海上风电是通过在海上风力发电机组，利用海洋风能资源进行发电的可再生能源技术。海上风电具有资源丰富、风速稳定、占地少、噪音小、环境影响小等优点，是目前全球能源转型和低碳发展的重要途径之一。此外，我国海上风电场一般靠近东部沿海经济发达地区，便于电力的传输和使用，可提高风力发电的利用率。伴随海上风电的快速发展，以及海上风电场的大规模建设，海上风电场用海缆的需求也随之增长。在海上风电场中，海缆用于传输电力和信息，是风电场不可或缺的重要组成部分。海上风电场用海底电缆主要包括集电线路海缆和送出海缆。多台风力机组所产生的电能通过集电线路海缆汇总至升压站，提高电压等级，然后通过高压送出海缆传输至岸上集控中心。其中，集电线路海缆的电压等级通常为35 kV，而送出海缆的电压等级取决于海上风电场的离岸距离。根据海上风电场接入电网的要求，送出海缆的电压等级可选择110 kV或220 kV。
与陆上风电场相比，海上风电场面临的环境更恶劣，且海水具有腐蚀性，海缆的施工和维护工作更具挑战。在海上风电场的建设和运营中，海缆的施工、建设和维护至关重要。海缆的使用环境具有隐蔽性，难以及时监测海缆在使用期间的工作状态。目前，海上风电场的建设正逐步向深远海方向发展，深远海水深浪大，环境更为恶劣，敷设的海缆也会受到更强的流体作用。海水中的生物和化学成分也具有腐蚀性，影响海缆正常运行。一旦海缆发生故障，会对海上风电场正常的电力传输产生较大的影响。与陆上电缆相比，海缆的检修更加复杂和耗时，通常需要专业设备和人员进行长时间的故障检查和海上施工作业，而大范围的停电和停产也会导致严重的经济损失。因此，对海缆进行监测和故障定位研究，及时发现海缆故障，对海上风电场的安全运行具有重要意义。
根据测距原理，海缆故障测距算法可分为阻抗法、注入法和行波法等。阻抗法主要用于故障定位，通过测量故障发生时的回路阻抗与线路单位阻抗之间的比例计算故障距离。阻抗法测距原理相对简单，但其有效性受到诸多因素影响，如配电线路的传输均匀性、系统运行方式和过渡电阻等，定位效率较低。此外，阻抗法受线路参数和测量精度的影响，用于混合线路测距时误差较大。注入法通过向线路注入信号，并采用专门的信号检测装置沿线路检测，查找故障位置。注入法不受消弧线圈的影响，操作简便，但仍然需要人工巡线，定位效率较低。行波法利用故障发生时产生的行波信号的传输时间差进行故障定位，定位精度较高且实用性较强。然而，该方法面临行波波头检测难、定位装置采样速率低、对时精度差等挑战，现代数字技术的发展为行波法的应用提供了强大的技术支持。柴鹏等使用双端行波法结合本地时钟同步方式定位电缆短路故障，可降低对双端同步的依赖。林洪等利用高频传感器对行波波头进行采样，提升了双端行波法的精度。王乐等通过小波变换分析故障行波电流，提高了线路故障定位的精度。
本工作基于SIMULINK仿真进行海缆故障定位研究，设置多种故障类型及位置，并在相关实际数据不充足的情况下，通过数值仿真验证定位方法。
海缆故障分析 根据故障性质可将海缆故障分为低阻故障和高阻故障，对于光电复合型海缆，还可能出现光纤故障。其中，低阻故障又称为短路故障，通常由海缆绝缘层失效引起，是常见的海缆故障类型。对于三相交流海缆，其短路故障可能表现为单相、两相、三相接地短路故障或相间短路故障。 引发海缆损伤的原因主要有机械外力、海流运动和海水腐蚀等。海缆通常铺设在浅海区域，容易受外界和人为因素的影响产生损伤，如打桩施工、移动式作业平台的插桩与起桩等操作。海缆受损部位长时间浸泡在海水中，绝缘性能下降，易引起停电事故。此外，随着海洋活动的增加，进入海上风电场的船只抛锚及起锚、渔业活动中使用的渔网及铁链等捕捞装备都可能会砸伤、拖拽海缆，导致海缆产生不同程度的变形甚至破损。海流运动也会引起海缆损伤，除了受海流直接作用外，海缆还可能因海流冲击产生涡激振动，进而出现疲劳损伤。此外，在海流长期冲刷作用下，海缆附近的海床会形成较大的局部冲刷坑，使海缆悬空，影响海缆的安全性。海水中存在多种腐蚀因素，如盐分、溶解氧、海洋生物等，海缆材料容易被腐蚀和损害。金属铠装层长期浸泡在海水中，容易被腐蚀，护层被破坏后，铠装层中的电流会导致电化学腐蚀，最终导致海缆损伤故障。 行波定位法主要分为单端行波定位和双端行波定位。单端行波定位是通过计算首个行波到达测量端的时间与反射波到达时间的差值，计算故障距离。双端行波定位是通过首个故障行波到达两端的时间差进行故障定位。线路结构复杂时，单端行波法的定位结果可信度降低，但操作简单，成本较低；双端行波定位仅利用波头初次到达时间，无需发射波的波头到达时间，方法准确度和可信度更高。综合两种行波测距的优点，以双端行波测距为主、单端行波测距为辅，实现精确的故障定位。 单端行波定位 单端行波定位根据故障行波两次到达测量端的时间差来计算故障点与测量端之间的距离，测距示意图见图1。 图1 单端行波定位测距示意图 假设海缆线路在F点发生故障，初始故障行波到达测量端1的时间记为t1，故障行波回到故障点F被反射再次到达测量端1的时间记为t2，海缆线路的总长为D，行波的传播速率设为ν，则利用单端行波法计算故障点距离(LF)的公式为 双端行波定位 双端行波定位根据故障行波首次到达线路两个测量端的时间差进行计算，测距示意图见图2。 图2 双端行波定位测距示意图 假设海缆线路在F点发生故障，故障行波到达测量端1的时间记为t3，到达测量端2的时间记为t4，海缆线路的总长为D，行波的传播速率设为ν，则利用双端行波法计算故障点距离(LF)的公式为 仿真系统设计 基于SIMULINK仿真平台，搭建模拟海缆运行的三相交流电路模型，可设置海缆电路故障类型及故障点位置，并仿真电压、电流的波形。从波形中提取故障行波，结合定位算法可计算出故障点的位置。对比预设故障点位置，计算可知行波法故障定位的准度。 海缆故障定位仿真电路模型见图3，电路中包括三相交流电源模块、测量模块、故障设置模块、负载模块和多个输出模块。三相交流电源模块设置相间电压为110 kV，频率为50 Hz；测量模块用于测量电压和电流，电路由两段组成，总长为200 km，电阻为0.012 73 Ω·km-1 ，电感为0.933 7×10-3 H·km-1，电容为12. 74×10-9 F·km-1 ；故障设置模块用于设置电路的故障类型，如单相接地、双相短路等，位于两段电路中间，可通过设置两段电路的长度实现对故障点位置的调整；负载模块代表电路中的负载；输出模块用于输出数据。仿真设置的采样时间为1×10-7s，仿真时长为0.06s，故障发生时刻为0.02s。 图3 海缆故障定位仿真电路模型 海缆常见故障类型包括单相接地短路故障、相间短路故障、两相接地短路故障、三相接地短路故障等，而实际工程中的电路故障存在多种类型。本工作以两相短路接地为例，在距离电源位50，75，100，125，150，175 km处设置多个故障点，分别进行故障仿真；利用行波法计算故障点位置，并与预设数值进行对比。 行波提取算法 分析故障前一段时间和故障后一段时段内的三相电压、电流之间的差，计算暂态三相电压(u)和暂态电流(i)，然后进行克拉克模量变换。电压模量(um)和电流模量(im)的计算公式为 式中:Q为克拉克变换矩阵。电压1模正向行波(uf1)和反向行波(ur1)的计算公式为 式中:um1、im1分别表示um和im的1模分量；L、C分别为每千米输电线路的正序电感和正序电容。 将行波提取后，判断出波头到达时间，利用公式(1)和公式(2)计算故障点位置。 故障点位置为50km时，电路首端和尾端三相电压与电流的仿真图见图4、图5。首端和尾端分别代表图2中的测量端1和测量端2；首端电压和尾端电压分别代表在电路的首端和尾端测得的电压；首端电流和尾端电流分别代表在电路的首端和尾端测得的电流。 图4 故障点位置为50km时电路首端三相电压与电流的仿真图 图5 故障点位置为50km时电路尾端三相电压与电流的仿真图 由图4、图5可知，在0.02s时，发生人为设置的两相短路接地故障，首、尾端的电压和电流均在该时刻开始发生剧烈变化。首端电压的三相均产生剧烈振荡，但整体幅度变化较小，首端电流中的两相发生较大波动，一相仍保持在0附近；尾端电压、电流同样产生振荡，但振荡形式与首端不同。 从电路首端和尾端电压中提取首端和尾端的故障行波数据，分别见图6和图7。 图6 故障点位置为50km时的首端电压行波 图7 故障点位置为50km时的尾端电压行波 由图6可知，首端电压行波中，正向行波与反向行波的整体分布近似关于x轴对称，且波头分布较密，与故障点位置为50km时距离首端较近的设置一致。由图7可知，尾端电压行波中，正反两个行波接近重合，与首端波形有明显差异，且波头分布较疏，与故障点位置距离尾端较远导致行波传输时间较长的设置一致。行波发生突变处代表一个波头，读取波头间的时间差，可计算出故障点与首端的距离，确定故障点位置。仿真和定位结果见表1。 表1 仿真和定位结果 由表1可知，单端行波法和双端行波法均能够较为准确地计算出故障点的位置。但是，双端行波法具有更高的准确度，特别是在故障点距离首端较远时，可以更加精确地实现对故障点的定位。 海缆故障的原因主要包括机械外力、海流运动、海水腐蚀等，易导致单相接地短路故障、相间短路故障、两相接地短路故障、三相接地短路故障等故障。本工作利用SIMULINK对海缆的三相交流电路进行故障仿真，获取海缆从正常运行至发生故障及之后的电压、电流数据，然后从仿真数据中提取故障暂态行波，并利用行波法计算海缆的故障位置。基于仿真数据，单端行波法及双端行波法均能够较好地计算出故障点的位置，但双端行波法具有更高的精度。基于此，未来可对更加复杂的海上风电场的海缆电路结构进行仿真，并在双端行波法的基础上开发适宜的定位模型。
来源 | 上缆所传媒
编辑 | 卢羽佳
审核 | 何晓芳
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