风电场集电线路单相接地故障组合测距

风电场集电线路单相接地故障组合测距

齐顺亮

新疆金风科技股份有限公司 新疆 乌鲁木齐 830013

摘要：风电场大多建在走向和主风向平行的隘口和峡谷、高原和台地、比较突出的山脊、海岸以及岛屿的迎风和侧风角等较高平均风速的地区，地理环境恶劣，集电线路故障特别是弧光接地故障概率高，人工巡线的安全系数低、成本高，故障定位难度极大。实现集电线路单相接地故障精确测距对于提升可再生能源并网发电量、提高并网系统的运行安全性具有重要意义。

关键词：风电场集电线路; 全相位快速傅里叶变换; 矩阵法; 单相接地故障; 单端阻抗测距

引言

随着“全球能源互联网”战略构想实施，风能作为一种可再生清洁能源被广泛开发利用。风电场集电线路穿越地形多变，所处气候环境比常规输电线路更为恶劣，导致短路故障频发，其中单相接地故障在电力系统总故障中约占80%，发生概率最高，而对于两相接地、三相接地故障来说，其多是通过单相接地故障发展形成。此外，风电场拓扑结构复杂，含有众多风电机组分支，且线路较短，加大了其故障测距的难度。故障后因不能准确找出故障点并及时修复，造成严重的弃风窝电现象，阻碍了风力发电技术的应用。因此，准确、快速的故障测距，能够有效指导维护人员检修线路与排除故障，改善风电场弃风窝电现象，从而保证风功率安全可靠外送。

1风电场系统结构

风电场系统的电气结构如图1所示。本文风机类型均采用如图1(b)所示的双馈型异步风力发电机。风电场系统结构具有如下特点:1)风电场带有大量的风机分支，2种线路(电缆、架空线)的混合。2)集电线路采用链形结构的接线形式，多条集电线路形成典型的辐射网。3)风电机组的相邻分支间距离较短，短至几百米，长至几千米。因场内风资源分布不均，且地势复杂，导致其之间的距离存在差距。4)虽然集电线路所连母线的电压等级为35kV，但从安全性和重要性角度考虑，通常在风电场中接入Z型接地变压器，形成一个人为的中性点。

2单相接地后的稳态信号特征

（1）零序电流特征。中性点不接地系统发生接地故障以后，故障线路的零序电流是所有非故障线路对地电容电流之和，其方向从线路指向母线。非故障线路流过的零序电流仅仅是该线路本身对地电容电流方向从母线指向线路。（2）零序电压特征。中性点不接地系统发生接地故障以后，接地相的相电压降低，非接地相的相电压和零序电压抬高。相电压和零序电压随接地电阻的大小变化，相电压在零电位到线电压之间变化，零序电压在零电位到相电压之间变化。（3）零序电流与零序电压的相位关系。中性点不接地系统发生接地故障以后，由于线路杂散电容电流占主要成分，零序电流超前零序电压接近90°，零序电压与零序电流分别对时间求导的导数相位相反。

3集电线路单相接地故障特性分析

风机通过箱式变压器由690V升压到35kV或110kV与集电线路连接，再经风电场升压变与220kV系统相连。新建站主变低压侧绕组常采用Y型接线，可直接引出中性点；而对于老站主变低压侧一般为三角形接线，此时需要采用Z型接地变压器，人为地制造一个中性点与接地电阻相连。为了抑制谐波注入电网，风机箱变高压侧均采用三角型接线方式，因此，集电线路单相接地故障后，零序电流通过集电线路、故障支路和风电场升压变中性点接地电阻形成回路，不受非故障分支的风机影响。因此集电线路出口处量测到的零序电流可较精确地拟合故障支路的稳态电流，为集电线路单相接地故障测距奠定了基础。

4人工选线排查检测故障

当110kV集电电线路因高阻值接地而引发单相接地故障时，现场故障排查检测人员可以通过合环与解环两条线路去准确判断到底是哪条线路出现了单相接地故障。而如果110kV集电线路是因为线路接地而产生的单相接地故障问题，现场工作人员则需要通过排查检测各排线开关和拉合分段开关以准确判断到底是哪条线路产生单相接地故障。当现场工作人员明确是哪条线路出现接地故障后，即可安排专业人员去查找到具体的故障发生点，倘若无法在短时间内查找出具体故障发生区域或位置，则需要利用蹬杆检查手段对不同设备检测作业，以便能够高效解决故障问题。相关工作人员需要将配有继电保护装置的断路器合理设置在110kV开关柜内，而对于断路器的设置主要有以下两种不同形式，一是通过规范安装微机保护装置，其有效集电流限制、负荷限制以及超限值跳闸保护作用于一身；二是通过正确安装先进的电流控制器，充分发挥其优化调整线路电流限定值的作用。

5接地故障的快速处理技术

１）尽快控制接地故障的进一步发展发生单相弧光接地后，由于接地电弧过大，事故发展过快，往往来不及选出故障线路，来不及完成倒闸操作，就已经发展成为相间短路事故。为了有效避免由单相弧光接地引发的被迫跳闸事故，必须尽快熄灭接地电弧。为了避免发生两相异地短路事故，必须尽快把发生在非故障相的高幅值的弧光接地过电压限制到安全水平。２）必须快速准确的选出故障线路熄灭接地电弧、限制了弧光接地过电压，故障的发展得到有效控制，并可以做到保证至少能安全运行２ｈ，给转移负荷的倒闸操作留出了充裕的时间。但倒闸操作的前提是故障线路已被确定，这就需要解决快速准确选线问题。

6基于序特性的多判据融合配电网单相接地故障定位步骤

(1)构建配电网信息数据库。其中包含着线路、变压器、电源、负荷和配电网结构等相关信息。(2)采集子站电流/电压信息。主要包含电流测量单元，故障段内的电流、电压等信息。(3)收集故障信息。主要包含GPＲS传送到主站的子站电流电压以及主站电流、电压信息。(4)确定故障区段。按照配电网结构，合理采用零序电压法、负序电流法来确定故障区段。(5)开展故障测距。在故障区段内，通过采集到的信息实施故障测距。(6)故障定位结果输出。

7风电场故障区段定位的改进矩阵算法

风电场集电线路发生单相接地故障时，因接地变压器的存在，故障点前后零序电流有着显著不同的特征。本文根据图论思想，以零序电流为基础，在集电线路上设置多个检测点，测点一般安装在母线及各双馈风机分支节点的右侧出口处，通过apFFT相位差校正获取零序电流的基频有效值，进而能够准确判断故障所在的区段。在风电场出线上设置5个测点，即分别为M1、M2、M3、M4和M5，构成测点配置网络。选取风电场升压站Ｒ0为研究分析的参考节点，并规定风电场集电线路末端指向升压站为正方向，构建网络描述矩阵Ab×n，用于建立支路或区域和测点间的拓扑关系。其中，b为支路和区域的总数量，n为装设测点的数量。矩阵A中的元素ɑij定义如下:

不同风电场的多分支网络描述矩阵都可以根据测点的装设位置事先进行构建，因而其网络信息描述具有较强的适用性。

结束语

随着经济社会的高速发展，我国电力行业对供电安全的可靠性要求越来越高，能够快速便捷地判断单相接地故障，有助于提高单相接地故障判别的可靠性。本文基于对零序电压和负序电流启动判据进行分析，同时分析配电网单相接地故障时的特征，以故障序特性的分析方法进行研究，建立单相接地序特性模型。以电流、电压双判据融合定位故障段区，并以阻抗法对故障段区进行测距，精确定位故障点的位置，探索出一种基于序特性的多判据融合单相接地故障辨识方法。并通过仿真验证该结论的正确性，分析了该方法的可行性和正确性，对配电网的安全运行具有非常重要的意义。

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