陸上風電場工程集電線路地埋電纜常見故障分析與處理

中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司 萬星一舟

陸上風電場工程中，以集電線路帶動若干臺風機的方式，通過一回或多回集電線路將每臺風機對應的箱變進行連接，可以實現風機的電能匯集，并可將電能送往風電場工程的升壓站或開關站。陸上風電場工程的集電線路通常分為電纜型和電纜加架空混合型兩種形式，兩種形式的集電線路均會涉及地埋電纜的設計、采購、施工及運維。集電線路地埋電纜一旦發生故障，將會破壞風電場與升壓站或開關站之間的電能傳輸通道，甚至可能導致多臺風機的電能無法送出。為避免集電線路地埋電纜故障的產生，降低故障帶來的損失，應詳細分析故障產生的原因，根據故障分析的結果，設置必要的故障預防措施及有效的故障處理措施。通過以上手段降低風電場工程集電線路的故障率和故障持續時間，就是為風電場工程的可靠運行打下有力基礎。

1 集電線路地埋電纜故障的查找和處理

1.1 故障現象

在陸上風電場工程中，與集電線路地埋電纜的首端或末端相連的電氣設備通常有箱變、集電線路進線開關柜、電纜分支箱等。如果集電線路地埋電纜出現故障，那么升壓站主控室內的運維人員可能觀測到箱變、集電線路進線開關柜等電氣設備的斷路器或熔斷器動作，現場巡視的運維人員可能聽到地埋電纜出現異響并聞到異味。此外，主控室中還可能監控到電壓、電流等電氣參數的異常，表明可能有故障發生。

1.2 故障查找

在對出現故障的集電線路地埋電纜進行檢查時，一是要對集電線路的電氣接線圖以及電纜敷設圖等設計圖紙進行詳細分析，深入了解地埋電纜的設置情況。二是要詳細了解風力發電機、箱變、集電線路進線開關柜等有關設備的運行情況，判斷故障出現的原因。三是要結合相關圖紙的設計情況和相關設備的運維情況，制定出科學合理的檢驗方案，判斷故障的具體位置，確保后續工作的順利開展。

具體來看，運維人員在巡視過程中，如果聽見異響或聞到異味，應及時向主控室內的運維人員進行上報，并結合主控室內反饋的監測數據，對相關集電線路進行檢查。當出現了箱變或集電線路進線開關柜通信中斷的現象時，應首先排除與該段集電線路關聯的箱變和集電線路進線開關柜的故障，在排除箱變和開關柜設備本身的故障后，再查找集電線路的故障。查找過程中，若判斷為集電線路地埋電纜出現故障，可按照以下順序開展工作：

一是要充分結合故障錄波設備以及保護裝置的數據，初步判斷故障的類別，如短路故障、開路故障等。二是要對故障類別的初判進行驗證，如初步判斷是一相或多相開路故障時，若在電纜的導體連續試驗中，觀測到導體的絕緣電阻與相關規程規范相符，但有一相或者多相出現不能連續，就可以基本驗證判斷正確。三是要查找故障出現的部位，如電纜頭處發生故障，絕緣層處發生故障等；此外，還可采取分段檢查的方式，確定故障的電纜段，縮小檢查范圍，加快檢查進度。

1.2.1 電力電纜故障的帶電診斷

目前，電力電纜帶電診斷的方法較多，常用的有三類，即電橋法、脈沖法、聲測法。這三類診斷方法分別有以下特點：電橋法主要通過電阻大小和電纜長度間的關系，判斷故障點到電纜兩端的距離，這種方法原理簡單，但不能檢測電纜的開路故障，且要明確電纜的具體長度；脈沖法是通過脈沖波傳輸和接收的方式檢測故障，常分為低壓脈沖法和高壓脈沖法，其中低壓脈沖法只能檢測低阻故障與開路故障，高壓脈沖法還可處理高阻故障；聲測法是操作最簡單的帶電診斷方法，能夠通過擴音設備對電纜放電時發出的聲音進行放大，識別電纜故障出現的位置[1]。

1.2.2 故障點燒穿技術

電纜發生高阻故障時，故障電阻值常超過100kΩ，該故障電阻值條件下，難以采用電橋法、低壓脈沖法或聲測法進行故障診斷。采用故障點燒穿技術，可使燒穿后的故障點滿足故障診斷的電阻值條件。電纜故障點的燒穿處理技術主要包括直流燒穿技術與交流燒穿技術。

直流燒穿技術采用的燒穿設備容量相對較小，進行直流燒穿時，要保持故障點電阻值變化的相對平緩，防止故障點電阻過度降低，以免給故障診斷帶來不便。交流燒穿技術采用的燒穿設備容量非常高，進行交流燒穿時，工頻交流電的燒穿電流會在一個周期內通過兩次零點，此時故障點電阻將迅速提升，促使電纜故障點燒穿，交流燒穿技術適用于需要將故障點電阻值大幅降低的情況。根據直流燒穿技術與交流燒穿技術的不同特點，在故障查找時，應根據初步判斷的故障類型結合擬采用的帶電診斷方法來選取故障點燒穿方式，靈活運用這兩項燒穿技術[2]。

1.2.3 測距誤差排除方法

陸上風電場工程集電線路地埋電纜的電纜敷設工作會受到施工環境的影響，實際的地埋電纜路徑和長度可能會和施工圖紙有一定差異。風電場工程在進行竣工圖設計時，通常會根據前期已簽發的工程聯系單等來核實并確認地埋電纜的最終長度。但集電線路電纜敷設的竣工圖紙仍可能存在精確性不高的問題，通過電纜故障的帶電診斷結合竣工圖的設計情況來進行故障定位，可能仍有距離誤差存在。此時，可將多種故障點定位方法結合運用，如電橋法+聲測法的結合等。使故障點定位結果盡可能精確，從而降低因故障定位不準確而產生的額外工作量。

1.3 故障處理

陸上風電場工程集電線路地埋電纜常見的故障處理方法如下。一是電纜頭故障，如出現了電纜頭爆裂現象，應在斷電條件下，將電纜頭進行更換，并通過緊固電纜頭固定螺栓等方式，對電纜頭進行加固；再如因電纜頭受潮，產生電纜頭絕緣能力降低現象時，應在斷電條件下，對電纜頭進行加熱干燥，提升絕緣電阻。二是電纜絕緣層和導體的故障，如因化學腐蝕損傷了電纜的絕緣層，應通過加強絕緣等方式進行處理。

2 集電線路地埋電纜故障的預防措施

2.1 設計階段的預防措施

設計不合理，會增加集電線路地埋電纜采購、施工、運維等工作的難度，在設計階段應重視集電線路的方案比選、電纜選型和路徑規劃等方面內容。電纜型和電纜加架空混合型兩種常見的陸上風電場工程集電線路方案中，電纜加架空混合型集電線路的經濟性通常較高，但電纜加架空混合型集電線路方案受到環境因素制約，如覆冰厚度較高時，架空線路桿塔存在較大的倒塔風險，為確保安全，此時不應采用電纜加架空混合型集電線路方案；從集電線路地埋電纜本身的經濟性來看，鋁芯電纜比銅芯電纜的造價低，為降低造價而選用了鋁芯地埋電纜時，應充分考慮鋁芯電纜在性能上相較于銅芯電纜的不足，如鋁芯電纜的電纜頭故障率高于銅芯電纜的電纜頭。

電纜選型中，應注意以下幾點，一是進行電纜的載流量計算時要明確各項校正系數的取值，電纜的載流量要和所選定的電纜截面相匹配。二是電纜選型要考慮電纜的運行環境，嚴寒地區可能要使用耐寒電纜，潮濕環境中可能要使用防水電纜。三是電纜終端頭和中間接頭等電纜附件的配置應與電纜相對應，特別要注意使用鋁芯集電線路地埋電纜的情況，鋁芯電纜與箱變高壓側或集電線路進線開關柜的銅排相連接時，應采用銅鋁過渡接線端子[3]。

路徑規劃中，應根據相關規程規范來確定多根電纜之間的距離，并應結合工程環境來確定電纜的埋深，如在有凍土層的地區，電纜的設計埋深應在凍土層以下，當受條件限制，無法將電纜埋至凍土層以下時，應采用防止電纜受損傷的專項方案。

2.2 物資采購階段的預防措施

控制材料的質量是預防集電線路地埋電纜故障的重要手段，在物資采購階段，應對地埋電纜及電纜附件等材料進行嚴格把關。一是要加強供應商管理，在采購工作開展前，應根據設計階段的電纜選型并結合以往工程項目的經驗，對意向供應商進行篩選；對意向供應商的資信業績要進行嚴格審核，主要包括企業規模、企業資質、企業信譽、技術能力、以往工程業績等方面的內容。二是要把控電纜的生產流程，如有必要可通過監造等方式，對電纜的生產質量及進度進行跟蹤；此外，為推進電纜備料等生產準備工作，應優化付款流程，避免因資金不到位導致的生產進度滯后。三是要密切關注銅、鋁等工業金屬的價格波動，控制好電纜的造價，在物資采購階段選取質量優良、性價比高的電纜及電纜附件等材料。

2.3 施工階段的預防措施

提升施工的科學性和可靠性，對集電線路地埋電纜的故障預防非常關鍵。一是要做好施工材料的物資管理，將不同型號的電纜、電纜附件等分類存放，既要防止電纜和電纜附件被盜，又要防止電纜和電纜附件受潮或損壞。二是要結合施工圖紙，對地埋電纜的敷設路徑進行優化，延長電纜的使用壽命。三是要按圖施工，確保電纜的埋深達到施工圖紙的要求，應特別注意有凍土層的地區，需將電纜埋至凍土層以下，必要時采用防止電纜受損傷的專項方案。四是要嚴格按照相關規程規范，設置電纜的標示樁，避免電纜遭到人為破壞。五是要規范施工操作，防止電纜及電纜附件出現機械損傷，如嚴禁對電纜進行大力拖拽，嚴格按照相關規程規范和施工圖紙的要求選取電纜的轉彎半徑等[4]。

2.4 外部監管環節的預防措施

為提升風電場工程的建設質量，外部監管環節是不可或缺的。外部監管能夠為集電線路地埋電纜的故障預防起到積極作用，如質監站對風電場工程的監檢工作中，可能會核實集電線路的設計方案是否與工程環境相對應，還可能根據施工圖紙檢查集電線路地埋電纜的敷設情況；電網公司對風電場工程的檢查及驗收工作中，可能會檢查集電線路地埋電纜的設計選型是否滿足相關規程規范的要求，還可能檢查地埋電纜的檢修井是否按照施工圖紙的要求進行設置。通過這樣的外部監管，可以敦促相關人員進一步做好風電場工程集電線路地埋電纜的設計、采購和施工等工作，為集電線路地埋電纜的穩定運行打下良好基礎。

2.5 運維階段的預防與應對措施

陸上風電場工程的建設期相對較短，運營期相對較長。從長期來看，應高度重視集電線路地埋電纜在運維階段的故障預防，提升電纜在長期運行過程中的安全可靠性。一是要完善運維制度，在運維指導手冊中設置專門的章節來論述集電線路地埋電纜的常見故障預防與處理，進而形成一套科學合理的電纜運維標準。二是要加強人員的選拔和培訓，應重點關注運維人員的責任意識、知識掌握、工程經驗等方面的情況，選派責任心強、專業知識掌握熟練、相關工程經驗豐富的人員參與運維工作。三是要落實對集電線路地埋電纜的運行檢查和維護，積極做好巡視工作，及時發現可能存在的故障，采取有效措施排除隱患，確保電纜的安全穩定運行。四是要提高應對故障的能力，集電線路地埋電纜故障的持續時間越長，對風電場工程電能傳輸和發電效益的影響就越大，應緊密跟蹤電纜的運行狀況，發現故障第一時間做好原因判斷和故障處理，使電纜快速恢復正常運行。

3 結語

在“30·60”雙碳目標的背景下，我國風力發電行業的發展呈現突飛猛進的趨勢。為保障陸上風電場工程的電能可靠傳輸，應著重做好集電線路地埋電纜的故障分析與處理工作。在陸上風電場工程的設計、物資采購、施工、外部監管、運維等各個環節中，相關人員應牢固掌握集電線路地埋電纜的常見故障原因，運用科學合理的檢測方法，對故障進行有效排查，并及時進行故障處理，將集電線路地埋電纜的故障影響控制在最小范圍內。為提升我國陸上風電場工程的建設質量，為增強我國可再生能源發電工程的運行可靠性提供助力。