風力發(fā)電場35 kV避雷器故障分析

李卓賢，黃 坤

（寧波天安設備安裝工程有限公司，浙江 寧波 315700）

1 事故（故障）現(xiàn)象

某風力發(fā)電廠自2015年9月29日到12月24日，共5臺箱變發(fā)生避雷器爆破事件，分別為39#、34#、50#、23#和31#箱變，其中23#風機箱變損壞最為嚴重。如圖1所示，避雷器爆破導致高壓室門變形，高壓套管受損漏油，屏蔽電纜三指套上部10 cm處絕緣破損，箱變高壓側(cè)二次控制線及其計量表均嚴重損壞。變壓器油位嚴重不足，變壓器經(jīng)現(xiàn)場檢測B項繞組變比不合格，超出國家標準≤0.5%的要求，需返廠修理。

圖1 風機箱損壞圖

2 事故處置經(jīng)過

接到風電場箱變維修要求后，廠家先后5次抵達現(xiàn)場，對受損的39#、34#、50#、23#、31#和箱式變壓器進行現(xiàn)場預防性試驗和肘套型避雷器更換。其中，39#、34#、50#、31#和4臺箱式變壓器進行現(xiàn)場預防性試驗發(fā)現(xiàn)，其箱變試驗合格。將檢測完畢的新避雷器進行更換，發(fā)現(xiàn)39#、34#、50#、31#和4臺箱式變壓器具備送電條件。其中，因23#箱變高壓套管受損嚴重，出線套管漏油情況，23#箱式變壓器進行現(xiàn)場測試繞組變比超出國家標準≤0.5%的要求。23#箱式變壓器在現(xiàn)場無法完成檢修，需要返廠維修。

風電場為了盡快恢復線路風機發(fā)電召開緊急會議，決定更換一臺全新箱變，恢復風力發(fā)電線路。廠家對全新箱式變壓器進行現(xiàn)場安裝和調(diào)試，對安裝完畢的23#新箱式變壓器進行現(xiàn)場預防性試驗與多次產(chǎn)品調(diào)試，確認23#新更換的箱式變壓器具備送電條件，并直至39#、34#、50#、23#、31#和5臺箱變并網(wǎng)運行正常，并入風力發(fā)電系統(tǒng)中。

3 事故后的相關檢查和試驗

事故發(fā)生后，風電場領導高度重視，多次組織技術人員會同避雷器制造廠家對現(xiàn)場進行了勘察和討論分析，基本情況如下所述。

（1）從其他沒有受損的同一批投運的避雷器種抽取幾只送檢，檢測直流參考電壓和泄露電流等基本項目，判斷氧化鋅閥片的基本性能。圖2為氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)簡圖。檢測數(shù)據(jù)顯示，受檢避雷器閥片基本參數(shù)合格[1-4]。

圖2 氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)簡圖

（2）氫氧化鋅避雷器最大的缺點是，在大電流的沖擊力作用下，泄流過程中容易產(chǎn)生過熱而導致崩裂。

（3）避雷器由多節(jié)組成，在大電流的沖擊作用中泄流，泄流過程中容易發(fā)生過熱崩裂。

（4）對受損的避雷器進行解剖分析，發(fā)現(xiàn)閥片有過熱顏色變深和燒蝕痕跡，顯示氧化鋅閥片有在大電流沖擊下導致發(fā)熱而崩潰的跡象。

（5）查看箱變、高壓電纜附件及其避雷器的安裝情況，電纜為T型頭，避雷器主要的支撐方式是通過電纜和高壓套管給予支撐。避雷器接在T型頭后部，閥片部分與套管及其連接呈垂直狀態(tài)。避雷器在受到系統(tǒng)大電流沖擊的作用下，在避雷針發(fā)生爆破時容易引起擺動和劇烈震動，易導致變壓器高壓套管等固體絕緣件受損，甚至導致變壓器高壓套管出現(xiàn)開裂漏油。

（6）經(jīng)過現(xiàn)場對高壓環(huán)網(wǎng)柜與變壓器安裝保護系統(tǒng)的了解，發(fā)生故障跳閘的情況下，每次故障跳閘情況均由集電力線路中的環(huán)網(wǎng)柜跳閘。箱變自身保護裝置是油浸式負荷開關，是手動分、合閘式開關且不具備跳閘功能。箱變也沒有配置低油位報警等中控信號，遠方中控系統(tǒng)不能及時知曉現(xiàn)場箱變的具體事故情況。

（7）箱變是由油浸式手動拉閘負荷開關操作。受限于集電線環(huán)網(wǎng)柜斷路器整定電流的影響，從事故發(fā)生到操作切除過程，存在一定的時間差。集電力線路中發(fā)生故障時，中控系統(tǒng)不能監(jiān)測現(xiàn)場箱變的運行情況，不能在第一時間內(nèi)切除箱變負荷，從而引起了事故的進一步擴大。

4 箱式變壓器預防性事故

（1）風電場運行的箱式變壓器，應增加察看變壓器實際運行情況和變壓器油位，不定期抽檢絕緣油，以防變壓器絕緣油老化，甚至危害變壓器本身的絕緣情況。油檢查一旦有發(fā)現(xiàn)乙炔現(xiàn)象，應及時跟進與分析。一旦油老化危害變壓器絕緣情況，可考慮換油處理。

（2）在雷雨過后，巡檢人員應檢查風電場所箱式變壓器器身套管否有放電跡象，因雷電期間產(chǎn)生的放電性拉狐。所以，發(fā)現(xiàn)異常情況應當及時上報。

5 箱式變壓器避雷器事故管理

（1）風電場避雷器崩裂事故發(fā)生后，迅速組織搶修小組和事故調(diào)查小組對發(fā)生故障避雷器事件進行初步判斷，同時向上級領導匯報實際情況。風電場應將避雷器設備出廠報告封存，以便避雷器崩裂事故調(diào)查。風電場調(diào)度部門在避雷器事件發(fā)生后，應合理安排集中電力系統(tǒng)運行情況，將因避雷器事件造成的損失降至最低，給避雷器事件調(diào)查小組和搶修人員一定的調(diào)查時間和搶修時間。

（2）避雷器事故調(diào)查結(jié)束后，應做出避雷器事故分析報告。避雷器事件緣故若是由于前設計考慮不足所致，應檢抽查同一線路上的箱式變壓器上未損壞的避雷器，是否還能滿足運行條件，同時檢查現(xiàn)場避雷器安裝的不足并反饋給設計單位，吸取經(jīng)驗、改進原安裝不足；當避雷器事故發(fā)生后擴大事故影響范圍由于產(chǎn)品設計不足缺陷造成，風電場運行單位應按照有關規(guī)定進一步改進產(chǎn)品安裝不足的問題。

6 風電場所預防性避雷器事件的措施

風電場所變壓器避雷器安裝處加裝固定支撐件固定避雷器，以消除避雷器在出現(xiàn)故障時的劇烈震動和搖擺情況。根據(jù)國內(nèi)風電場2015年以來反饋的運行經(jīng)驗，建議選用2 ms方波容量更大的氧化鋅閥片避雷器，可在一定程度上避免避雷器受系統(tǒng)大電流沖擊時熱崩潰。根據(jù)風電場運行工況，推薦使用2 ms方波容量大于800 A的產(chǎn)品為宜。

7 事故原因分析

根據(jù)現(xiàn)場采集到的各方面信息和對故障品的檢測討論分析，綜合運營單位和避雷器廠家討論分析的意見，綜合認為：

（1）事故的主要原因是避雷器閥片在大的系統(tǒng)沖擊電流下發(fā)生了熱崩潰。

（2）現(xiàn)場箱式變壓器高壓側(cè)油浸式負荷開關無過流跳閘保護，避雷器在受集成電網(wǎng)大電力沖擊下，在泄流中發(fā)生熱蹦。總環(huán)網(wǎng)柜有一定的跳閘保護時間，而此次故障是由避雷器泄流過程中的蹦裂引發(fā)變壓器高壓套管受損。事故發(fā)生后，因變壓器保護無油位保護信號傳入中控室，中控室沒有及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場運行情況第一時間內(nèi)做出反應，是導致變壓器受損程度擴大的主要原因之一。

（3）高壓環(huán)網(wǎng)柜因保護值設定和定值的延時影響，箱變高壓側(cè)設置的是油浸式負荷開關，不具備過負荷跳閘功能。在系統(tǒng)發(fā)生大電流沖擊下避雷器先泄流動作、避雷器在泄流過程中熱崩潰定向爆破時，避雷器垂直方向沒有加裝支撐避雷器抱箍的固定裝置支撐點，避雷器在熱崩時會出現(xiàn)擺動和強烈震動，導致箱變高壓套管開裂導致高壓套管出現(xiàn)漏油情況。同時，由于前期系統(tǒng)設計原因，箱變高壓側(cè)只有油浸式負荷開關，不具備過流跳閘功能。故障跳閘依賴集電力線路總的環(huán)網(wǎng)柜，但其斷路器受整定電流等因素影響，跳閘有遲延。箱變與沒有安裝油位下降信號傳入中控系統(tǒng)中，未能及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場變壓器油位下降情況。

（4）這個過程時間中，箱式變壓器處于帶電狀態(tài)，高壓套管開裂漏油導致箱變器油位下降。受設計影響，箱變油位下降沒有設置相關告警信號上傳中控室，中控室沒有及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場運行的箱式變壓器，導致變壓器高壓套管受損。變壓器油位持續(xù)下降，容易引發(fā)引線及其套管導電桿等部位對地放電，危及變壓器器身絕緣，造成事故擴大。

（5）變壓器事故進一步擴大的原因在于，在避雷器受到電力系統(tǒng)的電流沖擊中，泄流中的避雷器產(chǎn)生熱力蹦裂的情況影響導致變壓器漏油情況，變壓器油位持續(xù)下降。因前期設計不足，中控室沒有及時切斷故障電路中的總環(huán)網(wǎng)柜開關，從而引發(fā)事故進一步擴大。

8 進一步措施

根據(jù)事故處理信息及其形成原因的分析討論，建議下一步采取以下措施，切實有效地杜絕此類事件重復發(fā)生。

（1）根據(jù)國內(nèi)風電場2015年以來反饋的運行經(jīng)驗，建議選用2 ms方波容量更大的氧化鋅閥片避雷器，一定程度上避免避雷器受系統(tǒng)大電流沖擊時熱崩潰。根據(jù)風電場運行工況，推薦使用2 ms方波容量大于800 A的產(chǎn)品為宜。

（2）需要考慮對現(xiàn)有箱變加裝低油位報警，信號接入中控，便于中控系統(tǒng)電力值班員對現(xiàn)場運行中箱式變壓器進行實際油位監(jiān)控[5]。

（3）日常巡視查看變壓器油位并做記錄，與中控室信號上的油位數(shù)據(jù)進行對比，更準確地得到變壓器地實際情況。

（4）切實按照國家標準規(guī)定，在雷雨季節(jié)或者定期進行避雷器的預防性試驗，篩查劣化的避雷器[6-7]。

（5）條件允許時，加裝避雷器泄露電流檢測裝置，并將其納入日常風機巡檢工作日志，日常進行數(shù)值比對，在避雷器預發(fā)性故障基礎上降低避雷器突發(fā)事故的概率[8-9]。

（6）風電場檢修人員在變壓器運行期間禁止搖擺避雷器設備，防止在搖晃過程中損壞避雷器外絕緣套，引起避雷器破裂。

（7）檢修人員檢查箱變的滲漏情況時，應注意高、低、出線套管部位進水與受潮情況，特別是變壓器頂部和容易形成的負壓區(qū)部位分接檔位入口處積水引起膠圈老化，做到及時發(fā)現(xiàn)異常、及時上報、及時處理。

（8）風電場巡視變壓器期間，巡視人員應注意觀察變壓器油位，檢查記錄套管實際油位情況。發(fā)現(xiàn)油位下降或有異常變化，應立即結(jié)合紅外測溫儀觀察變壓器高低壓出線部分有無局部過熱情況，并找出滲油具體位置，查看漏油部位，及時處理并上報。

（9）在風電場避雷器設備安裝前加以預防性計劃，避免在安裝過程中發(fā)生突發(fā)事故。

[1] GB 11032-2010 交流無間隙金屬氧化物避雷 [S].2010.

[2] GB/T 34869-2017 串聯(lián)補償裝置電容器組保護用金屬氧化物限壓器[S].2017.

[3] GB 50150-2016 電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準[S].2016.

[4] 路彥峰.氧化鋅避雷器電位分布數(shù)值計算研究[D].西安：西安電子科技大學，2007.

[5] 唐 林.江津35kV線路防雷新技術應用研究[D].重慶：重慶大學，2004.

[6] 王金濤.氧化鋅避雷器事故情況分析[J].華中電力，1991，（6）：32-35.

[7] 李 哲.35kV中性點非直接接地系統(tǒng)避雷器的選擇[J].山東電力高等專科學校學報，2001，（2）：39-40.

[8] 鄧雨榮.金屬氧化物避雷器泄漏電流的現(xiàn)場測試[C].廣西電機工程學會第七屆青年學術交流會論文集，2002.

[9] Gonzalez A G.Modelling and Simulation of a Surge Arrester in the Physical Domain[C].Methods and Models in Automation and Robotics（MMAR），2014 19th International Conference on，2014.