某光伏電站66 kV GIS設備的PT燒毀原因分析

史稼軒，李壯東，田 超，張少甫，劉細亮

(西安隆基清潔能源有限公司，西安 710018)

0 引言

隨著光伏電站對可靠性的要求越來越高，六氟化硫氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)設備因其占地面積小、可靠性高，配置靈活、安裝方便的特點，被越來越多的光伏電站所采用。GIS設備由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓互感器(PT)、電流互感器、避雷器、母線、電纜終端、進出線套管等組成。

PT是用來變換線路電壓的設備，其工作原理與變壓器的類似。由于光伏電站使用的PT二次側(cè)有多個繞組，因此檢測過程中除了測量線路三相電壓的繞組外，還需要測量零序電壓的開口三角繞組。由于PT本身的阻抗很小，一旦二次側(cè)發(fā)生短路，電流將急劇增長，從而燒毀繞組，因此，PT二次側(cè)不能出現(xiàn)短路。本文針對某光伏電站66 kV GIS設備的PT燒毀原因進行了分析，并提出了解決方案，以便避免后續(xù)同樣故障的發(fā)生。

1 故障概況

2019年5月12日，某光伏電站66 kV GIS設備的PT發(fā)生了燒毀現(xiàn)象，六氟化硫氣體噴出，后臺監(jiān)控系統(tǒng)報“PT斷線故障”，保護裝置未動作。該光伏電站已投運將近3年，故障發(fā)生前，GIS設備一直穩(wěn)定運行；故障當天電網(wǎng)運行正常，無異常情況，經(jīng)PT生產(chǎn)廠家排查，PT匯控柜未發(fā)現(xiàn)問題；而且該電站已運行將近3年，認為外圍接線存在問題的可能性不大，因此判斷為PT的質(zhì)量存在問題。6月4日更換PT后，光伏電站再次投運。

在更換PT半個月后，6月20日，該光伏電站66 kV GIS設備的PT又發(fā)生燒毀，與之前故障現(xiàn)象類似。經(jīng)過全面排查后發(fā)現(xiàn)，原來是由于從PT二次側(cè)接入到繼電保護盤柜的開口三角外接線L線和N線接反導致的。對錯誤接線進行糾正后，重新更換了PT并投運，光伏電站運行正常。

2 故障原因及原理分析

2.1 故障錄波分析

從故障錄波來看，在PT燒毀的前幾分鐘，PT的測量電壓出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，但66 kV高壓側(cè)電流一直穩(wěn)定，10 kV低壓側(cè)電壓和電流也一直正常。

由于PT第一次燒毀和第二次燒毀現(xiàn)象類似，因此故障錄波變化較為相似，下文以第二次燒毀的數(shù)據(jù)進行分析。

6月20日13時30分24秒，66 kV高壓側(cè)A相電壓升高， C相電壓降低，出現(xiàn)電壓不平衡的現(xiàn)象，此時的故障錄波如圖1所示。

圖1 66 kV高壓側(cè)的故障錄波圖Fig. 1 Fault data of 66 kV high-voltage side

從圖1可以看出，在66 kV高壓側(cè)電壓發(fā)生變化時，66 kV高壓側(cè)電流、10 kV低壓側(cè)電流和電壓均無任何異常波動。

正常運行時，三相交流電壓的相角應相差120°，但通過對比圖2中同一時間時66 kV和10 kV電壓向量可以發(fā)現(xiàn)，66 kV高壓側(cè)電壓的相位角發(fā)生異常，而10 kV低壓側(cè)電壓的相位角正常。

圖2 66 kV和10 kV電壓向量圖Fig. 2 66 kV and 10 kV vector diagram

如果線路發(fā)生短路或其他故障，由于變壓器的耦合作用，變壓器66 kV高壓側(cè)電壓和10 kV低壓側(cè)電壓會同時發(fā)生波形變化，但此次故障中，僅66 kV高壓側(cè)電壓的波形發(fā)生了變化，10 kV低壓側(cè)電壓的波形未發(fā)生變化；同時，對側(cè)站、廠內(nèi)各個線路和設備也無任何異常。因此，可以斷定在故障瞬間線路是正常的，66 kV高壓側(cè)電壓發(fā)生波動僅是PT本身二次側(cè)及外圍線路導致的測量問題。因為已經(jīng)更換過一次PT，因此故障原因由PT引起的可能性不大，需要對PT的外圍進行排查。

2.1.1 PT線路排查分析

經(jīng)過對所有66 kV GIS設備的PT二次側(cè)接線進行全面排查發(fā)現(xiàn)，PT二次側(cè)開口三角繞組的相關(guān)回路存在3處接線錯誤和1處圖紙設計錯誤。

這4處錯誤主要為：

1) 66 kV電能質(zhì)量在線監(jiān)測柜至公共測控柜接線(1YYH-117O)一側(cè)線標(L630/1YYH-117O與N600/1YYH-117O)套反，而施工按照圖紙和線標接線，導致L端與N端接反。

2) 66 kV電能質(zhì)量在線監(jiān)測柜至故障錄波柜接線(1YYH-117B)一側(cè)線標(L630/1YYH-117B與N600/1YYH-117B)套反，而施工按照圖紙和線標接線，導致L端與N端接反。

3) PT匯控柜側(cè)，根據(jù)竣工藍圖，開口三角引出線N端接在了X16端子排的第55端子上(見圖3)，但此接法與PT生產(chǎn)廠家提供的原理圖不符。經(jīng)過與設計院核實后發(fā)現(xiàn)，此為設計圖紙的設計錯誤。

4)根據(jù)竣工藍圖的要求，PT二次側(cè)繞組所有的N端應是在繼電保護盤柜處統(tǒng)一接地，而實際上卻未按圖紙要求接線，PT二次側(cè)繞組所有的N端是在PT匯控柜側(cè)接地；并且擊穿保險未串入回路，其兩端的接線直接在其下端的接線柱上短接，如圖4所示；開口三角繞組的N端通過X16端子排的第54、55、56端子短接并接地，如圖3所示。

圖3 電站PT匯控柜錯誤接線圖Fig. 3 Wrong wiring diagram of PT exchange control cabinet

前文提到的1YYH-117O和1YYH-117B的接線錯誤與此次故障直接相關(guān)，錯誤的接線導致PT二次側(cè)開口三角的L端和N端在繼電保護盤柜內(nèi)接反。按照圖紙，PT二次側(cè)所有的N端應短接在一起，但實際上的接線卻是利用短接片短接在一起，如圖5和圖6所示，因此，是由于L端和N端接反才導致二者短接在一起。

圖5 電能質(zhì)量在線監(jiān)測柜內(nèi)并聯(lián)短接片F(xiàn)ig. 5 Parallel short bar in power quality online monitoring cabinet

因為錯誤的接線，PT二次側(cè)開口三角的L線和N線短接，形成回路，如圖7中的藍線部分所示。

圖6 故障錄波柜內(nèi)并聯(lián)短接片F(xiàn)ig. 6 Parallel short bar in fault recorder

圖7 PT二次側(cè)的錯誤接線示意圖Fig. 7 Wrong wiring diagram of PT secondary side

當電網(wǎng)正常，PT二次側(cè)開口三角繞組處于短路狀態(tài)時，即使電壓很小(故障排除后，實測值為0.6 V)，流過PT二次側(cè)開口三角繞組的電流也會很大。開口三角繞組及其二次側(cè)回路一直在發(fā)熱，長期運行后會造成PT二次側(cè)開口三角繞組絕緣損壞。

PT燒毀故障發(fā)生的當天天氣晴朗，故障發(fā)生在13:35～13:40之間，由于此時間段的環(huán)境溫度較高，長期的短路運行發(fā)熱使PT的工作溫度突破臨界點，最終導致燒毀故障的發(fā)生。

再次更換新PT后，對所有接線錯誤進行了糾正，更改接線后的PT二次側(cè)的正確接線示意圖如圖8所示。

圖8 PT二次側(cè)的正確接線示意圖Fig. 8 Correct wiring diagram of PT secondary side

使用繼電保護測試儀對PT二次側(cè)施加電壓進行實驗，各個數(shù)據(jù)均正常。通電后，66 kV零序電壓為0.658 V，其在正常范圍內(nèi)，如圖9所示。

圖9 繼電保護測試儀顯示的零序電壓Fig. 9 Zero sequence voltage displayed on relay protection tester

使用萬用表測量繼電保護盤柜處開口三角電壓，為0.659 V，如圖10所示。該值與繼電保護測試儀顯示的電壓基本一致，這說明PT二次側(cè)開口三角回路接線正常。

圖10 繼電保護盤柜實測的開口三角電壓Fig. 10 Real open triangle voltage measured at relay proteotion cabinet

3 防范措施

本文所述的66 kV GIS設備PT燒毀故障是因為PT二次側(cè)開口三角短路導致的，由于故障潛伏時間長且隱蔽，造成故障原因分析困難重重。該故障起因于設計和施工時的錯誤，應從設計和施工時加強防范，規(guī)避錯誤的發(fā)生；在后期的電站運維過程中，也應做好定期的設備檢修和檢查，以排除重大隱患。

3.1并網(wǎng)前PT二次側(cè)回路的檢查

在并網(wǎng)前設備試驗時，一定要保證繼電保護試驗到位。使用繼電保護測試儀在PT匯控柜側(cè)分別對PT的第一繞組、第二繞組和開口三角繞組施加電壓信號?？蓞⒖家韵虏僮鞑襟E，以排查開路、混接、短路的情況：

1)使用繼電保護測試儀對第一繞組的A、B、C三相分別相施加10、20、30 V電壓，從監(jiān)控盤柜對應的信號接線端子測量電壓值并與繼電保護測試儀上的三相二次電壓值比對。正常情況下，A、B、C三相的二次電壓應與繼電保護測試儀上顯示的值一致；若一致，則可排除PT二次側(cè)第一繞組外圍線路開路存在問題的情況。該操作最好對PT的接線盒或PT匯控柜內(nèi)的繞組接線施加電壓，以便盡可能多地覆蓋接線。對第二繞組采取相同的操作，驗證第二繞組外圍線路是否正常。

2)對未施加電壓的繞組也應從監(jiān)控系統(tǒng)中進行檢查，確保無電壓值，以便排除線路混接的情況。

3)對開口三角繞組施加一定的電壓值，比如10 V，再從繼電保護盤柜對應的信號接線端子測量電壓值，并與繼電保護測試儀上的外接零序電壓值進行比對，三者數(shù)據(jù)應一致；而其他未施加電壓的繞組不應有電壓值。

3.2 投運后PT二次側(cè)回路的檢查

在運行檢修時，對PT二次側(cè)相關(guān)線路進行仔細檢查，也可以排查出PT二次側(cè)開路、短路的問題：

1)對所有接入PT信號的監(jiān)控設備讀取二次側(cè)電壓參數(shù)，并與繼電保護盤柜內(nèi)接線端子上實測的電壓值進行對比，這2個數(shù)值應該一致。

2)正常情況下，開口三角電壓在1～5 V之間，如果數(shù)值是零，則很有可能是二次側(cè)有開路、短路情況發(fā)生，此時應對二次側(cè)接線進行細致地排查。

3)擊穿保險會在過壓時擊穿，擊穿后直接接地，此時回路中會多1個接地點。因此，要定期檢查擊穿保險是否被擊穿，避免因擊穿保險被擊穿造成的PT二次側(cè)兩點接地而引起的監(jiān)控系統(tǒng)誤報故障。

4 結(jié)論

本文對某光伏電站66 kV GIS設備的PT燒毀原因進行了分析，結(jié)果顯示，此次66 kV GIS設備的PT燒毀故障原因是PT二次側(cè)開口三角短路造成的。

PT二次側(cè)接線多且連接復雜，二次側(cè)繞組不能短路，在設計、施工、檢修中稍有疏忽就容易出現(xiàn)問題，尤其是開口三角繞組，正常時二次側(cè)電壓非常小，因此故障隱蔽且潛伏時間長，容易誤判，排查難度高。

高壓側(cè)PT出現(xiàn)故障會造成整個光伏電站無法發(fā)電，導致出現(xiàn)重大的發(fā)電量損失。因此在光伏電站的建設期應做好通電試驗，確保PT二次側(cè)信號正確無誤；在運維期內(nèi)，應做好定期的檢修和排查，排除PT二次側(cè)線路故障，避免因PT二次側(cè)的線路錯誤造成PT故障而導致全電站停運，影響發(fā)電量。