風電場35kV開關柜典型故障與防范措施

文 | 靳現林，雷啟龍，周建國

風電場35kV開關柜典型故障與防范措施

文 | 靳現林，雷啟龍，周建國

35kV開關柜是風電場的重要設備，具有結構緊湊、體積小、可靠性高、環境適應性強、噪聲小等特點，但風電場在設備選型、安裝和運行過程中，受低價中標、工藝不規范、運維不到位等的影響，相關設備質量常常得不到有效保證。在某些風電場，其優點不僅不能體現，反而成為故障頻發的主設備之一。35kV開關柜故障常常給風電場帶來重大損失，影響惡劣。本文在分析多起典型故障的基礎上，對故障暴露的缺陷進行了分類整理，指出在空氣絕緣距離檢測、輔助絕緣設置、工程驗收和運行管理等方面的工作重點。此外，本文還介紹了針對上述缺陷的整改方案。相關風電場改造后開關柜的穩定運行證明這些措施和方案是可行和有效的。

圖1 故障后的電纜室

35kV開關柜典型故障

一、電纜室銅排相間短路

運行中，某風電場#2主變保護A柜縱聯差動保護動作，35kV母線差動保護動作，#2主變高壓側202開關、低壓側302開關跳閘。故障后檢查發現302開關柜有少量煙霧冒出，且后柜門被崩開。進一步檢查發現302開關下口與主變低壓側進線CT之間的銅排發生了三相短路。該型開關柜在CT進線銅排的相與相之間增設了輔助絕緣，設置的方式是在A、B相和B、C相之間增添豎向布置的SMC絕緣板；同時，為固定絕緣板，在垂直于絕緣板的方向安裝了一根橫截面為矩形的貫穿水平梁。水平梁的材質是SMC，絕緣板通過直角絕緣件和塑料螺栓固定在水平梁上。故障中，距離短路點較近的絕緣隔板及水平支撐梁、CT及開關下口觸頭盒均被嚴重燒傷（圖1）。在圖1中輔助絕緣板已拆除，水平支撐梁未拆除。

通過查看故障波形文件和勘察故障設備，最終確定故障主要是由于輔助絕緣設置不合理，引發相間短路造成的。絕緣板在設計和安裝上存在以下缺陷：

（一）用于絕緣的SMC板，每塊均由2塊小板拼接而成，拼接采用打孔并螺栓連接的方式。這種方式的缺陷是，絕緣板打孔處積塵受潮后容易發生擊穿短路。

（二）貫穿的水平絕緣支撐梁為矩形，其上部水平面與裸導體之間的空氣絕緣凈距較?。s120mm），水平斷面在積灰后容易產生放電現象，為發生短路創造了條件。

（三）絕緣板安裝采用現場切割加工的方式，切割形成的斷面未做清潔和保護處理，松散和吸潮導致性能嚴重下降。

二、柜內母排對柜體放電

運行中，某風電場#8集電線328開關柜母線室內發生短路故障。故障起始為C相接地，200ms后發展為三相短路；發生三相短路0.7s后主變低壓側后備保護動作，主變低壓側301開關斷開，故障被切除。故障造成35kVⅡ段母線停運近兩天，損失嚴重。故障的直接原因是該開關柜母線室內三相母排對柜體的距離過小，不滿足國家能源局《防止電力生產事故的二十五項重點要求》中規定的最小距離（300mm），引起母線對開關柜柜體放電，導致故障發生。

發生故障的風電場35kV系統中性點為接地變加小電阻型式，電阻10s耐受電流400A。在單相接地發生后，柜內電弧容易穩定燃燒，使單相故障迅速發展為相間故障。故障錄波數據顯示，在單相接地故障發生后，未及接地變零序保護動作，故障就直接發展為三相短路。由于該風電場35kV母線保護尚未投入，最終由主變低壓側后備保護將故障切除。

本次故障暴露的缺陷主要有：

（一）為提高絕緣能力，該型開關柜在母線室內安裝了水平布置的絕緣板，但絕緣板的安裝細節處理不夠規范。絕緣板與裸露帶電體之間的距離過?。ú蛔?0mm），而且絕緣板為水平布置，極易積灰，從而導致放電。故障后，現場排查時發現無故障開關柜內積灰嚴重（圖2）；故障開關柜內拆下的絕緣板有多處放電痕跡（圖3）。

（二）母排連接處的絕緣包盒安裝不規范。母排相與相之間包盒的開口方向正對，其加強輔助絕緣的作用被嚴重削弱；有些包盒的開口方向直接朝向柜體邊角等易發生尖端放電的位置，而包盒開口只是通過幾個暗扣閉合，存在內外貫穿的氣隙，無法起到彌補空氣絕緣距離不足的作用。這些缺陷大大降低了包盒的使用效果，使之形同虛設。

（三）過高估計了包盒和熱縮套母排的絕緣能力，把輔助絕緣等同于絕緣件看待，未在輔助絕緣板和母排 熱縮套之間保留足夠的安全距離，導 致發生放電現象（圖4），在潮濕或鹽 霧天氣下，放電尤其嚴重。

圖2 母線室水平絕緣板積灰嚴重

圖3 絕緣板上放電痕跡

圖4 母線室放電點

（四）開關柜內部空間利用不合理。該開關柜為標準1.4米柜體，但內部空間劃分不合理，母線室整體偏小，加上母排規格較大，導致母排與柜體之間的空氣絕緣距離最小在275mm左右，而且距離偏小的點一般在母排螺栓、母排邊緣和柜體邊角、螺栓頂部之間，這些位置極易發生尖端放電。

圖5 故障后母線室

圖6 穿箱套管及屏蔽線

圖7 電暈放電

三、穿箱套管擊穿

某風電場#2接地變332開關柜內1只C相穿墻套管損壞，發生單相接地，持續6s后引發母線室內相間短路，故障最后由35kV母線差動保護動作切除，造成#2主變和所帶風電機組停運46小時，損失電量56萬千瓦時。事后檢查，確認故障的直接原因是C相套管擊穿，之后發展為AC相短路（圖5）。

該風電場35kV系統中性點為接地變加消弧線圈的型式，發生單相接地后，可以通過消弧線圈的投入降低故障點電流，使風電場繼續運行一段時間，為緊急處理故障贏得時間。而此次故障在短時間內發展為三相短路的原因是非故障相電壓升高后，因母排對柜體的距離偏小，引起母線對柜體放電而直接發展為三相故障。

故障暴露的缺陷與第二部分所述故障暴露缺陷基本相同。除此以外，穿箱套管屏蔽線（圖6）未與母排連接是引起故障的主要原因。

四、斷路器靜觸頭放電

正常運行中，巡視發現35kV配電室內PT柜有明顯放電聲響，且聲音異常，偶爾有連續的吱吱聲。緊急停電后檢查PT柜，發現B、C相靜觸頭盒處有明顯的放電點。拆下觸頭盒后進一步檢查，發現因潮氣和鹽霧比較大，在觸頭盒內部有多處生長有白色須發狀物質。通過上述現象判斷此次放電主要是濕度較大造成觸頭盒絕緣性能下降導致。更換新觸頭盒后，放電聲音未立即消除，運行一段時間后減弱直至消失。究其原因，主要是停電檢修期間，母線室濕度增大，運行一段時間后導體發熱，相對濕度下降，放電聲音才最終消除。

此次缺陷暴露了開關柜的一個設計問題。開關柜的頂蓋板處只有網狀格柵，極易進入灰塵，對長期運行不利。整改措施是在頂蓋板處另覆一塊實心鋁板，以提高柜體的防護能力。

五、進線電纜與過壓保護器產生表面電暈

風電場運行人員在進行例行夜間巡視時發現無功補償裝置311開關柜后有電暈現象。經檢查確認，電暈發生位置在C相進線電纜三指套位置與B相過電壓保護器之間，其產生原因主要是由于C相電纜與B相過電壓保護器距離較近造成的表面電暈?，F場采用在C相電纜處加裝35kV絕緣護套的方式臨時處理，電暈現象得以消除（圖7）。

除此以外，在例行安全檢查和驗收中，曾多次發現避雷器或過壓保護器的接引線因固定不牢固或固定位置不對導致相間距離過近的缺陷。該類缺陷如不及時消除，在運行中極易因過壓或長期放電等因素導致短路的發生。

缺陷整改與防范措施

針對上述故障暴露的各類缺陷，制訂了以下幾方面的缺陷整改方案和防范措施：

一、空氣絕緣距離

根據D L/T404-2007《3.6kV～40.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》（以下簡稱為DL/T 404-2007），純以空氣作為絕緣介質的金屬封閉開關和控制設備，相間和相對地的最小空氣間隙規定如下：相間和相對地不小于300mm，帶電體至門不小于330mm；當使用地點海拔超過1000m，則每增加100m，空氣絕緣凈距增加1%。

對空氣絕緣距離不足這一類缺陷的防范，重點在設計制造和出廠驗收環節，必須確保柜內各相間和相對地的距離滿足上述要求。在測量和驗收的過程中，尤其要注意導體端部和柜體螺絲端部、角鐵外沿等薄弱環節之間的距離。

對已經運行的不滿足空氣絕緣距離的設備，可通過設置輔助絕緣的方式解決。對不滿足要求而又不宜設置輔助絕緣的母線室，采取如下處理措施：（1）將各風電場原開關柜內所有母線上使用的35kV絕緣熱縮套管更換為瑞侃（BBIT max 36kV）絕緣熱縮套管；（2）母排搭接處（含緊固螺拴），拆除原有的35kV絕緣包盒，改用瑞侃熱縮膠帶（型號HVBT，單層耐壓17.5kV），手工纏三層后用噴燈對其加熱縮緊；（3）將母線銅排的剪切面打磨成圓角并去除毛邊。

二、輔助絕緣設置要求

從前文提及的幾次典型故障可以看出，輔助絕緣的設置不當也是引發開關柜故障的主要因素。對40.5kV開關柜，DL/T 404-2007中規定：以空氣和絕緣板組成的復合絕緣作為絕緣介質的金屬封閉開關設備和控制設備，帶電體與絕緣板之間的最小空氣間隙應不小于60mm。結合故障的經驗教訓，對運行條件比較惡劣的風電場，尤其灰塵、濕度、鹽霧等比較嚴重的地區，針對輔助絕緣的設置，在缺陷整改的過程中重點明確了以下幾項要求：

（一）柜中絕緣板水平支撐架必須與導體包括有絕緣熱縮套的導體保持不小于300mm的空氣凈距，并滿足當地海拔要求。

（二）對開關柜母線室和電纜室絕緣隔板的整改要求：將厚度為5mm的SMC 35kV絕緣隔板更換為8mm；取消水平布置的絕緣隔板；將貫穿ABC三相的水平支撐橫梁取消，直接從柜體上制作支架固定絕緣隔板；開關柜母線室內空氣絕緣凈距不足300mm的，使用8mm厚的SMC絕緣隔板加強絕緣。

（三）原絕緣隔板采用兩塊拼接形式的，統一改為使用整塊絕緣板。

（四）所有的絕緣隔板均加工成圓角，并在切割面上浸漬H級絕緣漆（型號為ET-90N的改性耐熱不飽和聚酯樹脂），以防吸潮。

35kV開關柜內均不同程度地存在輔助絕緣措施，為防止SMC絕緣板積塵受潮，引起爬電擊穿。在采購和驗收環節，為防范缺陷的產生，還應明確如下技術要求：

（一）豎立布置的絕緣板與裸導體空氣絕緣凈距應大于60mm。

（二）絕緣板水平面與裸導體之間要有不小于300mm空氣絕緣凈距。

（三）固定絕緣板的SMC絕緣橫梁，與裸導體之間要有不小于300mm空氣絕緣凈距。如不能滿足300mm要求，需改為其他固定方式，例如在絕緣板上下部做固定支架。

（四）應采用整張絕緣板。如采用兩塊絕緣板拼接，則與裸導體小于300mm范圍內不得有接縫、螺栓孔、水平斷面等不利情況。

（五）不應在裸導體下方及兩側小于300mm范圍內布置水平或傾斜的絕緣板。

（六）絕緣板厚度應滿足機械強度要求，一般不小于5mm。

三、其他要求

針對35kV開關柜故障暴露的問題，在其驗收和運行環節，還應做好以下幾方面的檢查：

（一）關注接地刀閘軟銅線的固定限位方式及所用材料的耐用性，其限位方式和材質不因接地刀閘的拉合而受到影響；接地刀閘在斷開后，軟銅線與帶電體應有不小于300mm空氣絕緣凈距。

（二）手車開關室的上下靜觸頭插口活動擋板應避免使用金屬材料，推薦使用滿足機械強度要求的SMC絕緣板，其目的主要是避免因金屬活動擋板與手車開關觸頭絕緣臂之間的局部放電引發故障。

（三）絕緣包盒安裝要規范，不同相包盒的開口方向應朝向同一側，不能正對，并且不宜直接朝向螺栓、角鐵邊角等位置。

（四）避雷器接線固定要牢固，與絕緣擋板的距離不應小于60mm，與其他相也需要保持足夠的安全距離。

（五）有條件的風電場宜安裝除濕機，改善運行環境。

（六）穿箱套管屏蔽線必須與母排可靠連接。

結語

35kV開關柜是風電場的重要設備，為防范故障的發生，在制造和驗收環節應重點從空氣絕緣距離測量、輔助絕緣設置、活動部件各工作位安全距離是否滿足要求等易發生故障的位置進行重點檢查。同時，還應根據國家能源局《防止電力生產事故的二十五項重點要求》的相關規定，開展開關柜的局放檢測等工作，才能及時發現缺陷，提高運行可靠性。

（作者單位：國華能源投資有限公司）