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新能源集電線路故障在線監(jiān)測解決方案

一．概述

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到我國政府的重視。風(fēng)電場因其占地范圍廣，單臺機組容量較小，所以一般采用集電線路施工，將幾臺風(fēng)機電能匯聚后送至升壓站。光伏發(fā)電照射的能量分布密度小，需要占用巨大面積，海上光伏發(fā)電項目發(fā)展很快，電力輸送安全通道也是亟需解決的問題。新能源集電線路接線一般為架空線、電纜或者電纜+架空線混合方式，通常為混合方式，電壓等級為35kV。惡劣的自然環(huán)境為集電線路的安全運行帶來巨大的威脅，由集電線路故障引發(fā)的設(shè)備故障約占風(fēng)電場的90%以上。

箱式變壓器和場站高壓電纜是新能源電力傳輸系統(tǒng)的橋梁部分，箱變和高壓電纜的穩(wěn)定運行，關(guān)系到場區(qū)電氣設(shè)備的安全與穩(wěn)定。高壓電纜由于設(shè)計、施工工藝、設(shè)備質(zhì)量、所處地理環(huán)境等多方面原因，易導(dǎo)致電纜故障，或直接作用于升壓站發(fā)電線路開關(guān)跳閘，造成整條發(fā)電線路停運，對電網(wǎng)安全與穩(wěn)定造成影響。

集電線路故障在線監(jiān)測裝置融合了非有效接地系統(tǒng)暫態(tài)電流故障選線、線路故障分段技術(shù)及基于雙端行波原理的故障精確定位原理技術(shù)，通過對線路故障產(chǎn)生時故障線路各處暫態(tài)電流分布特征的差異實現(xiàn)故障分段；利用故障產(chǎn)生的電壓、電流行波在線路中的傳輸分布特性及非接觸式有效提取信號，并配以精確到納秒級的衛(wèi)星同步時鐘，實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)段的故障點精確定位，解決多年以來迫切需要解決的故障分段及精確定位難題。

二．線路特點

q 低壓側(cè)的出口電壓大部分為0.69kV，采用箱式變壓器單元接線方式升壓35kV傳輸；

q 集電線路一般分為電纜線路和電纜-架空混合線路兩種方式，故障行波在連接點的反射和透射原因，波形衰減且分析比較復(fù)雜；

q 電纜敷設(shè)主要采用直埋方式；

q 電纜導(dǎo)體一般為鋁芯，且隨著箱變數(shù)量增多，使用的電纜線芯面積增大；

q 集電線路具有多分支、混合線路的特點；

q 箱式變壓器在集電線路上并行，造成線路分布參數(shù)變化，影響波頭識別；

q 故障特征受網(wǎng)架拓?fù)?、故障類型、適配傳感等因素干擾，識別困難。

三．測試原理

1．雙端測距工作原理

在被監(jiān)視線路發(fā)生故障時，故障產(chǎn)生的電壓、電流行波會從故障點向兩端傳播。設(shè)故障初始行波波頭到達(dá)兩側(cè)母線的時間分別為TS和TR，如圖1所示，裝于線路兩端的測距裝置記錄下故障行波波頭到達(dá)兩側(cè)裝置的時間，則故障距離可由下式來算出：

雙端測距法由于只檢測故障產(chǎn)生的初始行波波頭到達(dá)時間，不需要考慮后續(xù)的反射與透射行波，原理簡單，測距結(jié)果可靠。兩端測距的實現(xiàn)要在線路兩端都裝設(shè)測距裝置及時間同步裝置（北斗時鐘），并且兩側(cè)要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，交換記錄到的故障初始行波到達(dá)的時間信息后才能測出故障距離來。

雙端測距法的優(yōu)點在于可靠性高，波形識別簡單，測距準(zhǔn)確。

2．單端測距工作原理

在被監(jiān)視線路發(fā)生故障時，故障產(chǎn)生的電流行波會在故障點及電纜端頭之間來回反射。裝設(shè)于終端頭處的行波測距裝置采集來自信號傳感器的暫態(tài)行波信號，使用模擬高通濾波器濾出行波波頭脈沖，形成如圖2所示的行波波形。

設(shè)線路長度為L，波速度為，故障初始行波與由故障點反射波到達(dá)母線的時間分別為Ts1、Ts2，則故障距離XL為：

圖2 單端測距原理示意圖

單端測距法的優(yōu)點在于只需要在一端安裝行波測距裝置及通信裝置，設(shè)備相對雙端來說成本低；不需要雙端時間同步，技術(shù)成本相對雙端來說也低。缺點是故障行波測距波形識別比較復(fù)雜。

四、系統(tǒng)構(gòu)成

DJ-2000新能源集電線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測終端、通信鏈路、系統(tǒng)后臺和用戶界面組成。監(jiān)測終端以無線或有線的方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送回系統(tǒng)后臺；后臺軟件以事件為引，以時間歸集，自主關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)，異常事件以短信、WEB等多種方式發(fā)布。

1．裝置功能

DJ-2000系統(tǒng)實時在線采集線路工頻電流或零序電流，以數(shù)值或者電流曲線的方式進(jìn)行展示；線路發(fā)生故障時，基于對故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號的捕捉、采集和分析，根據(jù)雙端行波法測距原理實現(xiàn)線路故障的測距，同時根據(jù)集電線路的運行特點，輔以變電站側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障性質(zhì)診斷，從而形成對線路運行狀態(tài)的有效監(jiān)測和故障的分段定位。

（1）故障精確定位

根據(jù)雙端行波法測距原理，監(jiān)測裝置安裝在所監(jiān)測線路的兩端。故障放電時，監(jiān)測裝置采集暫態(tài)數(shù)據(jù)，后臺軟件根據(jù)暫態(tài)數(shù)據(jù)自動計算得出故障測距結(jié)果，針對集電線路特點，實現(xiàn)廣域測距。在自動測距結(jié)果的基礎(chǔ)上，用戶可根據(jù)暫態(tài)波形，手動校正故障距離，進(jìn)一步提高測距精度。

自動測距方法也適用于T型電纜線路和架空-電纜混合線路的故障測距。