光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)故障分析及糾正措施

何有山

摘 要：太陽能取之不盡，用之不竭，清潔安全，對于緩解日趨嚴(yán)峻的能源與環(huán)境問題具有重大的戰(zhàn)略意義。隨著太陽能光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，大量逆變型分布式光伏電源接入電網(wǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)潛藏的故障逐步暴露。本文分析了工程現(xiàn)場光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電弧放電和短路故障，然后提出了行之有效的糾正措施，解決了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)故障，從而最大限度地節(jié)約維修費(fèi)用和減少系統(tǒng)停機(jī)損失。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;并網(wǎng)故障;電弧放電;短路故障;糾正措施

中圖分類號：TM642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）20-0145-03

Abstract： Solar energy is inexhaustible， inexhaustible， clean and safe， and has great strategic significance for alleviating the increasingly serious energy and environmental problems. With the development of the solar photovoltaic power generation industry， a large number of inverter-type distributed photovoltaic power sources are connected to the grid， and the potential faults of the photovoltaic power generation system are gradually exposed. This paper analyzed the grid-connected arc discharge and short-circuit faults of the photovoltaic power generation system on the project site， and then put forward effective corrective measures to solve the grid-connected failures of the photovoltaic power generation system， thereby maximizing the maintenance cost and reducing the loss of system shutdown.

Keywords： photovoltaic power generation;grid-connected fault;arc discharge;short-circuit fault;corrective measures

當(dāng)前，世界能源形勢緊迫，能源問題成為世界十大焦點(diǎn)問題之首。在能源日益匱乏的今天，太陽能因取之不盡、用之不竭、清潔安全的特點(diǎn)，對于緩解日趨嚴(yán)峻的能源與環(huán)境問題具有重大的戰(zhàn)略意義。

隨著光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，近年來，大量逆變型分布式光伏電源接入電網(wǎng)，光伏發(fā)電并網(wǎng)故障也備受關(guān)注[1]，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)所產(chǎn)生的故障逐步暴露，如電器短路、電壓波動、閃變、逆變器故障停機(jī)等，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)不能正常并網(wǎng)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[2-3]。

逆變器是光伏電站并網(wǎng)中不可缺少的電能轉(zhuǎn)換裝置，它的控制技術(shù)直接影響光伏發(fā)電饋入電網(wǎng)的品質(zhì)。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[4]要求，通過10～35 kV電壓等級并網(wǎng)的光伏發(fā)電功率因數(shù)應(yīng)在超前0.98到滯后0.98范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。業(yè)內(nèi)有不少關(guān)于逆變器控制策略方面的研究[5-6]，逆變器廠家為了追求最大利用容量和最大發(fā)電量，常常會將并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)設(shè)定為0.99。由于光伏發(fā)電的功率波動性，逆變器的高功率因數(shù)運(yùn)行對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成威脅，有功不變時(shí)，無功幾乎不能調(diào)節(jié)，需要額外的無功來維持電壓。大量實(shí)踐證明，逆變器輸出輕載時(shí)，諧波會明顯變大，在10%額定出力以下時(shí)，電流的總諧波畸變率甚至?xí)^20%。同時(shí)，光伏發(fā)電通過電力電內(nèi)子逆變器并網(wǎng)，易造成三相電流不平衡，如果光伏發(fā)電系統(tǒng)線路發(fā)生故障，就容易造成光伏發(fā)電并網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)閃變或影響電網(wǎng)繼電保護(hù)動作等。

本文結(jié)合工程實(shí)踐中光伏發(fā)電并網(wǎng)時(shí)發(fā)生的事故進(jìn)行分析和總結(jié)，并提出一些行之有效的糾正措施，從而最大限度地節(jié)約維修費(fèi)用和減少系統(tǒng)停機(jī)損失。

1 并網(wǎng)柜電弧放電故障分析及處理

1.1 現(xiàn)場檢查

某光伏發(fā)電工程調(diào)試和并網(wǎng)投運(yùn)時(shí)，并網(wǎng)柜（4P10）進(jìn)線母排上的連接電纜線鼻子出現(xiàn)電弧放電現(xiàn)象，經(jīng)過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，檢查人員發(fā)現(xiàn)如下問題。

1.1.1 母線銅排。B相母線背面（從進(jìn)線柜正面看）距離斷路器接線端上部約40 mm的地方有電弧機(jī)上的凹坑痕跡，顏色發(fā)黑，中間部位右側(cè)邊緣也有一段距離約有50 mm的地方被電弧燒傷，出現(xiàn)發(fā)黑痕跡，其他兩相銅排基本未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，現(xiàn)場受損部位如圖1所示。

1.1.2 外部連接電纜的線鼻子。外表面異常表現(xiàn)為線鼻子表面有不少電弧擊傷的斑點(diǎn)和拉弧放電點(diǎn)，如圖2所示。

1.1.3 斷路器。上表面右下側(cè)邊緣處有一片狀、長形、不規(guī)則的薄金屬渣，受高溫作用影響，斷路器外表面有輕微燙傷痕跡，其他部分未見明顯異常發(fā)生。

1.2 柜內(nèi)元器件性能測試

為了檢查并網(wǎng)柜受損情況，現(xiàn)場對柜內(nèi)元器件性能進(jìn)行測試。

1.2.1 斷路器絕緣電阻測試。經(jīng)輸入端（單相）對地及相間絕緣電阻測試，絕緣電阻均保持在100 MΩ以上，斷路器絕緣材料未發(fā)生異常。

1.2.2 斷路器各相通斷性能測試。合閘后，斷路器上、下端能夠正常接通，用萬用表測試電壓線，電壓顯示407 VAC;分閘后，測試電壓線，電壓顯示為0 VAC。經(jīng)測試，斷路器未發(fā)現(xiàn)異常。

1.2.3 互感器二次線圈電阻值測試。測試電阻為0.3 Ω，線圈絕緣未見異常。

1.2.4 柜門儀表測試。顯示儀表直流電上電測試，多功能表顯示未見異常，儀表本身未受到損傷，直流回路2個(gè)熔斷器正常。斷路器合閘后，由于并網(wǎng)柜前端逆變器未投運(yùn)，無電壓、電流，閉合控制回路熔斷器開關(guān)，儀表電壓顯示為0 VAC，經(jīng)測試檢查，檢查人員發(fā)現(xiàn)，控制回路中直接從交流回路取電的12個(gè)熔斷器全部熔斷。

1.3 問題分析

下面針對出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析。其一，B相銅排內(nèi)測的傷痕不會是對地放電產(chǎn)生的拉弧，原因?yàn)槭軗p點(diǎn)距離金屬固定背板距離大于40 mm，滿足并超過相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求的電氣間隙[7]。其二，3臺互感器外表面損傷輕微，只是表面的顏色發(fā)生變化。固定互感器的螺釘受到高溫電弧擊傷熔化，固定螺釘與各相銅排絕緣，并且距離滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，沒有短路跡象。其三，線鼻子上出現(xiàn)擊傷斑點(diǎn)較多，而且有電弧擊傷拉弧痕跡，初步判斷，電弧火花從此處產(chǎn)生，其他地方的電弧燒傷均由其引起。電弧火花跌落到斷路器外表面、銅排內(nèi)側(cè)等，造成其他部位受損，由于弧光影響，柜門上噴漆及控制電纜受到弧光照射而變色。

經(jīng)過查閱圖紙，本項(xiàng)目并網(wǎng)柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大電流值不足800 A，所用的電纜截面積為630 mm2;經(jīng)查閱國家標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)目電纜環(huán)境溫度在40 ℃時(shí)的允許持續(xù)載流量為1 008 A[8]。

經(jīng)初步判斷，斷路器輸入回路中曾出現(xiàn)很大的沖擊電流，遠(yuǎn)超出并網(wǎng)柜能承受的載流量值。

根據(jù)逆變器廠家提供的技術(shù)資料及以上分析，初步判斷事故原因。本次事故的原因是逆變器及變壓器組在啟動瞬間造成涌流，導(dǎo)致并網(wǎng)柜內(nèi)電纜過負(fù)荷，引起系統(tǒng)中電纜連接處的氣隙電離，引發(fā)放電;并網(wǎng)柜斷路器的過載保護(hù)電流值在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮，仍保持出廠設(shè)置值1 250 A，偏大，不能很好地起到保護(hù)作用。

根據(jù)事故原因分析，本工程項(xiàng)目中涉及并網(wǎng)用的8臺規(guī)格為T7M 1250A的斷路器設(shè)置采取如下糾正措施：斷路器L段保護(hù)（過載保護(hù)）設(shè)為1 000 A，延時(shí)3 s，增強(qiáng)過載保護(hù)線路的能力;斷路器S、I段保護(hù)選擇如下方式，即I瞬時(shí)短路保護(hù)，短路電流保護(hù)設(shè)置4.5倍輸入值，即為4 500 A。

采取上述預(yù)防措施，并對受損部分進(jìn)行修復(fù)處理后，系統(tǒng)并網(wǎng)故障成功解決，本光伏發(fā)電系統(tǒng)成功并網(wǎng)。截至目前，本光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行正常。

2 光伏發(fā)電短路故障分析及處理

對于另一光伏發(fā)電工程，業(yè)主反饋，在投運(yùn)并網(wǎng)時(shí)，交流柜在閉合斷路器時(shí)瞬間發(fā)生爆響、斷路器脫扣事故。經(jīng)過現(xiàn)場勘查，業(yè)主已對故障現(xiàn)場進(jìn)行處理，具體如下：X1端子上有部分線纜未接，處于懸空狀態(tài)，溫控器控制異常;業(yè)主已將斷路器下端連接電纜拆除;經(jīng)現(xiàn)場測試，接觸器A、B相觸點(diǎn)黏連，無法正常斷開;與交流柜相連接的變壓器（由另外其他廠家提供）二次側(cè)N相未引出，而實(shí)際的變壓器連接方式為Dyn11，按照標(biāo)準(zhǔn)[9-10]要求，二次側(cè)中性線N相是需要引出來的。

經(jīng)過現(xiàn)場排查，系統(tǒng)并未出現(xiàn)其他異常情況，對接線端子上的二次線進(jìn)行重新連接，同時(shí)修復(fù)接觸器的觸點(diǎn)。確認(rèn)交流柜沒有其他問題后，斷開交流柜中斷路器與變壓器的連接線，重新閉合接觸器和斷路器，未發(fā)現(xiàn)異常，能夠正常送電，由此判斷本次接觸器發(fā)生爆聲故障的原因不在交流柜，初步判斷其為上級回路變壓器側(cè)故障所致。

經(jīng)過逐項(xiàng)分析和測試，故障原因?yàn)榕c逆變器輸出連接的變壓器一次側(cè)B、C電纜接線錯(cuò)誤，導(dǎo)致B、C相間短路，如圖3所示。

事故原因查清楚后，采取糾正措施，改正錯(cuò)誤接線，重新測試變壓器性能，未見異常。重新將變壓器二次側(cè)電纜與交流柜連接，重新上電，設(shè)備投運(yùn)正常。

由于本工程供電系統(tǒng)交流側(cè)電源設(shè)計(jì)為TN-S接地系統(tǒng)，采用的是三相五線制接線，變壓器連接組別為Dyn11方式，二次側(cè)應(yīng)該引出N相線接至交流柜N相銅排上。但是，用戶并未將此N相引出，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。檢查人員隨將此項(xiàng)問題反饋到項(xiàng)目業(yè)主處理。

3 結(jié)語

本文在分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)故障的基礎(chǔ)上，提出了糾正措施，使光伏發(fā)電系統(tǒng)順利并網(wǎng)發(fā)電。本文所給出的故障排除方法和糾正措施值得行業(yè)內(nèi)工程技術(shù)人員借鑒，避免發(fā)生類似光伏發(fā)電并網(wǎng)故障。

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