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電力線路故障監(jiān)測——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(jī)組容量較小,所以一般采用集電線路施工,將幾臺風(fēng)機(jī)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(xiàng)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(yùn)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(yùn)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(yùn),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(shí)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(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)段的故障點(diǎn)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(diǎn)

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(diǎn)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(diǎn);

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(diǎn)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:

圖片1.png

圖片2.png

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(shí)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。

圖片3.jpg

雙端測距法的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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,波速度為圖片2.png,故障初始行波與由故障點(diǎn)反射波到達(dá)母線的時間分別為Ts1、Ts2,則故障距離XL為:

圖片4.png

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圖2  單端測距原理示意圖

單端測距法的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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。

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1.裝置功能

DJ-2000系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)線路故障的測距,同時根據(jù)集電線路的運(yùn)行特點(diǎn),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(yùn)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(diǎn),實(shí)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。

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(2)故障區(qū)間判別

后臺軟件根據(jù)故障線路工頻電流和零序電流錄波數(shù)據(jù),在時間同步的基礎(chǔ)上,快速判斷架空-電纜混合線路和電纜T型線路故障所屬區(qū)間,提升運(yùn)維效益。

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(3)工頻電流監(jiān)測

實(shí)時監(jiān)測電纜線路的負(fù)荷電流數(shù)據(jù),以數(shù)值或電流曲線的方式進(jìn)行展示。當(dāng)線路發(fā)生異常變化時,系統(tǒng)能夠自動錄波,實(shí)現(xiàn)故障性質(zhì)分析診斷。

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4零序電流監(jiān)測

實(shí)時監(jiān)測零序電流,以數(shù)值或電流曲線的方式進(jìn)行展示。當(dāng)電流發(fā)生異常變化時,系統(tǒng)能夠自動錄波,對線路故障提供實(shí)時告警。

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2.參數(shù)指標(biāo)

q 波頭上升沿:  ≤200ns

q 采樣頻率:    ≥50MHz

q 整體輸入帶寬:≥10kHz

q 對時精度:    ≤20ns

q 測試范圍:    ≥10km(兩套裝置之間不超過8臺箱變)

q 定位誤差:    ≤0.15%*L+5米

q 行波采樣長度:≥1ms(觸發(fā)前波形長度大于50us)

q 工頻采樣:

----工頻采樣頻率:                    ≥5kHz;

----工頻采樣長度:                    ≥500ms

五. 典型配置方案

1.純電纜線路拓?fù)?/p>

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2.電纜架空混合線路拓?fù)?/p>

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3.架空為主線路拓?fù)?/p>

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六. 應(yīng)用案例

1.案例一(重慶某風(fēng)電場)

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2.案例二(內(nèi)蒙古某光伏電站)

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線路拓?fù)鋱D

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工頻過流圖

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廣域測距圖

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雙端測距圖

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升壓站側(cè)單端波形圖

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箱變側(cè)單端波形圖

七. 工程安裝

1.升壓站組屏

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2.升壓站單機(jī)

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3.箱變側(cè)單機(jī)

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