光伏電站箱變色譜普測(cè)現(xiàn)狀與問題分析

楊彥肖 ,解少朝 ,許振華 ,孫聆菱

(1.河北冀研能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,河北 石家莊 050051;2.北京鑫泰綠能科技有限公司,北京 100000)

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出,國(guó)家能源戰(zhàn)略政策調(diào)整逐步實(shí)施,作為新能源行業(yè)的光伏發(fā)電近年來在一系列政策的支持下快速發(fā)展,根據(jù)能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃,2018-2020年我國(guó)分布式光伏每年裝機(jī)量要超過10 GW。隨著裝機(jī)容量的快速增多,電站的運(yùn)營(yíng)維護(hù)情況直接影響著發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在光伏電站的日常維護(hù)中,對(duì)光伏組件、逆變器等關(guān)注度較高,認(rèn)為變壓器問題相對(duì)較少。

光伏箱變是連接光伏發(fā)電并網(wǎng)端電量輸出的重要電力樞紐,運(yùn)行中一旦發(fā)生故障,會(huì)對(duì)發(fā)電量造成影響,從而影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于充油設(shè)備絕緣油色譜分析是發(fā)現(xiàn)變壓器故障的有效手段,2018年抽檢了某企業(yè)分布在全國(guó)范圍內(nèi)的19個(gè)光伏電站的203個(gè)箱變色譜,通過色譜分析發(fā)現(xiàn)了光伏電站箱變潛在的一系列問題,針對(duì)這些問題進(jìn)行了解析,應(yīng)引起光伏運(yùn)維人員的關(guān)注,為光伏電站在相關(guān)方面的運(yùn)行維護(hù)提供參考。

2 光伏箱變色譜抽檢普測(cè)情況

2018年抽檢19個(gè)光伏電站203個(gè)箱變,電站運(yùn)行年限基本在3～4 年,抽樣送檢率33%～50%,箱變色譜普測(cè)結(jié)果僅有3個(gè)站色譜檢測(cè)無問題,其余均有超標(biāo)現(xiàn)象,統(tǒng)計(jì)情況如下:

a.以氫氣超標(biāo)最為突出,檢出氫氣超標(biāo)為66臺(tái),超標(biāo)率為32%;部分為氫氣和總烴同時(shí)超標(biāo),總烴超標(biāo)為33臺(tái),超標(biāo)率為16%;單乙炔超標(biāo)為2臺(tái),超標(biāo)率為1%。

b.本次普測(cè)還發(fā)現(xiàn)色譜超標(biāo)問題有家族聚集現(xiàn)象,其中有7個(gè)電站的箱變抽檢,色譜超標(biāo)率超過50%,有1個(gè)站超標(biāo)率甚至達(dá)到100%。并且部分超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重,氫氣最高達(dá)33 373.82,總烴最高為5 827.83,DL/T 722規(guī)定均不超過150。

3 色譜超標(biāo)情況分析

充油設(shè)備在運(yùn)行過程中,油/絕緣材料在溫度、電場(chǎng)和催化劑等多種因素作用下,會(huì)逐漸老化和分解,產(chǎn)生少量的各種低分子烴類及氫氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體,若存在過熱或放電缺陷,就會(huì)加快分解產(chǎn)生某些特征氣體的速度,根據(jù)油中溶解的特征氣體分析判斷充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障類型和發(fā)展趨勢(shì)。故障特征氣體的產(chǎn)生除與生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)條件、方式密切相關(guān)外,還與充油設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生產(chǎn)工藝、安裝處理工藝等因素有關(guān)。針對(duì)本次色譜普測(cè)的結(jié)果,根據(jù)特征氣體判斷法和三比值法以及各站呈現(xiàn)出來的特點(diǎn)情況進(jìn)行故障及原因分析。

3.1 單氫超標(biāo)

3.1.1 超標(biāo)情況

a.變壓器油使用石蠟基油,石蠟基在制造過程中常采用“加氫脫蠟”工藝,在石蠟基油中會(huì)存有一定量的氫氣,所以采用石蠟基油為絕緣油的箱變?cè)谶\(yùn)行中可能會(huì)有氫氣超標(biāo)的現(xiàn)象出現(xiàn)。

b.設(shè)備在生產(chǎn)制造過程中,干燥工序不嚴(yán),變壓器內(nèi)部干燥不徹底,絕緣材料中含有水分,或設(shè)備密封不嚴(yán)受潮進(jìn)水,水分與變壓器內(nèi)部鐵部件發(fā)生反應(yīng)放出氫氣。

c.變壓器中某些材料新的不銹鋼部件中如奧式不銹鋼、碳素鋼中也可能在加工、焊接過程中吸附氫氣,真空處理也無法完全去除,設(shè)備中某些油漆(醇酸樹脂)遇油中的溶解氧在某些不銹鋼的催化下,可能生成大量的氫氣。

d.變壓器在制造過程中工藝原因固體絕緣處理不好,繞組輕微松動(dòng)等以及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理,選材不合理等導(dǎo)致輕微的過熱產(chǎn)生氫氣。

3.1.2 原因判斷

對(duì)于本次普測(cè)中出現(xiàn)的單純氫氣超標(biāo)現(xiàn)象,其中有80%伴隨不同程度的烴類特征氣體出現(xiàn),有部分總烴雖然不超標(biāo)但已接近臨界值,甚至有相當(dāng)部分出現(xiàn)了乙炔,對(duì)于這部分箱變需要根據(jù)特征氣體法和三比值法進(jìn)行故障分析,并且加強(qiáng)監(jiān)測(cè),如果氣體增長(zhǎng)速率過大,故障嚴(yán)重的話要果斷采取措施;對(duì)于第二種情況烴類特征氣體含量不大可以進(jìn)行濾油處理,如果不是聚集型的,可以排除a.中油質(zhì)本身的問題,本次普測(cè)除了色譜也同時(shí)進(jìn)行了水分、介損和耐壓的檢測(cè),如果其他三項(xiàng)均合格,可以排除。b.中水分和受潮的影響,如果是c.中的情況投運(yùn)初期氫氣增長(zhǎng)較快,到一定階段會(huì)穩(wěn)定下來,通過濾油后能恢復(fù)正常,對(duì)于找不到以上原因,烴類氣體沒有變化,氫氣增長(zhǎng)速率不大,油中溶解氣體未達(dá)飽和,可以通過濾油監(jiān)測(cè)運(yùn)行。NMG1和HY 單氫超標(biāo)數(shù)量達(dá)到了80%,屬于系統(tǒng)性缺陷應(yīng)聯(lián)系設(shè)備廠家從制造工藝和安裝工藝查找原因。

3.2 氫氣和總烴雙超標(biāo)

3.2.1 超標(biāo)情況

對(duì)于氫氣和總烴雙超標(biāo)的情況以典型的JL站和GX 站部分?jǐn)?shù)據(jù)來進(jìn)行分析,JL 站色譜超標(biāo)樣品數(shù)量達(dá)到了抽檢數(shù)量的90%,GX 站部分箱變色譜顯示氫氣和烴類氣體產(chǎn)生量大,超標(biāo)嚴(yán)重,GX 站和JL站詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 GX站部分色譜分析數(shù)據(jù) μL/L

表2 JL站色譜數(shù)據(jù) μL/L

3.2.2 原因判斷

對(duì)故障箱變色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,三比值編碼見表3。

從三比值編碼類型判斷,JL 站2 號(hào)箱變和GX 站7號(hào)箱變?yōu)楦邼?、毛刺、雜質(zhì)等引起的低能量局部放電,其余箱變均為高能量密度的局部放電故障,引起此類故障通常的原因有繞組層間、匝間放電,相間閃絡(luò),分接引線間油隙閃絡(luò)等。接觸過幾起類似的缺陷,經(jīng)局部放電試驗(yàn)和解體檢查,原因多為產(chǎn)品制造過程中工藝控制不嚴(yán),繞組接引不良,包扎等工藝不過關(guān),有褶皺,運(yùn)行時(shí)電場(chǎng)分布不均勻,或有氣隙放電。結(jié)合對(duì)特征氣體進(jìn)行分析,箱變特征氣體主要為氫氣、甲烷、乙烷,存在有過熱性故障,實(shí)際上可能會(huì)有過熱和局部放電故障復(fù)合存在。JL 站故障率較高且都為過熱伴放電性故障,有家族性缺陷的嫌疑,應(yīng)立即進(jìn)行停運(yùn)檢查并聯(lián)系設(shè)備廠家查找設(shè)備制造問題,GX故障箱變也為放電性故障,故障較為嚴(yán)重,應(yīng)立即停運(yùn)檢修。

表3 色譜故障三比值編碼結(jié)果

3.3 整體情況分析

按照3.2的特征氣體和三比值法對(duì)所有色譜超標(biāo)的箱變共69臺(tái)進(jìn)行了故障分析,故障類型統(tǒng)計(jì)情況為低能放電1臺(tái)、局部放電6臺(tái)、高溫過熱1臺(tái)、低溫過熱13臺(tái)、高能量放電48臺(tái)。

統(tǒng)計(jì)來看,本次光伏箱變色譜普測(cè)分析色譜超標(biāo)的故障中較為嚴(yán)重的高能放電性故障占比最大,這些設(shè)備應(yīng)立即進(jìn)行檢修維護(hù)。在運(yùn)行3～4年的光伏充油箱變?cè)O(shè)備中出現(xiàn)高達(dá)34%的潛伏性故障問題且故障多為較為嚴(yán)重的放電性故障,這會(huì)給運(yùn)行檢修工作增加一定的難度,如果故障處理不及時(shí)可能會(huì)發(fā)展成更為嚴(yán)重的事故,將給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失,值得引起關(guān)注,更為值得注意的是光伏箱變色譜檢出故障設(shè)備有一定的聚集性,即一些站的設(shè)備故障率較高,需要考查這些站上所用廠家批次的設(shè)備是否存在缺陷。

4 原因分析及對(duì)策

由于近年來光伏發(fā)電的迅猛發(fā)展,尤其是趕超“6.30”、“12.31”的時(shí)間節(jié)點(diǎn),許多項(xiàng)目工期時(shí)間短,對(duì)設(shè)備質(zhì)量工藝及施工安裝把控不嚴(yán),投運(yùn)前沒有按規(guī)程進(jìn)行驗(yàn)收,可能部分在投運(yùn)前就有超標(biāo)現(xiàn)象,濾油不徹底導(dǎo)致運(yùn)行普檢發(fā)現(xiàn)的問題較多。

箱變型號(hào)種類和生產(chǎn)廠家眾多,質(zhì)量良莠不齊,設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理、繞組及絕緣材料選擇不當(dāng)、安裝工藝不良均會(huì)造成色譜超標(biāo),不加以整改長(zhǎng)期帶此缺陷運(yùn)行會(huì)造成設(shè)備擊穿等事故的發(fā)生。箱變繞組的結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)電壓等級(jí)及容量進(jìn)行合理設(shè)計(jì),增強(qiáng)工藝控制力度,嚴(yán)格出廠投運(yùn)前試驗(yàn),有資料顯示35 kV 變壓器局部放電試驗(yàn)局部放電量小于500 pC 時(shí),變壓器運(yùn)行一段時(shí)間后,油色譜基本沒有超標(biāo)的,而對(duì)于局部放電量大于1 000 pC 的變壓器運(yùn)行一段時(shí)間后,油色譜超標(biāo)現(xiàn)象較多,因此建議變壓器在出廠前進(jìn)行局部放電試驗(yàn)。

針對(duì)色譜分析有放電的箱變進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)及分析有幾種典型情況。

a.光伏發(fā)電負(fù)荷變化很大,在大負(fù)荷情況下變壓器運(yùn)行震動(dòng),使繞組或其它零部件松脫、移位甚至脫落造成局部放電。

b.有些箱變相間直阻嚴(yán)重超標(biāo),開蓋檢查后發(fā)現(xiàn)有繞組脫落現(xiàn)象,局部有拉弧燒灼痕跡。

c.箱變低壓側(cè)為380～450 V 接逆變器運(yùn)行方式,部分電纜施工不嚴(yán)謹(jǐn)造成短路故障,低壓跳閘反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),箱變內(nèi)部低壓繞組產(chǎn)生短時(shí)拉弧。對(duì)這些問題公司及時(shí)進(jìn)行檢修維護(hù),加固零部件,更換不合格部件,檢修后對(duì)色譜超標(biāo)嚴(yán)重的變壓器油進(jìn)行更換。

光伏箱變運(yùn)行環(huán)境惡劣,南方漁光互補(bǔ)光伏電站箱變處于魚塘旁邊,箱變密封不嚴(yán)變壓器油長(zhǎng)期與濕度較大空氣接觸,受潮嚴(yán)重,這是部分氫氣超標(biāo)的一個(gè)原因;西北地區(qū)屬于林光互補(bǔ),箱變處于風(fēng)沙之中,有細(xì)沙塵混入。針對(duì)這一情況應(yīng)加強(qiáng)箱變的密封工藝,按規(guī)程進(jìn)行油色譜監(jiān)測(cè),增強(qiáng)濾油,避免受潮和雜質(zhì)污染造成嚴(yán)重故障。

光伏電站箱變數(shù)量龐大,運(yùn)維工作量大,運(yùn)行中對(duì)箱變的色譜檢測(cè)不及時(shí),一些輕微的過熱長(zhǎng)期帶病運(yùn)行可能會(huì)發(fā)展成嚴(yán)重的放電缺陷,建議對(duì)剩下未檢色譜的箱變進(jìn)行色譜全檢,對(duì)有問題的及時(shí)進(jìn)行檢修維護(hù)或加強(qiáng)監(jiān)測(cè),避免小故障進(jìn)一步演化成事故,帶來更大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)色譜普檢突出問題此公司已建立檢測(cè)制度每半年對(duì)色譜跟蹤檢測(cè)一次。

5 結(jié)束語

本次光伏電站充油箱變的色譜普測(cè)情況不容樂觀,由于設(shè)備質(zhì)量設(shè)計(jì)不合理、工藝不良、有些光伏分布特性運(yùn)行環(huán)境惡劣等原因?qū)е孪渥冇椭腥芙鈿怏w總體超標(biāo)率高達(dá)34%,且高能放電故障占比較高,在故障中占比達(dá)69.6%,故障設(shè)備有集中出現(xiàn)在某些站的情況,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)光伏充油箱變進(jìn)行色譜分析,根據(jù)色譜分析情況有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)備維護(hù),選擇優(yōu)質(zhì)光伏箱變?cè)O(shè)備,加強(qiáng)對(duì)設(shè)備生產(chǎn)監(jiān)造和安裝工藝的把控,嚴(yán)格出廠前和投運(yùn)前相關(guān)試驗(yàn),建議增加出廠前的局部放電試驗(yàn),把控好前期的各個(gè)環(huán)節(jié),防止在運(yùn)行中出現(xiàn)較多的嚴(yán)重故障,避免給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。