初始行波波頭判斷出故障所在的支路。以存在10條輸電線路的風電場集中電纜線路為例，各線路上搭載的檢測單元數一般依照其線路長度來進行設計和安排。一般在各線路上的線載分布式檢測單元（DFDU）設置為10 km-20 km間距。

分布式故障檢測技術是通過各條輸電線路上的檢測單元，來確保能夠及時發現區域的故障行波，并精準捕捉未經過反射影響、有較大波幅值的第一個故障行波的波頭，具有檢測精度高、易識別的優勢。假設線路的MN段發生故障，則故障行波會從該故障點往M、N的線路兩端傳播，最先經過也是最先被檢測的部分就是線路MN中間到兩端安裝的分布式檢測單元。這也是系統主機判斷故障支路的重要依據，能夠根據各檢測單元對故障行波的初檢測時間來確定故障支路，最先檢測到分布式單元位于的線路即為故障問題產生的支路。

2.定位故障點

故障點的定位需要依據集中電纜線路的故障支路位置，結合本線路各檢測單元（DFDU）高速檢測模式下的持續性檢測數據，據此進行故障點的計算和定位。若故障位置在分布式檢測單元的節點M，故障行波都是從分支節點在線路中流通，而離節點M最近的分布式檢測單元應當會更早檢測到故障行波信號。一般為了檢測具體故障節點，會在線路段中加設分布式檢測單元，通過更多單元的檢測來精準定位故障點，輔助集中電纜管理者對故障位置的處理工作。

四、結語

在風電場集成電纜線路管理中，分布式技術與傳統行波法融合應用有利于實現故障問題的精準定位，主要是通過集成電纜各線路中依據線路長度進行設計的分布式檢測節點，來在故障問題發生時更精準的檢測到初始行波的波頭，通過綜合多個節點的監測數據，實現故障點的精準定位，為風電場的電力系統管理提供故障處理依據。

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