基于東南亞熱帶季風(fēng)氣候下光伏箱變的故障處理

劉 瑞，楊 玲

（中國(guó)電建集團(tuán)海外投資有限公司，北京）

引言

光伏并網(wǎng)電站建設(shè)有別于火電廠、水電廠，對(duì)電氣設(shè)備要求也很高，從傳統(tǒng)意義上雖然脫離了人工值守維護(hù)，降低了生產(chǎn)成本，但同時(shí)在熱帶季風(fēng)氣候下對(duì)光伏箱式變電站的需求和質(zhì)量要求也提升到了全新高度[1]。

箱式變壓器（以下簡(jiǎn)稱“箱變”）是整個(gè)光伏電站中的重要設(shè)備，其可靠穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到光伏電站的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。在箱變帶缺陷、超溫運(yùn)行及冷卻不合格等情況下，變壓器油溫、絕緣等都會(huì)出現(xiàn)異常，影響設(shè)備安全運(yùn)行。

1 項(xiàng)目設(shè)備情況

2022 年6 月，業(yè)主與箱變生產(chǎn)廠家簽訂關(guān)于東南亞某光伏項(xiàng)目共7 臺(tái)歐式箱變的供貨合同，箱變選用油浸式自然冷卻組合式變壓器，于2022 年10 月份7 臺(tái)箱變運(yùn)輸?shù)巾?xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝調(diào)試工作，其中含5 712 kVA 箱變3 臺(tái)，3 264 kVA 箱變4 臺(tái)。

2 發(fā)生的典型故障及處理

2.1 項(xiàng)目所在地因終年處于高溫環(huán)境，箱變的運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣和復(fù)雜。自項(xiàng)目并網(wǎng)以來(lái)，容量3 264 kVA 箱變共計(jì)發(fā)生11 次箱變超溫跳閘。

標(biāo)準(zhǔn)DL/T 572-2021《電力變壓器運(yùn)行規(guī)程》中5.3.1 條規(guī)定“自然循環(huán)冷卻的變壓器的頂層油溫一般不宜經(jīng)常超過(guò)85 ℃”。箱變事故后油樣送電力部實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)報(bào)告，CO2數(shù)據(jù)異常（約為正常值10 倍），其他烴類數(shù)值亦偏高。絕緣油的散熱和絕緣性能嚴(yán)重下降，進(jìn)一步導(dǎo)致H2，C2H2及總烴等特征氣體超標(biāo)。隨即增加取樣頻率，發(fā)現(xiàn)特征氣體持續(xù)增長(zhǎng)，其中H4箱變絕緣油在最近一次的化驗(yàn)結(jié)果為：C2H2含量226.82 μL/L，H2含量768.56 μL/L，總烴含量11 559.11 μL/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)程所要求的注意值，此箱變已無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。如果長(zhǎng)期高溫運(yùn)行會(huì)對(duì)變壓器固體絕緣造成不可逆的損傷，形成惡性循環(huán)，最后發(fā)展為局部放電、電弧放電、電火花放電等引起絕緣損壞，引發(fā)安全生產(chǎn)事故[2]。技術(shù)人員對(duì)出廠試驗(yàn)報(bào)告直流電阻值及最近一次預(yù)防性試驗(yàn)報(bào)告直流電阻值進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 整改前箱站運(yùn)行情況

2.1.1 原因分析

DL/T 596-2021《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定油浸式電力變壓器的繞組直流電阻：1 600 kVA 以上容量的變壓器，各相繞組電阻相間的差別不應(yīng)大于三相平均值的2 %，無(wú)中性點(diǎn)引出的繞組線間差別不應(yīng)大于三相平均值的1 %；與以前相同部位測(cè)得值比較，其變化不應(yīng)大于2 %。對(duì)比箱變出廠試驗(yàn)報(bào)告，箱變繞組直流電阻基本一致，三相平衡率滿足規(guī)程要求，可認(rèn)為箱變內(nèi)部無(wú)繞組的匝間短路。

3 264 kVA 箱站高溫跳閘主要原因系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分不合理，未考慮通風(fēng)散熱，變壓器室內(nèi)未形成有效風(fēng)道，變壓器本身無(wú)問(wèn)題。此項(xiàng)目變壓器設(shè)計(jì)溫升為46～48 k,考慮到制作工藝等誤差，實(shí)際溫升按50 k計(jì)算?，F(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，設(shè)置跳閘值為85 ℃，按照溫升推算，變壓器室溫度不能超過(guò)35 ℃。在中午時(shí)段滿發(fā)的時(shí)間段，現(xiàn)場(chǎng)室外環(huán)境溫度達(dá)35 ℃左右，由于變壓器室未形成有效風(fēng)道，內(nèi)部熱量無(wú)法排除，變壓器室溫度可達(dá)44 ℃，已超出變壓器正常運(yùn)行溫度范圍，發(fā)生超溫跳閘。

2.1.2 處理措施

總體思路：現(xiàn)對(duì)箱變通風(fēng)方案進(jìn)行調(diào)整，在箱變基礎(chǔ)上開(kāi)通風(fēng)孔，加大變壓器室上部風(fēng)機(jī)功率，同時(shí)在變壓器片散及箱站側(cè)面增加散熱風(fēng)扇，對(duì)所有風(fēng)機(jī)增加報(bào)警回路，進(jìn)而解決變壓器超溫跳閘問(wèn)題。

（1） 在箱站基礎(chǔ)上開(kāi)通風(fēng)窗并增加通風(fēng)格柵。通風(fēng)柵位于基礎(chǔ)側(cè)面靠上位置（避免雨水進(jìn)入），通風(fēng)窗尺寸為200*400 共12 個(gè)，位置見(jiàn)圖1。

圖1 箱變基礎(chǔ)通風(fēng)格柵施工圖

（2） 將箱變外殼變壓器室中部2 只百葉窗及風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換。更換后的百葉窗規(guī)格738*565*35 mm；風(fēng)機(jī)型號(hào)為400FZY2-D。

（3） 箱變外殼變壓器室兩邊4 只風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換，并添加防雨罩。更換后的新的風(fēng)機(jī)安裝板尺寸：680*509*20 mm，風(fēng)機(jī)型號(hào)為TG28080HA2B-C。

（4） 變壓器片散下部增加風(fēng)機(jī)。每側(cè)增加3 個(gè)風(fēng)機(jī)，共計(jì)6 個(gè)。風(fēng)機(jī)型號(hào)為TG28080HA2B-C。

（5） 散熱風(fēng)機(jī)的電氣回路接線及報(bào)警回路接線。按照?qǐng)D紙，對(duì)變壓器室風(fēng)機(jī)進(jìn)行接線；將低壓柜內(nèi)的風(fēng)機(jī)散熱電氣回路進(jìn)行整改，增加過(guò)欠流繼電器，匯總變壓器室風(fēng)機(jī)電源（接觸器只取其中兩相電，電源取相時(shí)需避開(kāi)UPS 電源所使用的那一相），將過(guò)欠流繼電器的報(bào)警信號(hào)接到端子排上預(yù)留的測(cè)控開(kāi)入回路端子，并對(duì)過(guò)欠流繼電器的保護(hù)值調(diào)整，見(jiàn)表2。

表2 增加風(fēng)機(jī)的位置和容量

2.1.3 3 264 kVA 箱站已經(jīng)整改，整改后的箱變油溫降溫效果明顯，整改效果見(jiàn)圖2、圖3 和表3。

圖2 變壓器片散下部加裝風(fēng)機(jī)

圖3 變壓器室上部更換大排量量風(fēng)機(jī)

表3 整改后箱站運(yùn)行情況

2.2 箱變低壓框架斷路器發(fā)生跳閘

（1） 外觀檢查：現(xiàn)場(chǎng)人員巡視發(fā)現(xiàn)某箱變的低壓柜外門處于開(kāi)啟狀態(tài)，且伴有明顯放電聲響，經(jīng)檢查，低壓側(cè)燒毀，低壓框架斷路器接地保護(hù)動(dòng)作，高壓開(kāi)關(guān)柜過(guò)流一段跳閘：箱變低壓側(cè)三相銅排端部有放電痕跡，箱變外殼內(nèi)壁及塑殼斷路器殼體有碳黑現(xiàn)象，塑殼斷路器上口分支銅排有金屬斑點(diǎn)。

（2） 直阻測(cè)試：現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變壓器直流電阻進(jìn)行了2次測(cè)試，相間差均未超過(guò)2%，直阻測(cè)試結(jié)果正常。

（3） 帶電凈距：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，除塑殼斷路器上口進(jìn)線分支銅排的相間距外，匯流銅排間、匯流銅排端部和外殼、匯流銅排和低壓柜內(nèi)鋼構(gòu)件的最小距離均滿足經(jīng)海拔修正后的最小電氣安全凈距要求。

具體測(cè)算為：根據(jù)GB 50053-2013《20 kV 及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》，該項(xiàng)目站址1 kV 及以下裸帶電部分至接地部分和不同的裸帶電部分間最小電氣安全凈距A 值不應(yīng)大于：

A≤20×［1+1%×（1 400-1 000）］=20.8 mm

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量箱變低壓柜內(nèi)3 處帶電距離：

（a）主干銅排A 相螺栓和B 相相間最小距離：

41 mm；

（b）主干銅排C 相端部和外殼間最小距離：

80 mm；

（c）主干銅排C 相端部和低壓柜內(nèi)鋼構(gòu)件斜向最小距離：60 mm。

2.2.1 原因分析

經(jīng)過(guò)箱變側(cè)、升壓站側(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和故障濾波器記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，根據(jù)升壓站故障錄波記錄儀記錄的電流峰值，經(jīng)電流互感器變比折算，反算至箱變低壓側(cè)后，該電流超過(guò)了框架斷路器短路瞬時(shí)保護(hù)整定電流值，并在框架斷路器額定開(kāi)斷電流能力之內(nèi)，因此箱變低壓框架斷路器發(fā)生跳閘。

經(jīng)檢查，箱站低壓側(cè)一路逆變器誤接線（超過(guò)150 A 的逆變器電流接到預(yù)留63 A 的通訊載波回路處），導(dǎo)致塑殼開(kāi)關(guān)上口導(dǎo)線長(zhǎng)時(shí)過(guò)載時(shí)間在一個(gè)月以上，引起導(dǎo)線絕緣老化，產(chǎn)生對(duì)地短路后演變?yōu)橄嚅g短路，最終導(dǎo)致開(kāi)關(guān)跳閘。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，低壓柜體在廠內(nèi)的設(shè)計(jì)明顯不合理，未考慮安全距離包括電氣間隙（空間距離）、爬電距離（沿面距離）、飛弧距離，絕緣部分不合格，銅排未做倒角處理。

2.2.2 處理措施

（1） 對(duì)變壓器進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，測(cè)試項(xiàng)目包括：絕緣電阻、電壓比及聯(lián)結(jié)組別（變比）、直流電阻、工頻耐壓、空載測(cè)量、油試驗(yàn)。

（2） 故障箱站的碳漬清理，銅排進(jìn)行修復(fù)，導(dǎo)線更換，與主母排直接連接的800 V 及以上電壓端子選擇滿足安全距離和額定電壓的端子，做耐壓試驗(yàn)。

（3） 對(duì)取電塑殼上口曾過(guò)載過(guò)的導(dǎo)線進(jìn)行更換，防止因?qū)Ь€漏電再次產(chǎn)生故障。

（4） 低壓主母排尖端處最容易放電，對(duì)所有低壓母排尖角進(jìn)行人工打磨，進(jìn)行銅排倒角工藝處理，避免出現(xiàn)尖端放電現(xiàn)象，同時(shí)在母線橋、低壓柜主排和分支銅排搭接處加裝熱縮盒。

（5） 母線夾與安裝梁之間需增加絕緣板，在銅排位置，絕緣板比安裝梁大15 mm，以加強(qiáng)此處絕緣，避免母線對(duì)安裝梁放電擊穿。

2.2.3 整改效果

變壓器已完成試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格，其中：變壓器繞組匝數(shù)比正常，內(nèi)部無(wú)短匝、少匝現(xiàn)象；變壓器直流電阻正常，內(nèi)部無(wú)斷線、短接現(xiàn)象；變壓器空載送電電流正常，內(nèi)部無(wú)短路點(diǎn)；變壓器絕緣電阻正常，繞組間及地?zé)o短接點(diǎn)，未出現(xiàn)繞組及引線對(duì)鐵心、外殼間的移位接觸；變壓器油外觀、介損正常，絕緣油性能未見(jiàn)漂浮顆粒、碳化物、污染劣化，本體內(nèi)部繞組未見(jiàn)絕緣受損碳化現(xiàn)象；工頻耐壓試驗(yàn)正常，繞組絕緣系統(tǒng)工作正常，未見(jiàn)絕緣受損導(dǎo)致耐電強(qiáng)度下降現(xiàn)象。

2.3 其他的典型問(wèn)題及處理

（1） 問(wèn)題：容量為5 712 kVA 箱變門為網(wǎng)門，網(wǎng)眼過(guò)大，不能防止蛇鼠進(jìn)入；變壓器室地板非全封閉設(shè)計(jì)雨水流進(jìn)地基后無(wú)法排出，存在安全隱患問(wèn)題。

處理措施：在箱站增加防蚊蟲鐵絲網(wǎng)。并使用壓條進(jìn)行絲網(wǎng)固定。變壓器室底板增加擋水條，使得雨水從網(wǎng)門處流出。同時(shí)考慮到增加防蚊蟲鐵絲網(wǎng)會(huì)對(duì)變壓器室通風(fēng)產(chǎn)生阻隔，在變壓器室內(nèi)增加一臺(tái)側(cè)吹風(fēng)機(jī)加強(qiáng)變壓器室散熱能力。

（2） 問(wèn)題：原設(shè)計(jì)方案中只有A C 兩相電流互感器，無(wú)法滿足B 相電流采集。

處理措施：為保證現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量準(zhǔn)確性，在框架斷路器上口連接變壓器部位增加B 相互感器及相關(guān)接線。

2.4 問(wèn)題總結(jié)

這批箱變?cè)诎惭b、調(diào)試和運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了很多問(wèn)題，其中影響光伏項(xiàng)目安全穩(wěn)定運(yùn)行的典型問(wèn)題主要有：項(xiàng)目在時(shí)間短、任務(wù)重的情況下出現(xiàn)設(shè)計(jì)不合規(guī)范、受限現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件的問(wèn)題[3]，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分不合理，未考慮通風(fēng)散熱；低壓柜體設(shè)計(jì)不合理，未考慮安全距離、爬電距離、飛弧距離；絕緣部分不合格；一次設(shè)計(jì)不合理，銅排未做倒角處理；部分元器件選型不合格；內(nèi)部制造工藝較粗糙。

3 結(jié)論

為防止在東南亞熱帶季風(fēng)氣候下的其他光伏項(xiàng)目的箱變?cè)O(shè)備發(fā)生類似故障，建議：

3.1 在箱變的設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)一步做好以下部分的優(yōu)化工作：

（1） 內(nèi)部通風(fēng)部分的優(yōu)化，不讓內(nèi)部溫度過(guò)高，保證絕緣油的散熱和絕緣性能。

（2） 低壓柜體部分的優(yōu)化，充分考慮安全距離、爬電距離、飛弧距離。低壓主母排帶電體對(duì)地安全距離不小于30 mm，如不滿足30 mm 時(shí)，需要考慮復(fù)合絕緣；主母排端頭母線夾處若有金屬側(cè)邊，需增加絕緣板。

（3） 一次元件工藝的優(yōu)化，銅排和絕緣需要進(jìn)一步處理，防止放電現(xiàn)象方式。

3.2 設(shè)備選型的時(shí)候盡量選擇華變，盡可能不選擇歐變。

3.3 在箱變?cè)骷倪x擇上盡量選擇知名品牌。

3.4 易損件盡量多備一些備件。