風電場輸電線路單相接地故障定位分析

湖南高創新能源工程運營管理有限公司 付偉亮

隨著我國風電場的規模不斷增加，裝機容量的增加對風電場的運行安全性和穩定性提出了越來越多的要求?？紤]到我國風電場多集中建設在西部平原以東部沿海地區，受到地理位置因素以及氣候因素的影響，非常容易出現雷擊、絕緣子霧閃現象，同時還易出現因單相接地故障導致的系統故障問題，鑒于此，可利用先進的故障定位技術來幫助相關人員確定故障檢修范圍，并及時查找故障原因，減少風力發電設備出現棄風窩電的概率，這對顯著提升風力發電質量和效果具有非常顯著的意義和作用。

一般多數大型風電場都具有以下特點：受到風能資源的影響，由于不同地區風能資源的不同，很多大型風電場都形成了多地區風電機組直接向系統進行供電的模式，主要為分支結構；風電場的電壓等級多為35kV，容易受到自身特征以及等級因素的干擾，故現在的接地類型多采用Z 形接地模式，在該接地模式下往往將變壓器作為風電場的接入點；針對一些地理位置相對偏僻的風電場，其整體的自然環境相對惡劣，為檢修人員進行定期巡檢產生了阻礙。針對這類風電場，如依然沿用傳統的故障定位技術和進行檢修則難以確保檢修效果。此外一些處于山區的風電場多為架空線，存在和電纜線混合的情況，整體線路距離較短，為后期的故障定位工作產生了阻礙[1]。

1 多分支輸電線路故障定位原理

就傳統的故障定位技術來說，主要是針對高壓輸電技術所構建的一類故障定位技術，無論是網絡結構還是定位效果都比較單一，其實現非常容易。當前常用的多分支故障定位技術和定位方法已不再適合風電網絡結構的故障定位，因此可針對現階段風電場的實際需求提出一種全新的故障定位技術和定位方法。風電場輸電線路超過八成以上的故障為單相接地故障，而三相接的故障往往是由單相接地故障衍生而來，鑒于此本文重點研究單相接地故障[2]。

1.1 故障分支判據

為更加清晰的針對故障區間進行分析和判斷，如圖1，通過構建風電場的簡化模型來對其進行闡述和分析。在圖2中Ki(i=1,2,3,…)表示各個測試點，集電線路上的測點K1、K2、K3…測量的是T 型節點的電壓和右側的電流[3]。

圖1 風電場的結構

圖2 構建風電場的簡化模型

結合圖2可知，該風電場的主系統和風電場之間主要依靠電壓為110kV 的變壓器相連接，同時35kV 側呈現三角形連接模式。因此，如風電場系統一側出現了不對稱接地故障后，則可基本上判定該風電場不存在零序電流。通過圖2可針對故障區間的含義進行重新確定，可以K1-K2-Ka、K2-K3-Kb、K3-K4-Kc這類結構來對線路區間加以劃分，可將線路區間分別定義為1、2、3并用羅馬數字進行表示。如果在其中的某一點上出現的單相接地故障，則會出現不對稱短路。

根據圖2中展示的實際情況進行分析可知，單相接地故障發生在某一區間內的架空線路上分支側，在該區域存在零序電流，其零序電流集中存在于該區間左邊的集電線路測點，在其他測點上并沒有檢測到零序電流。因此可判斷，如果為第二區間的故障，則可在K1、K2測試點測試到零序電流，因此可確定該區域為發生單相接地故障的區間。

根據區間內測試點的零序電壓數值可分析和判斷出故障分支集中在電纜段，在對風電場的通用故障分支進行判斷的過程中，其整體的判斷依據如下：根據接地變壓器端是否存在零序電流來分析風電場是否存在不對稱接地短路故障問題；根據某區間左側一段是否存在零序電流的方式來判斷該區間是否存在故障；在故障區域內，電纜兩端的零序電壓數值基本上相同。

1.2 行波識別

本文中在針對故障進行定位的過程中應用了行波原理，應用該方法可精確識別出行波的波束以及類型。如在針對波頭進行識別的過程中往往會應用到較多類型的算法，如小波變換算法、數學形態算法及希爾伯特－黃變換。

上述算法都依靠原始的數據來對波頭進行甄別，但在實際的識別過程中，考慮到采樣數據可能和實際數據間存在一定的誤差，該誤差稱之為量化誤差，但波頭識別算法卻不能對量化誤差進行有效優化，因此一定要減少量化誤差。鑒于此，有學者提出可通過插值算法來提升精確度，但簡單插值總體的光滑水平不足、復雜的插值卻出現一定的波動，由此導致一些行波之中的突變部分精確度不足，其最終的識別效果不佳。

本文應用灰色模型來對相關數據進行插值，充分解決了傳統插值算法精確度不足問題?；疑碚撆c插值理論中的外插等效，通過對其進行改進實現了內插，以提高取樣速率?；疑碚撜J為，系統的行為現象雖然模糊、數據復雜，但卻具有一定的秩序和全局的作用。該方法不追求數據的統計規律、也不求概率分布，而是對零散的原始資料進行預處理，以識別各系統要素的變化趨勢，找出其變化的規律并據此進行預測[4]。

2 風電場中性點接地方式及風電場故障特征構建

在風電場電網中，其接地方式要結合系統的整體運行情況來確定，在傳統電網系統中針對中性點運行模式分為有效接地及無效接地兩種。在電壓為6～35kV 的電網系統中多采用中性點不接地的運行模式[5]。這類電網系統中的變壓器配電電壓側往往呈現三角形接線方式，不存在可供接地的電阻的中性點。如中性點的不接地系統出現了單相接地故障，此時電壓三角形依然可確保對稱，在這類模式下不會對用戶側的供電產生較大影響。同時，在電容電流較低的情況下一些瞬時故障會消失。由此可見該技術可顯著提升電網系統的供電穩定性和可靠性，有效降低停電事故概率。

但風電場中的電壓系統和普通配網系統不同，其集電線中含有較多電纜，電纜的存在必然會增加系統整體的電容電流。鑒于此，采用傳統的中性點不接地技術來對其進行處理已不能確保電網系統的安全穩定運行。為有效減少風電場安全事故方式概率，我國有關部門專門出臺了相關規章制度：當風電場出現單相接地故障后，要求相關的保護裝置可迅速動作，并及時解決故障。

機器設施設備的學習能力和數據以及數據的特征有著非常密切的關系，應用模型和算法來進行計算，只能最大限度獲取得到機器設備的學習上限。鑒于此，一定要構建相應的特征模型，通過選擇不同類型的特征來分析和明確定位器的性能。

鑒于此，在針對風電場的故障特征進行構建的過程中要秉承以下原則：在選擇特征量的過程中，由于特征量可充分反映故障位置。通過對特征量的計算可充分滿足其效能；特征量和風電場的規模大小不存在相關關系；在提取故障特征的過程中可將電壓、電流等參數作為故障特征量，以此來完成對風電以及光伏系統的故障定位。同時依靠XGBoost的特征重要度分析可知，風電場設備的電壓和電流特征量可充分彰顯故障信息，并可實現對風電場集電線路的故障測距。

3 風電機組基礎接地設計

在針對風電機組設備接地系統進行設計的核心目的在于減少或迅速消除雷電產生的電流對風電機組產生的破壞。同時接地設計還可有效確保地面作業人員的生命安全。在針對風電機組設備進行接地設計的過程中，首先要充分解決以下問題：接地電阻；地網均壓；設備接地；接地線熱穩定；接地材料質量。

當前我國針對風電機組設備基礎接地進行設計的過程中，在參考國內外設計標準技術的同時，還要參考相關生產廠家的設計標準。例如，在金風兆瓦機組防雷與接地系統設計手冊中，明確提出了單臺的風電機組設備的接地電阻數值R ＜4Ω，單臺機組工頻接地電阻參數為R ＜10Ω。針對上述機組設備，可采用多機組聯合接地的方式，同時聯合接地模式下的工頻接地電阻數值需要低于4Ω。

而運達風力發電機組設備的防雷設計需求如下：要求風力機組設備的接地電阻需要低于4Ω，而遠景能源風力發電機組設備的接地需求和技術規范要求其接地電阻也不得超過4Ω?，F階段，在針對風電機組設備進行設計的過程中，往往采用擴大地網技術、深井解讀技術和以及離子接入技術等。針對一些處于山地地區的風電場，考慮到其影響因素較多且地形相對復雜，可以深井接地技術及填充降阻技術來實現有效接地。

以我國某風電場接地設計案例為例，該風電場位于某山區內，其風電各個機組設備的土壤平均電阻率約為3000～4000Ω m。結合相關數據，可將其確定為高土壤電阻率區域。在對其接地系統進行設計的過程中，相關的設計單位往往會采用沿風機基礎周邊設置環形接地裝置接地模式進行設計。根據我國出臺的《雷電防護第3部分：建筑物的物理損壞和生命危險》，該接地裝置模式可以是一個封閉的回路，該回路設置在要保護的建筑外部，且總長度的80%至少與泥土相接觸，所述的接地可以是網格。

此外，在該模式下垂直接地極和水平接地極可進行組合使用，同時要求其接地埋深數值要超過半米以上，水平接地體材料為鍍鋅的鋼材。在該風電場之中，環形接地網共有四個，分別為1/2/3/4號，其中1號水平接地、埋深數值為地下0.8米，2號以及3號水平接地埋深為地下4米，4號水平接地位于風電塔筒上方的0.15米處。為了進一步確保其接地效果，設計單位還專門增設了兩根穿透風機設備的十字水平接地體，并將其和環形接地網焊接在一起，地下埋深0.8米。在本次設計中，全部的接地體均用電阻率較低的黏土進行回填后并進行夯實。該風電場的接地系統總共應用了8根垂直接地管進行接地設計，同時在各個接地極的周圍還埋設了電阻率較低的物理降阻劑。

風機底座的接地環和箱變基礎的接地環必須相連，并按箱變的位置來決定接地引線的方向。按以上方法進行施工后，對單臺機組的地面測量的接地電阻進行記錄，其電阻不得超過4Ω。根據DL/T475-2017《接地裝置特性參數測量導則》中的有關要求，在高土壤電阻率地區采用鹽類灌溉或增大電流極根數，減少因土壤電阻而引起的誤差。若使用直線方法，由于電流極的運動，其接地電阻會有很大的變化，因此，按規定每隔5%的電極距接地網的間距移動3次，如果接地網的電阻值變化不超過5%，就可被視為與實際的接地電阻相符合（這一點必須在實際測量中進行）。如不能滿足要求，就須在相鄰的風機接地網外引連接，在需要的時候，需采用深井接地方案或使用離子接地、高效接地模塊等材料，直到單臺風力機工頻接地電阻低于4Ω 為止。

綜上，本文針對風電場的特征以及行波原理提出了一種可更加精確判斷風電場輸電線路單相接地故障的定位技術，和傳統的故障分析方法對比，可精確地分析出風電場機組設備的單相接地故障。同時本文研究了灰色模型理論，并結合實際的風電場接地設計案例展開了分析和研究，對整體提升故障定位精確度有著至關重要的意義和作用。