风电场输电线路单相接地故障定位研究

风电场输电线路单相接地故障定位研究

罗光

身份证号： 42232219860129**** 广东省清远 511500

摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，风电场建设越来越多。为改善风电场因输电线路短路故障造成的弃风窝电现象，提出一种基于风电场特性和行波原理的多分支输电线路故障定位方法。利用大型风电场普遍采用接地变压器的特点，得出其故障区间判据；通过推导出一种修正行波波速计算方法（理论上为实际波速），解决了现有行波波速计算的缺陷；采用灰色模型（graymodel，GM）提高原始数据采样率降低量化误差，进一步提升行波定位精度。使用PSCAD/EMTDC仿真验证本方法的有效性，可用于风电场输电线路故障定位中。

关键词：输电线路；故障定位；行波；风电场；单相接地故障

引言

随着风电场规模的不断扩大和风力机组容量的不断增加，风电场的安全可靠运行变得越来越重要。风电场多处于地形复杂的荒山草原，受气候条件和地理环境的影响，极易发生雷击、绝缘雾闪、绝缘子风偏和线路金具损坏引起的短路故障，其中单相接地故障约占系统故障的80%。因此，有效的故障定位技术能够帮助风电场运行人员减小排查范围，查找故障迅速可靠；显著减少风机窝电时间，对于提高风电场的经济效益和满足电网对风电场的运行考核指标具有重要意义。

1风电场中性点接地方式

电网中性点的接地方式选择要根据系统的具体运行工况来决定，在传统的电力系统中性点运行方式中，可分为中性点有效接地和非有效接地两大类。我国电力系统中的6~35kV电网一般都采用中性点不接地的运行方式。电网中主变压器配电电压侧一般为三角形接线，没有可供接地电阻的中性点。当中性点不接地系统发生单相接地故障时，线电压三角形仍然保持对称，对用户继续工作影响不大。并且电容电流较小(小于10A)时，一些瞬时性接地故障能够自行消失，这对提高供电可靠性，减少停电事故非常有效。由于风电场中的35kV系统不同于常规的配电网，其集电线包含很多电缆，这会导致系统电容电流过大，按常规的35kV系统中性点不接地来处理已不能满足风电场安全可靠稳定运行的要求。针对近几年风电场风机脱网事故频发的现象，国家调度中心专门下发了《关于印发并网风电场反事故要点的通知》，要求风电场在发生单相接地故障时，各保护装置能迅速正确可靠动作，将故障及时切除。汇集线系统应采用经电阻或消弧线圈接地方式。

2风电场故障特征构建

数据和特征决定了机器学习的上限，而模型和算法只是逼近这个上限而已。因此，特征工程十分重要，特征选取的好坏将直接影响故障回归定位器的性能。构建故障特征量时应遵循如下原则：特征量的选取能比较好地反映故障位置；特征量的计算满足高效性；特征量与风电场规模大小无关。故障特征提取参考文献设计，其均采用电压和电流作为故障特征量，分别完成了对风电和光伏系统的故障定位。此外，基于XGBoost的特征重要度分析表明，电压和电流基波特征量能够体现故障信息，并有效完成风电场集电线路的故障测距。

3风电机组基础接地设计

风电机组的接地系统是作为快速分散消溃雷电流和防止风电机组因雷击而损坏的有效措施，同时也是保护地面人员人身安全的重要手段。风电机组基础接地设计需要解决的问题主要有接地电阻问题、地网均压问题、设备接地问题、接地线热稳定问题、接地材料腐蚀问题等。因此，目前我国风机基础接地电阻的设计值和实际值均是在参考国内外主要标准的同时、以主流风机制造厂家的要求为准。如金风兆瓦机组防雷与接地系统设计手册（陆地型）要求“（1）单台机组的工频接地电阻Ｒ＜4Ω；（2）单台机组的工频接地电阻Ｒ＜10Ω，此时，必须进行多机联合接地，且联合接地的工频接地电阻Ｒ＜4Ω”；运达风力发电机组防雷设计规范要求“风力机组接地电阻小于4Ω”；远景能源风力发电机组的防雷与接地技术规范同样要求“工频接地电阻小于4Ω”。目前，风机接地网的设计一般采用扩大地网法、换土法、深井接地法、填充降阻剂或采用离子接地极等方法和措施。而面对山地风电场这类土壤电阻率较高、地形复杂的项目，主要还需采用合适面积的异形地网（风机平台外形）、外延放射极、深井接地、填充降阻剂结合的方法才有可能满足设计要求的接地电阻，其整体设计方案及施工较为复杂。以某山地风电场项目为例，该风电场各机位平均土壤电阻率为3　000～4　000Ω·ｍ，属于高土壤电阻率地区。在接地网设置方面，设计院主要采用Ｂ型接地装置（沿风机基础周边设置环形接地装置，根据ＧＢ／Ｔ　21714．3—2015《雷电防护第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险》，Ｂ型接地装置可以是位于需保护建筑物外面且总长度的80％至少与土壤接触的环形导体或基础接地极构成的闭合环路，接地极可以是网状。附加垂直接地极和水平接地极可以与环形接地极组合使用，接地极埋深至少为0．5ｍ）为主，辅以水平接地体（镀锌扁钢）进行主接地网的设计。其中环形接地网总共为4个，1号水平接地环埋深为－0．8ｍ，2号和3号水平接地环埋深为－4ｍ，4号水平接地环位于塔筒底部＋0．15ｍ处。除此之外，另外设计了2根贯穿风机基础的十字水平接地体，且与环形接地网可靠焊接，埋深为－0．8ｍ。所有水平接地体均采用低电阻率的黏土回填并加水夯实。整个接地系统共采用8根、3ｍ长的垂直接地极（镀锌钢管）分散敷设，各接地极周围回填电阻率不大于5Ω·ｍ的物理降阻剂。风机基础接地环网与箱变基础接地环网应连接在一起，接地引出线方向根据箱变位置确定，连接引线不少于2根。按照上述做法施工后，应记录下单台机组接地网实测接地电阻值，其应不大于4Ω。针对高土壤电阻率的风电场，在一般平台区域碎石较多，按照ＤＬ／Ｔ　475－2017《接地装置特性参数测量导则》的规定，在土壤电阻率较高的地区，测量时为了降低电流极接触电阻带来的较大误差，应在电流极的位置用盐水浇灌或增加电流极根数用以降低误差。如采用直线法，随着电流极的移动，接地电阻变化较大，按照规范要求，连续按5％的电流极与接地网距离间隔移动3次，如接地网电阻变化小于5％则可认为所测接地电阻基本与实际接地电阻一致（此条在实际测量中务必执行）。如未达到要求，则需采取相近风机接地网外引互联，必要时各风机位需采取深井接地方案，或采用离子接地极、高效接地模块等材料，直至单台风机工频接地电阻降至4Ω以下。

结语

综上所述，本文基于风电场特性和行波原理提出风电场输电线路单相接地故障定位方法。用风电场接地变压器产生的特殊零序电流作为故障区间判据，比传统方法更简单、准确。以双端非同步采样数据为基础，结合单端行波原理，推导出一种更加精确的修正行波波速计算方法，无需GPS同步时钟，即可实现实时计算波速。此外，采用灰色理论提升数据采样率，降低量化误差，使定位精度进一步提升。通过PSCAD/EMTDC对风电场不对称短路接地故障进行仿真，验证了本文方法在风电场输电线路不对称短路接地故障定位上的可行性。

参考文献

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