湖南高創(chuàng)新能源工程運(yùn)營(yíng)管理有限公司 付偉亮

隨著我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模不斷增加，裝機(jī)容量的增加對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性提出了越來越多的要求。考慮到我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)多集中建設(shè)在西部平原以東部沿海地區(qū)，受到地理位置因素以及氣候因素的影響，非常容易出現(xiàn)雷擊、絕緣子霧閃現(xiàn)象，同時(shí)還易出現(xiàn)因單相接地故障導(dǎo)致的系統(tǒng)故障問題，鑒于此，可利用先進(jìn)的故障定位技術(shù)來幫助相關(guān)人員確定故障檢修范圍，并及時(shí)查找故障原因，減少風(fēng)力發(fā)電設(shè)備出現(xiàn)棄風(fēng)窩電的概率，這對(duì)顯著提升風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量和效果具有非常顯著的意義和作用。

一般多數(shù)大型風(fēng)電場(chǎng)都具有以下特點(diǎn)：受到風(fēng)能資源的影響，由于不同地區(qū)風(fēng)能資源的不同，很多大型風(fēng)電場(chǎng)都形成了多地區(qū)風(fēng)電機(jī)組直接向系統(tǒng)進(jìn)行供電的模式，主要為分支結(jié)構(gòu)；風(fēng)電場(chǎng)的電壓等級(jí)多為35kV，容易受到自身特征以及等級(jí)因素的干擾，故現(xiàn)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(fēng)電場(chǎng)的接入點(diǎn)；針對(duì)一些地理位置相對(duì)偏僻的風(fēng)電場(chǎng)，其整體的自然環(huán)境相對(duì)惡劣，為檢修人員進(jìn)行定期巡檢產(chǎn)生了阻礙。針對(duì)這類風(fēng)電場(chǎng)，如依然沿用傳統(tǒng)的故障定位技術(shù)和進(jìn)行檢修則難以確保檢修效果。此外一些處于山區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)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(chǎn)生了阻礙[1]。

1 多分支輸電線路故障定位原理

就傳統(tǒng)的故障定位技術(shù)來說，主要是針對(duì)高壓輸電技術(shù)所構(gòu)建的一類故障定位技術(shù)，無論是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還是定位效果都比較單一，其實(shí)現(xiàn)非常容易。當(dāng)前常用的多分支故障定位技術(shù)和定位方法已不再適合風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的故障定位，因此可針對(duì)現(xiàn)階段風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際需求提出一種全新的故障定位技術(shù)和定位方法。風(fēng)電場(chǎng)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(diǎn)研究單相接地故障[2]。

1.1 故障分支判據(jù)

為更加清晰的針對(duì)故障區(qū)間進(jìn)行分析和判斷，如圖1，通過構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)的簡(jiǎn)化模型來對(duì)其進(jìn)行闡述和分析。在圖2中Ki(i=1,2,3,…)表示各個(gè)測(cè)試點(diǎn)，集電線路上的測(cè)點(diǎn)K1、K2、K3…測(cè)量的是T 型節(jié)點(diǎn)的電壓和右側(cè)的電流[3]。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)

圖2 構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)的簡(jiǎn)化模型

結(jié)合圖2可知，該風(fēng)電場(chǎng)的主系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)之間主要依靠電壓為110kV 的變壓器相連接，同時(shí)35kV 側(cè)呈現(xiàn)三角形連接模式。因此，如風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)一側(cè)出現(xiàn)了不對(duì)稱接地故障后，則可基本上判定該風(fēng)電場(chǎng)不存在零序電流。通過圖2可針對(duì)故障區(qū)間的含義進(jìn)行重新確定，可以K1-K2-Ka、K2-K3-Kb、K3-K4-Kc這類結(jié)構(gòu)來對(duì)線路區(qū)間加以劃分，可將線路區(qū)間分別定義為1、2、3并用羅馬數(shù)字進(jìn)行表示。如果在其中的某一點(diǎn)上出現(xiàn)的單相接地故障，則會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱短路。

根據(jù)圖2中展示的實(shí)際情況進(jìn)行分析可知，單相接地故障發(fā)生在某一區(qū)間內(nèi)的架空線路上分支側(cè)，在該區(qū)域存在零序電流，其零序電流集中存在于該區(qū)間左邊的集電線路測(cè)點(diǎn)，在其他測(cè)點(diǎn)上并沒有檢測(cè)到零序電流。因此可判斷，如果為第二區(qū)間的故障，則可在K1、K2測(cè)試點(diǎn)測(cè)試到零序電流，因此可確定該區(qū)域?yàn)榘l(fā)生單相接地故障的區(qū)間。

根據(jù)區(qū)間內(nèi)測(cè)試點(diǎn)的零序電壓數(shù)值可分析和判斷出故障分支集中在電纜段，在對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的通用故障分支進(jìn)行判斷的過程中，其整體的判斷依據(jù)如下：根據(jù)接地變壓器端是否存在零序電流來分析風(fēng)電場(chǎng)是否存在不對(duì)稱接地短路故障問題；根據(jù)某區(qū)間左側(cè)一段是否存在零序電流的方式來判斷該區(qū)間是否存在故障；在故障區(qū)域內(nèi)，電纜兩端的零序電壓數(shù)值基本上相同。

1.2 行波識(shí)別

本文中在針對(duì)故障進(jìn)行定位的過程中應(yīng)用了行波原理，應(yīng)用該方法可精確識(shí)別出行波的波束以及類型。如在針對(duì)波頭進(jìn)行識(shí)別的過程中往往會(huì)應(yīng)用到較多類型的算法，如小波變換算法、數(shù)學(xué)形態(tài)算法及希爾伯特－黃變換。

上述算法都依靠原始的數(shù)據(jù)來對(duì)波頭進(jìn)行甄別，但在實(shí)際的識(shí)別過程中，考慮到采樣數(shù)據(jù)可能和實(shí)際數(shù)據(jù)間存在一定的誤差，該誤差稱之為量化誤差，但波頭識(shí)別算法卻不能對(duì)量化誤差進(jìn)行有效優(yōu)化，因此一定要減少量化誤差。鑒于此，有學(xué)者提出可通過插值算法來提升精確度，但簡(jiǎn)單插值總體的光滑水平不足、復(fù)雜的插值卻出現(xiàn)一定的波動(dòng)，由此導(dǎo)致一些行波之中的突變部分精確度不足，其最終的識(shí)別效果不佳。

本文應(yīng)用灰色模型來對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，充分解決了傳統(tǒng)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(duì)其進(jìn)行改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)插，以提高取樣速率?；疑碚撜J(rèn)為，系統(tǒng)的行為現(xiàn)象雖然模糊、數(shù)據(jù)復(fù)雜，但卻具有一定的秩序和全局的作用。該方法不追求數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律、也不求概率分布，而是對(duì)零散的原始資料進(jìn)行預(yù)處理，以識(shí)別各系統(tǒng)要素的變化趨勢(shì)，找出其變化的規(guī)律并據(jù)此進(jìn)行預(yù)測(cè)[4]。

2 風(fēng)電場(chǎng)中性點(diǎn)接地方式及風(fēng)電場(chǎng)故障特征構(gòu)建

在風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)中，其接地方式要結(jié)合系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況來確定，在傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)中針對(duì)中性點(diǎn)運(yùn)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(wǎng)系統(tǒng)中多采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行模式[5]。這類電網(wǎng)系統(tǒng)中的變壓器配電電壓側(cè)往往呈現(xiàn)三角形接線方式，不存在可供接地的電阻的中性點(diǎn)。如中性點(diǎn)的不接地系統(tǒng)出現(xiàn)了單相接地故障，此時(shí)電壓三角形依然可確保對(duì)稱，在這類模式下不會(huì)對(duì)用戶側(cè)的供電產(chǎn)生較大影響。同時(shí)，在電容電流較低的情況下一些瞬時(shí)故障會(huì)消失。由此可見該技術(shù)可顯著提升電網(wǎng)系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性和可靠性，有效降低停電事故概率。

但風(fēng)電場(chǎng)中的電壓系統(tǒng)和普通配網(wǎng)系統(tǒng)不同，其集電線中含有較多電纜，電纜的存在必然會(huì)增加系統(tǒng)整體的電容電流。鑒于此，采用傳統(tǒng)的中性點(diǎn)不接地技術(shù)來對(duì)其進(jìn)行處理已不能確保電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為有效減少風(fēng)電場(chǎng)安全事故方式概率，我國(guó)有關(guān)部門專門出臺(tái)了相關(guān)規(guī)章制度：當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)單相接地故障后，要求相關(guān)的保護(hù)裝置可迅速動(dòng)作，并及時(shí)解決故障。

機(jī)器設(shè)施設(shè)備的學(xué)習(xí)能力和數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的特征有著非常密切的關(guān)系，應(yīng)用模型和算法來進(jìn)行計(jì)算，只能最大限度獲取得到機(jī)器設(shè)備的學(xué)習(xí)上限。鑒于此，一定要構(gòu)建相應(yīng)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(duì)風(fēng)電場(chǎng)的故障特征進(jìn)行構(gòu)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(duì)特征量的計(jì)算可充分滿足其效能；特征量和風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模大小不存在相關(guān)關(guān)系；在提取故障特征的過程中可將電壓、電流等參數(shù)作為故障特征量，以此來完成對(duì)風(fēng)電以及光伏系統(tǒng)的故障定位。同時(shí)依靠XGBoost的特征重要度分析可知，風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備的電壓和電流特征量可充分彰顯故障信息，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)集電線路的故障測(cè)距。

3 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)接地設(shè)計(jì)

在針對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備接地系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的核心目的在于減少或迅速消除雷電產(chǎn)生的電流對(duì)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的破壞。同時(shí)接地設(shè)計(jì)還可有效確保地面作業(yè)人員的生命安全。在針對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行接地設(shè)計(jì)的過程中，首先要充分解決以下問題：接地電阻；地網(wǎng)均壓；設(shè)備接地；接地線熱穩(wěn)定；接地材料質(zhì)量。

當(dāng)前我國(guó)針對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備基礎(chǔ)接地進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，在參考國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的同時(shí)，還要參考相關(guān)生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。例如，在金風(fēng)兆瓦機(jī)組防雷與接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)中，明確提出了單臺(tái)的風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的接地電阻數(shù)值R ＜4Ω，單臺(tái)機(jī)組工頻接地電阻參數(shù)為R ＜10Ω。針對(duì)上述機(jī)組設(shè)備，可采用多機(jī)組聯(lián)合接地的方式，同時(shí)聯(lián)合接地模式下的工頻接地電阻數(shù)值需要低于4Ω。

而運(yùn)達(dá)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備的防雷設(shè)計(jì)需求如下：要求風(fēng)力機(jī)組設(shè)備的接地電阻需要低于4Ω，而遠(yuǎn)景能源風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備的接地需求和技術(shù)規(guī)范要求其接地電阻也不得超過4Ω?，F(xiàn)階段，在針對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，往往采用擴(kuò)大地網(wǎng)技術(shù)、深井解讀技術(shù)和以及離子接入技術(shù)等。針對(duì)一些處于山地地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)，考慮到其影響因素較多且地形相對(duì)復(fù)雜，可以深井接地技術(shù)及填充降阻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)有效接地。

以我國(guó)某風(fēng)電場(chǎng)接地設(shè)計(jì)案例為例，該風(fēng)電場(chǎng)位于某山區(qū)內(nèi)，其風(fēng)電各個(gè)機(jī)組設(shè)備的土壤平均電阻率約為3000～4000Ω m。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，可將其確定為高土壤電阻率區(qū)域。在對(duì)其接地系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，相關(guān)的設(shè)計(jì)單位往往會(huì)采用沿風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊設(shè)置環(huán)形接地裝置接地模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)我國(guó)出臺(tái)的《雷電防護(hù)第3部分：建筑物的物理損壞和生命危險(xiǎn)》，該接地裝置模式可以是一個(gè)封閉的回路，該回路設(shè)置在要保護(hù)的建筑外部，且總長(zhǎng)度的80%至少與泥土相接觸，所述的接地可以是網(wǎng)格。

此外，在該模式下垂直接地極和水平接地極可進(jìn)行組合使用，同時(shí)要求其接地埋深數(shù)值要超過半米以上，水平接地體材料為鍍鋅的鋼材。在該風(fēng)電場(chǎng)之中，環(huán)形接地網(wǎng)共有四個(gè)，分別為1/2/3/4號(hào)，其中1號(hào)水平接地、埋深數(shù)值為地下0.8米，2號(hào)以及3號(hào)水平接地埋深為地下4米，4號(hào)水平接地位于風(fēng)電塔筒上方的0.15米處。為了進(jìn)一步確保其接地效果，設(shè)計(jì)單位還專門增設(shè)了兩根穿透風(fēng)機(jī)設(shè)備的十字水平接地體，并將其和環(huán)形接地網(wǎng)焊接在一起，地下埋深0.8米。在本次設(shè)計(jì)中，全部的接地體均用電阻率較低的黏土進(jìn)行回填后并進(jìn)行夯實(shí)。該風(fēng)電場(chǎng)的接地系統(tǒng)總共應(yīng)用了8根垂直接地管進(jìn)行接地設(shè)計(jì)，同時(shí)在各個(gè)接地極的周圍還埋設(shè)了電阻率較低的物理降阻劑。

風(fēng)機(jī)底座的接地環(huán)和箱變基礎(chǔ)的接地環(huán)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(jìn)行施工后，對(duì)單臺(tái)機(jī)組的地面測(cè)量的接地電阻進(jìn)行記錄，其電阻不得超過4Ω。根據(jù)DL/T475-2017《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》中的有關(guān)要求，在高土壤電阻率地區(qū)采用鹽類灌溉或增大電流極根數(shù)，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(yùn)動(dòng)，其接地電阻會(huì)有很大的變化，因此，按規(guī)定每隔5%的電極距接地網(wǎng)的間距移動(dòng)3次，如果接地網(wǎng)的電阻值變化不超過5%，就可被視為與實(shí)際的接地電阻相符合（這一點(diǎn)必須在實(shí)際測(cè)量中進(jìn)行）。如不能滿足要求，就須在相鄰的風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)外引連接，在需要的時(shí)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(tái)風(fēng)力機(jī)工頻接地電阻低于4Ω 為止。

綜上，本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的特征以及行波原理提出了一種可更加精確判斷風(fēng)電場(chǎng)輸電線路單相接地故障的定位技術(shù)，和傳統(tǒng)的故障分析方法對(duì)比，可精確地分析出風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組設(shè)備的單相接地故障。同時(shí)本文研究了灰色模型理論，并結(jié)合實(shí)際的風(fēng)電場(chǎng)接地設(shè)計(jì)案例展開了分析和研究，對(duì)整體提升故障定位精確度有著至關(guān)重要的意義和作用。