海上風(fēng)電是通過在海上風(fēng)力發(fā)電機組，利用海洋風(fēng)能資源進行發(fā)電的可再生能源技術(shù)。海上風(fēng)電具有資源豐富、風(fēng)速穩(wěn)定、占地少、噪音小、環(huán)境影響小等優(yōu)點，是目前全球能源轉(zhuǎn)型和低碳發(fā)展的重要途徑之一。此外，我國海上風(fēng)電場一般靠近東部沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，便于電力的傳輸和使用，可提高風(fēng)力發(fā)電的利用率。伴隨海上風(fēng)電的快速發(fā)展，以及海上風(fēng)電場的大規(guī)模建設(shè)，海上風(fēng)電場用海纜的需求也隨之增長。在海上風(fēng)電場中，海纜用于傳輸電力和信息，是風(fēng)電場不可或缺的重要組成部分。海上風(fēng)電場用海底電纜主要包括集電線路海纜和送出海纜。多臺風(fēng)力機組所產(chǎn)生的電能通過集電線路海纜匯總至升壓站，提高電壓等級，然后通過高壓送出海纜傳輸至岸上集控中心。其中，集電線路海纜的電壓等級通常為35 kV，而送出海纜的電壓等級取決于海上風(fēng)電場的離岸距離。根據(jù)海上風(fēng)電場接入電網(wǎng)的要求，送出海纜的電壓等級可選擇110 kV或220 kV。
與陸上風(fēng)電場相比，海上風(fēng)電場面臨的環(huán)境更惡劣，且海水具有腐蝕性，海纜的施工和維護工作更具挑戰(zhàn)。在海上風(fēng)電場的建設(shè)和運營中，海纜的施工、建設(shè)和維護至關(guān)重要。海纜的使用環(huán)境具有隱蔽性，難以及時監(jiān)測海纜在使用期間的工作狀態(tài)。目前，海上風(fēng)電場的建設(shè)正逐步向深遠海方向發(fā)展，深遠海水深浪大，環(huán)境更為惡劣，敷設(shè)的海纜也會受到更強的流體作用。海水中的生物和化學(xué)成分也具有腐蝕性，影響海纜正常運行。一旦海纜發(fā)生故障，會對海上風(fēng)電場正常的電力傳輸產(chǎn)生較大的影響。與陸上電纜相比，海纜的檢修更加復(fù)雜和耗時，通常需要專業(yè)設(shè)備和人員進行長時間的故障檢查和海上施工作業(yè)，而大范圍的停電和停產(chǎn)也會導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失。因此，對海纜進行監(jiān)測和故障定位研究，及時發(fā)現(xiàn)海纜故障，對海上風(fēng)電場的安全運行具有重要意義。
根據(jù)測距原理，海纜故障測距算法可分為阻抗法、注入法和行波法等。阻抗法主要用于故障定位，通過測量故障發(fā)生時的回路阻抗與線路單位阻抗之間的比例計算故障距離。阻抗法測距原理相對簡單，但其有效性受到諸多因素影響，如配電線路的傳輸均勻性、系統(tǒng)運行方式和過渡電阻等，定位效率較低。此外，阻抗法受線路參數(shù)和測量精度的影響，用于混合線路測距時誤差較大。注入法通過向線路注入信號，并采用專門的信號檢測裝置沿線路檢測，查找故障位置。注入法不受消弧線圈的影響，操作簡便，但仍然需要人工巡線，定位效率較低。行波法利用故障發(fā)生時產(chǎn)生的行波信號的傳輸時間差進行故障定位，定位精度較高且實用性較強。然而，該方法面臨行波波頭檢測難、定位裝置采樣速率低、對時精度差等挑戰(zhàn)，現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的發(fā)展為行波法的應(yīng)用提供了強大的技術(shù)支持。柴鵬等使用雙端行波法結(jié)合本地時鐘同步方式定位電纜短路故障，可降低對雙端同步的依賴。林洪等利用高頻傳感器對行波波頭進行采樣，提升了雙端行波法的精度。王樂等通過小波變換分析故障行波電流，提高了線路故障定位的精度。
本工作基于SIMULINK仿真進行海纜故障定位研究，設(shè)置多種故障類型及位置，并在相關(guān)實際數(shù)據(jù)不充足的情況下，通過數(shù)值仿真驗證定位方法。
海纜故障分析 根據(jù)故障性質(zhì)可將海纜故障分為低阻故障和高阻故障，對于光電復(fù)合型海纜，還可能出現(xiàn)光纖故障。其中，低阻故障又稱為短路故障，通常由海纜絕緣層失效引起，是常見的海纜故障類型。對于三相交流海纜，其短路故障可能表現(xiàn)為單相、兩相、三相接地短路故障或相間短路故障。 引發(fā)海纜損傷的原因主要有機械外力、海流運動和海水腐蝕等。海纜通常鋪設(shè)在淺海區(qū)域，容易受外界和人為因素的影響產(chǎn)生損傷，如打樁施工、移動式作業(yè)平臺的插樁與起樁等操作。海纜受損部位長時間浸泡在海水中，絕緣性能下降，易引起停電事故。此外，隨著海洋活動的增加，進入海上風(fēng)電場的船只拋錨及起錨、漁業(yè)活動中使用的漁網(wǎng)及鐵鏈等捕撈裝備都可能會砸傷、拖拽海纜，導(dǎo)致海纜產(chǎn)生不同程度的變形甚至破損。海流運動也會引起海纜損傷，除了受海流直接作用外，海纜還可能因海流沖擊產(chǎn)生渦激振動，進而出現(xiàn)疲勞損傷。此外，在海流長期沖刷作用下，海纜附近的海床會形成較大的局部沖刷坑，使海纜懸空，影響海纜的安全性。海水中存在多種腐蝕因素，如鹽分、溶解氧、海洋生物等，海纜材料容易被腐蝕和損害。金屬鎧裝層長期浸泡在海水中，容易被腐蝕，護層被破壞后，鎧裝層中的電流會導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致海纜損傷故障。 行波定位法主要分為單端行波定位和雙端行波定位。單端行波定位是通過計算首個行波到達測量端的時間與反射波到達時間的差值，計算故障距離。雙端行波定位是通過首個故障行波到達兩端的時間差進行故障定位。線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，單端行波法的定位結(jié)果可信度降低，但操作簡單，成本較低；雙端行波定位僅利用波頭初次到達時間，無需發(fā)射波的波頭到達時間，方法準確度和可信度更高。綜合兩種行波測距的優(yōu)點，以雙端行波測距為主、單端行波測距為輔，實現(xiàn)精確的故障定位。 單端行波定位 單端行波定位根據(jù)故障行波兩次到達測量端的時間差來計算故障點與測量端之間的距離，測距示意圖見圖1。 圖1 單端行波定位測距示意圖 假設(shè)海纜線路在F點發(fā)生故障，初始故障行波到達測量端1的時間記為t1，故障行波回到故障點F被反射再次到達測量端1的時間記為t2，海纜線路的總長為D，行波的傳播速率設(shè)為ν，則利用單端行波法計算故障點距離(LF)的公式為 雙端行波定位 雙端行波定位根據(jù)故障行波首次到達線路兩個測量端的時間差進行計算，測距示意圖見圖2。 圖2 雙端行波定位測距示意圖 假設(shè)海纜線路在F點發(fā)生故障，故障行波到達測量端1的時間記為t3，到達測量端2的時間記為t4，海纜線路的總長為D，行波的傳播速率設(shè)為ν，則利用雙端行波法計算故障點距離(LF)的公式為 仿真系統(tǒng)設(shè)計 基于SIMULINK仿真平臺，搭建模擬海纜運行的三相交流電路模型，可設(shè)置海纜電路故障類型及故障點位置，并仿真電壓、電流的波形。從波形中提取故障行波，結(jié)合定位算法可計算出故障點的位置。對比預(yù)設(shè)故障點位置，計算可知行波法故障定位的準度。 海纜故障定位仿真電路模型見圖3，電路中包括三相交流電源模塊、測量模塊、故障設(shè)置模塊、負載模塊和多個輸出模塊。三相交流電源模塊設(shè)置相間電壓為110 kV，頻率為50 Hz；測量模塊用于測量電壓和電流，電路由兩段組成，總長為200 km，電阻為0.012 73 Ω·km-1 ，電感為0.933 7×10-3 H·km-1，電容為12. 74×10-9 F·km-1 ；故障設(shè)置模塊用于設(shè)置電路的故障類型，如單相接地、雙相短路等，位于兩段電路中間，可通過設(shè)置兩段電路的長度實現(xiàn)對故障點位置的調(diào)整；負載模塊代表電路中的負載；輸出模塊用于輸出數(shù)據(jù)。仿真設(shè)置的采樣時間為1×10-7s，仿真時長為0.06s，故障發(fā)生時刻為0.02s。 圖3 海纜故障定位仿真電路模型 海纜常見故障類型包括單相接地短路故障、相間短路故障、兩相接地短路故障、三相接地短路故障等，而實際工程中的電路故障存在多種類型。本工作以兩相短路接地為例，在距離電源位50，75，100，125，150，175 km處設(shè)置多個故障點，分別進行故障仿真；利用行波法計算故障點位置，并與預(yù)設(shè)數(shù)值進行對比。 行波提取算法 分析故障前一段時間和故障后一段時段內(nèi)的三相電壓、電流之間的差，計算暫態(tài)三相電壓(u)和暫態(tài)電流(i)，然后進行克拉克模量變換。電壓模量(um)和電流模量(im)的計算公式為 式中:Q為克拉克變換矩陣。電壓1模正向行波(uf1)和反向行波(ur1)的計算公式為 式中:um1、im1分別表示um和im的1模分量；L、C分別為每千米輸電線路的正序電感和正序電容。 將行波提取后，判斷出波頭到達時間，利用公式(1)和公式(2)計算故障點位置。 故障點位置為50km時，電路首端和尾端三相電壓與電流的仿真圖見圖4、圖5。首端和尾端分別代表圖2中的測量端1和測量端2；首端電壓和尾端電壓分別代表在電路的首端和尾端測得的電壓；首端電流和尾端電流分別代表在電路的首端和尾端測得的電流。 圖4 故障點位置為50km時電路首端三相電壓與電流的仿真圖 圖5 故障點位置為50km時電路尾端三相電壓與電流的仿真圖 由圖4、圖5可知，在0.02s時，發(fā)生人為設(shè)置的兩相短路接地故障，首、尾端的電壓和電流均在該時刻開始發(fā)生劇烈變化。首端電壓的三相均產(chǎn)生劇烈振蕩，但整體幅度變化較小，首端電流中的兩相發(fā)生較大波動，一相仍保持在0附近；尾端電壓、電流同樣產(chǎn)生振蕩，但振蕩形式與首端不同。 從電路首端和尾端電壓中提取首端和尾端的故障行波數(shù)據(jù)，分別見圖6和圖7。 圖6 故障點位置為50km時的首端電壓行波 圖7 故障點位置為50km時的尾端電壓行波 由圖6可知，首端電壓行波中，正向行波與反向行波的整體分布近似關(guān)于x軸對稱，且波頭分布較密，與故障點位置為50km時距離首端較近的設(shè)置一致。由圖7可知，尾端電壓行波中，正反兩個行波接近重合，與首端波形有明顯差異，且波頭分布較疏，與故障點位置距離尾端較遠導(dǎo)致行波傳輸時間較長的設(shè)置一致。行波發(fā)生突變處代表一個波頭，讀取波頭間的時間差，可計算出故障點與首端的距離，確定故障點位置。仿真和定位結(jié)果見表1。 表1 仿真和定位結(jié)果 由表1可知，單端行波法和雙端行波法均能夠較為準確地計算出故障點的位置。但是，雙端行波法具有更高的準確度，特別是在故障點距離首端較遠時，可以更加精確地實現(xiàn)對故障點的定位。 海纜故障的原因主要包括機械外力、海流運動、海水腐蝕等，易導(dǎo)致單相接地短路故障、相間短路故障、兩相接地短路故障、三相接地短路故障等故障。本工作利用SIMULINK對海纜的三相交流電路進行故障仿真，獲取海纜從正常運行至發(fā)生故障及之后的電壓、電流數(shù)據(jù)，然后從仿真數(shù)據(jù)中提取故障暫態(tài)行波，并利用行波法計算海纜的故障位置?；诜抡鏀?shù)據(jù)，單端行波法及雙端行波法均能夠較好地計算出故障點的位置，但雙端行波法具有更高的精度?；诖?，未來可對更加復(fù)雜的海上風(fēng)電場的海纜電路結(jié)構(gòu)進行仿真，并在雙端行波法的基礎(chǔ)上開發(fā)適宜的定位模型。
來源 | 上纜所傳媒
編輯 | 盧羽佳
審核 | 何曉芳
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