基于行波的集電線路故障跳閘案例分析

李俊恒

（大唐云南發(fā)電有限公司）

0 引言

陸上風(fēng)電場集電線路運行環(huán)境往往處于深山或者平原風(fēng)口處，其運行環(huán)境極為惡劣，受到樹木快速生長、惡劣雷雨天氣影響，線路極易發(fā)生跳閘，風(fēng)電場集電線路故障頻發(fā)，風(fēng)電場集電線路中存在大量的短T接、多分支的電纜架空混架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致線路無法采用輸電線路繼保的方式進(jìn)行保護(hù)動作［1］。因此，發(fā)生故障跳閘時難以進(jìn)行故障點信息的準(zhǔn)確排查，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致線路出現(xiàn)棄風(fēng)窩電的情況，給風(fēng)電場帶來極大的運營損失。隨著現(xiàn)階段風(fēng)電平價上網(wǎng)的到來，可能造成電網(wǎng)主頻率發(fā)生偏移，從而帶來惡劣的社會影響。

鑒于風(fēng)電場集電線路特殊的運行環(huán)境，一部分學(xué)者通過分段阻抗法進(jìn)行風(fēng)電場集電線路故障測距。該方法利用關(guān)鍵節(jié)點電壓電流量進(jìn)行分段阻抗計算，通過阻抗法推導(dǎo)而來，從一定程度上可實現(xiàn)集電線路的故障測距，但是需要通過大量的電壓電流狀態(tài)量計算方可實現(xiàn)，同時需要考量各個電壓電流的精確性，其故障測距的精度受到電壓電流精確度影響較大，復(fù)雜的分析過程以及高精度的傳感測量導(dǎo)致其測距方法不被廣泛應(yīng)用［2］。

另一部分學(xué)者采用衍生皮爾遜相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行故障測量，該方法在分支處進(jìn)行監(jiān)測裝置的設(shè)置以及測量。當(dāng)線路中存在短路／接地故障點時，首先利用工頻信息量進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)計算，可實現(xiàn)大致的故障區(qū)間判定，再利用風(fēng)電場集電線路分布式電源進(jìn)行多源等效，從而實現(xiàn)故障阻抗計算。該方法受到風(fēng)電場集電線路中電纜架空結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)致其故障測距精度不高［3-5］。

鑒于上述風(fēng)電場集電線路故障測距中存在的實際問題，本文從行波法故障測距入手，結(jié)合風(fēng)電場線路運行結(jié)構(gòu)，設(shè)置集電線路行波監(jiān)測裝置安裝點，利用故障時行波電流進(jìn)行故障點精確定位，大大減少了其故障定位計算量以及數(shù)據(jù)處理難度［6-8］。

1 集電線路運行背景

隨著“雙碳”概念的提出，我國開始大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能等清潔能源，其中風(fēng)力發(fā)電以較為成熟的生產(chǎn)制造研發(fā)技術(shù)以及極高的商業(yè)價值，成為清潔能源之首。截止到2022年，我國風(fēng)力發(fā)電無論在裝機(jī)容量還是發(fā)電量均位于世界第一水平。在風(fēng)力發(fā)電量高速增長的同時，現(xiàn)階段，伴隨著平價上網(wǎng)政策的出臺，風(fēng)電場集電線路及其相關(guān)線路的安全穩(wěn)定運行成為風(fēng)力發(fā)電的重要考核指標(biāo)之一。

2011年，甘肅酒泉某風(fēng)電場電纜頭三相短路故障導(dǎo)致風(fēng)電場集電線路大規(guī)模脫網(wǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致了西北電網(wǎng)出現(xiàn)主頻率偏移事故。同年，甘肅出現(xiàn)“一般性電壓波動”，導(dǎo)致16個風(fēng)電場500余臺風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事件，進(jìn)而引發(fā)大量電能的損失，因此具備低電壓穿越供能的風(fēng)電機(jī)組成為了風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的前提條件，從而大幅降低了風(fēng)電場大規(guī)模脫網(wǎng)產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

風(fēng)電場集電線路往往依山而建，在其運行的過程中受到樹木超高生長、絕緣子污穢、惡劣自然天氣影響較大，同時其線路結(jié)構(gòu)較為特殊，往往呈現(xiàn)短T接多分支的情況。當(dāng)線路發(fā)生故障時，采用現(xiàn)有的手段無法進(jìn)行準(zhǔn)確的故障區(qū)分，這給風(fēng)電場集電線路安全穩(wěn)定運行帶來了極大的困擾。

由于單個風(fēng)電場往往存在多條集電線路，其線路結(jié)構(gòu)類似于配網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同時其中存在著大量的電纜架空混架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致無法通過類似主網(wǎng)單端阻抗法或者雙端阻抗法進(jìn)行故障測距。其復(fù)雜的線路結(jié)構(gòu)導(dǎo)致線路故障測距或者故障查找極為困難，因此，風(fēng)電場集電線路故障點測距以及故障后快速恢復(fù)供電成為了繼風(fēng)電場大規(guī)模脫網(wǎng)后又一重要研究方向。

2 集電線路運行方式

風(fēng)電場電氣部分主要由風(fēng)機(jī)、集電線路、升壓站三個重要部分組成，其中風(fēng)機(jī)主要作用為收集風(fēng)能，為保證風(fēng)機(jī)更好的收集風(fēng)能，一般風(fēng)機(jī)處于山脊或者較為開闊的平原地帶，同時風(fēng)機(jī)安裝地點可變性較強，可依據(jù)現(xiàn)場施工以及位置進(jìn)行全方位的調(diào)整。風(fēng)機(jī)的安裝位置決定了風(fēng)機(jī)一般情況下高于周圍的樹木及建筑物，這就導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)更容易遭到雷擊侵害。風(fēng)電場基本上呈現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)收集風(fēng)能后，將直接產(chǎn)生690V電壓，隨后利用每臺風(fēng)機(jī)附帶箱變升壓至35kV從而匯集至集電線路上。

風(fēng)電場另外一個重要組成部分為集電線路，集電線路母線電壓為35kV，一個風(fēng)電場往往含有多條集電線路，集電線路走廊往往依據(jù)風(fēng)機(jī)分布而來。由于風(fēng)機(jī)分布的輻射性，導(dǎo)致了集電線路分布也呈現(xiàn)出輻射性的特點，受到建筑物、山川、河流等一系列影響因素的影響，集電線路往往呈現(xiàn)多段電纜、架空的混架結(jié)構(gòu)。同時，由于風(fēng)機(jī)分布的不確定性，導(dǎo)致了風(fēng)電場集電線路走廊的不確定，集電線路匯集風(fēng)機(jī)采集的電能，將本條集電線路上采集的所有電能匯集至35kV母線上，從而傳遞至升壓站。

升壓站作為該風(fēng)場唯一電能輸出單位，母線上往往含有多條集電線路，為保證風(fēng)電場集電線路良好的采集電能，集電線路母線往往采用中心點非有效接地方式運行。同時為保證經(jīng)過升壓站變壓器穩(wěn)定輸出至電網(wǎng)并網(wǎng)，風(fēng)電場送出線路往往采用大電流接地系統(tǒng)，即中性點有效接地。以云南某風(fēng)電場為例，該風(fēng)電場含有多條集電線路，如圖1所示為該風(fēng)電場集電線路等效示意圖。

圖1 云南某風(fēng)電場結(jié)構(gòu)等效示意圖

風(fēng)電場集電線路風(fēng)機(jī)的建設(shè)位置，決定了集電線路在遭受惡劣天氣時，風(fēng)機(jī)容易遭受雷擊侵害，同時其多段電纜架空混架的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了集電線路容易遭受外力破壞，以及各類飄掛物、樹木超高的影響，進(jìn)而引發(fā)故障跳閘。因此，風(fēng)電場集電線路故障測距成為了學(xué)者的重要研究方向，在傳統(tǒng)的距離保護(hù)無法在集電線路上運行的情況下，本文選擇一種不受線路結(jié)構(gòu)影響的故障測距方式，即行波法故障測距。

3 安裝情況

本文以圖1所示云南某風(fēng)電場集電線路為例，選擇線路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的單條集電線路進(jìn)行行波故障監(jiān)測裝置安裝。該風(fēng)電場集電線路大致結(jié)構(gòu)如圖1所示，風(fēng)電場集電線路風(fēng)機(jī)型號為FD-4MW，該集電線路中共包含該類風(fēng)機(jī)共計80余臺。其中集電一線，線路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在3個T接支路，同時線路中存在多段電纜架空混架結(jié)構(gòu)，集電一線線路走廊中存在較多超高樹木，線路單相接地故障頻發(fā)，同時多次故障無法采用人工巡線的方式進(jìn)行故障排查，因此選擇采用行波故障監(jiān)測裝置進(jìn)行風(fēng)電場集電線路故障監(jiān)測，如圖2所示為該風(fēng)電場集電一線線路等效結(jié)構(gòu)以及行波監(jiān)測裝置安裝位置。

圖2 集電一線線路結(jié)構(gòu)以及行波監(jiān)測裝置安裝示意圖

如圖2所示，集電一線中存在長電纜架空混架的情況，同時在電纜線路中段存在電纜T接的情況，針對風(fēng)電場集電線路電纜段故障難以通過人工巡線的方式進(jìn)行故障排查，因此為實現(xiàn)電纜段架空段的故障區(qū)分，分別于A33號、A1號、AF1號處安裝行波監(jiān)測裝置從而實現(xiàn)集電線路電纜段以及架空段的故障區(qū)分。為實現(xiàn)集電一線的全線故障監(jiān)測，綜合考慮故障測距裝置的經(jīng)濟(jì)效益，確認(rèn)如下安裝點位置，分別于4號、A1號、22號架空處安裝了行波故障監(jiān)測裝置，自行波故障監(jiān)測裝置安裝以來，裝置工況良好，可定時上傳集電線路負(fù)載情況。

4 故障情況

4.1 行波故障測距原理

由于風(fēng)電場集電線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜且呈現(xiàn)出多段電纜架空混架的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的輸電線路站內(nèi)距離保護(hù)方法無法實現(xiàn)集電線路故障測距，因此采用行波法故障測距進(jìn)行集電線路狀態(tài)監(jiān)測?；谛胁ǖ妮旊娋€路故障測距在輸電線路上得到成熟應(yīng)用，其故障測距精度不受系統(tǒng)運行狀態(tài)、接地點過渡阻抗的影響，因此選用行波故障測距裝置進(jìn)行風(fēng)電場集電線路故障測距。鑒于集電線路復(fù)雜的運行狀態(tài)以及多電纜架空混架的運行狀況，采用雙端行波法故障測距即D行波法故障測距，如圖3所示為D行波法故障測距基本原理。

圖3 D行波法故障測距原理

如圖3所示為D行波法故障測距原理，其中，m、n為集電線路最小故障區(qū)間行波監(jiān)測裝置，f點為集電線路中接地點，D行波法故障測距利用集電線路接地點產(chǎn)生的行波沿集電線路向兩端傳輸，計算其到達(dá)兩監(jiān)測終端的時間差進(jìn)行故障測距。式中，Δt為行波到達(dá)監(jiān)測終端的時間差；v為行波在集電線路中傳輸?shù)牟ㄋ俣?，其中架空段波速接近光速，電纜段波速需通過電纜線路參數(shù)進(jìn)行自動折算；L為最小故障區(qū)間兩監(jiān)測終端之間的距離；t1為監(jiān)測裝置m的行波的波頭時刻；t2為監(jiān)測裝置n的行波波頭時刻。

影響D行波法故障測距的因素較少，一方面為監(jiān)測終端的距離L，在監(jiān)測終端安裝確認(rèn)后，可確定其距離；另一方面為行波在集電線路中傳輸?shù)牟ㄋ俣?，可通過線路分布式參數(shù)以及合閘時刻行波進(jìn)行校核，基本上不受線路結(jié)構(gòu)以及運行狀態(tài)的影響，可完全適用于分布式電源且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的風(fēng)電場集電線路［9-10］。

4.2 故障判定情況

自行波故障監(jiān)測裝置安裝以來，某日22時15分，集電一線兩相短路，近升壓站斷路器過流一段保護(hù)，線路全線失壓，由于線路存在大量電纜架空混架的情況，因此升壓站站內(nèi)錄波情況無法判定短路接地點位于集電一線何處，線路故障失壓時，該風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)風(fēng)速為15m／s左右，氣溫20℃，大雨，且該區(qū)域內(nèi)有雷暴天氣，因此判定本次故障可能為風(fēng)偏或者雷擊造成。

集電一線斷路器動作以來，行波故障監(jiān)測系統(tǒng)快速動作，首先對監(jiān)測終端工頻量進(jìn)行了分析計算，如圖4所示為本次故障跳閘行波監(jiān)測終端采集工頻故障數(shù)據(jù)。

圖4 故障跳閘行波監(jiān)測裝置采集工頻故障數(shù)據(jù)

4.2.1 故障判定情況

（1）對工頻周期有效值進(jìn)行計算：對圖4進(jìn)行快速傅里葉積分變換，求解主頻率為50Hz的信號分布情況，計算工頻有效值：

其中，pi為采樣點總數(shù)；n為單個周期內(nèi)（頻率為50 Hz）總點數(shù)；X為平均值；yRMS為有效值。

觸發(fā)邏輯：相鄰3個半周期（即10 ms）進(jìn)行觸發(fā)計算，逐一計算相鄰3個半周期有效值，用于工頻異常觸發(fā)判斷依據(jù)。

（2）工頻變化觸發(fā)計算如圖5所示：對本次監(jiān)測終端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，當(dāng)線路處于正常運行狀態(tài)時，其負(fù)載為穩(wěn)態(tài)，呈現(xiàn)正弦周期形態(tài)，在進(jìn)行增量故障判斷時，采用周期性的形式進(jìn)行故障判定，其計算方式如下所示：

圖5 工頻增量觸發(fā)計算方式

其中，yRMSI3為第3個周期有效值；yRMSI1為第1個周期有效值；Ithreshold為變化經(jīng)驗閾值，本系統(tǒng)設(shè)置Ithreshold為90A；k為經(jīng)驗系數(shù)，本系統(tǒng)設(shè)置k為20，采用式（4） ～（7）進(jìn)行計算，yRMSI3為3800，yRMSI1為3100，同時滿足上式（5） ～（7），因此判定該風(fēng)電場集電線路發(fā)生故障跳閘。

4.2.2 故障定位情況

行波監(jiān)測系統(tǒng)判定風(fēng)電場集電線路發(fā)生故障跳閘后，監(jiān)測裝置相互聯(lián)動，首先判定了系統(tǒng)分布的大概區(qū)間，通過計算判定故障點位于A1號～22號風(fēng)機(jī)之間，其桿塔號分別為B1、B65，實現(xiàn)了最小故障區(qū)間的判定，而A1號～22號桿塔全部為架空線路，對故障情況進(jìn)行如圖3所示的D行波法故障測距。

故障跳閘時刻電流波形是由故障行波向兩端傳輸經(jīng)監(jiān)測終端采集到的波形，如圖6所示，行波電流從故障點出發(fā)經(jīng)過B1號塔上的終端時間為t1，同時行波電流從故障點出發(fā)經(jīng)過B65號塔上的終端時間為t2，時間差Δt＝27.7μs，經(jīng)過計算故障點距離B1號塔3746m，因此該故障點最終為集電一線B16號塔附近。依據(jù)圖6中行波波形形態(tài)，判定本次故障為雷擊導(dǎo)致線路發(fā)生多相閃絡(luò)。

圖6 故障行波情況

4.3 故障巡線

在判定出故障點準(zhǔn)確信息后，行波監(jiān)測系統(tǒng)快速發(fā)送短信至指定的聯(lián)系人處，運維人員在收到短信后快速進(jìn)行巡線，經(jīng)運維人員巡線，在16號桿塔B、C相發(fā)現(xiàn)絕緣子有明顯閃絡(luò)痕跡，判斷為本次雷擊故障點如圖7所示。

圖7 集電一線16號桿塔B、C雷擊絕緣子圖片

本次集電線路故障跳閘時間為晚上22時15分，運維人員趕到現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)故障到故障處理完成共計花費3h左右，極大地節(jié)省了排查故障點時間，從而實現(xiàn)了風(fēng)電場集電線路快速恢復(fù)供電，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

本文分析了現(xiàn)階段風(fēng)電場集電線路故障測距存在的問題以及難點，利用現(xiàn)階段應(yīng)用在輸電線路較為成熟的行波法故障測距進(jìn)行風(fēng)電場集電線路故障測距，結(jié)合風(fēng)電場集電線路特征進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計，將該系統(tǒng)投入到現(xiàn)場應(yīng)用后，其故障測距精度較高，可大幅減小故障點查找以及處理時間，相比傳統(tǒng)人工巡線大幅減少了故障處理時間，從而實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益。