光伏發電系統并網故障分析及糾正措施

2020-08-25 02:03:16何有山

河南科技 2020年20期

何有山

摘要：太陽能取之不盡，用之不竭，清潔安全，對于緩解日趨嚴峻的能源與環境問題具有重大的戰略意義。隨著太陽能光伏發電行業的發展，大量逆變型分布式光伏電源接入電網，光伏發電系統并網潛藏的故障逐步暴露。本文分析了工程現場光伏發電系統并網電弧放電和短路故障，然后提出了行之有效的糾正措施，解決了光伏發電系統并網故障，從而最大限度地節約維修費用和減少系統停機損失。

關鍵詞：光伏發電;并網故障;電弧放電;短路故障;糾正措施

中圖分類號：TM642文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）20-0145-03

Abstract： Solar energy is inexhaustible， inexhaustible， clean and safe， and has great strategic significance for alleviating the increasingly serious energy and environmental problems. With the development of the solar photovoltaic power generation industry， a large number of inverter-type distributed photovoltaic power sources are connected to the grid， and the potential faults of the photovoltaic power generation system are gradually exposed. This paper analyzed the grid-connected arc discharge and short-circuit faults of the photovoltaic power generation system on the project site， and then put forward effective corrective measures to solve the grid-connected failures of the photovoltaic power generation system， thereby maximizing the maintenance cost and reducing the loss of system shutdown.

Keywords： photovoltaic power generation;grid-connected fault;arc discharge;short-circuit fault;corrective measures

當前，世界能源形勢緊迫，能源問題成為世界十大焦點問題之首。在能源日益匱乏的今天，太陽能因取之不盡、用之不竭、清潔安全的特點，對于緩解日趨嚴峻的能源與環境問題具有重大的戰略意義。

隨著光伏發電行業的發展，近年來，大量逆變型分布式光伏電源接入電網，光伏發電并網故障也備受關注[1]，光伏發電系統并網所產生的故障逐步暴露，如電器短路、電壓波動、閃變、逆變器故障停機等，導致光伏發電系統不能正常并網的現象時有發生[2-3]。

逆變器是光伏電站并網中不可缺少的電能轉換裝置，它的控制技術直接影響光伏發電饋入電網的品質。根據相關國家標準[4]要求，通過10～35 kV電壓等級并網的光伏發電功率因數應在超前0.98到滯后0.98范圍內連續調節。業內有不少關于逆變器控制策略方面的研究[5-6]，逆變器廠家為了追求最大利用容量和最大發電量，常常會將并網逆變器的功率因數設定為0.99。由于光伏發電的功率波動性，逆變器的高功率因數運行對電網的穩定性造成威脅，有功不變時，無功幾乎不能調節，需要額外的無功來維持電壓。大量實踐證明，逆變器輸出輕載時，諧波會明顯變大，在10%額定出力以下時，電流的總諧波畸變率甚至會超過20%。同時，光伏發電通過電力電內子逆變器并網，易造成三相電流不平衡，如果光伏發電系統線路發生故障，就容易造成光伏發電并網設備出現閃變或影響電網繼電保護動作等。

本文結合工程實踐中光伏發電并網時發生的事故進行分析和總結，并提出一些行之有效的糾正措施，從而最大限度地節約維修費用和減少系統停機損失。

1 并網柜電弧放電故障分析及處理

1.1 現場檢查

某光伏發電工程調試和并網投運時，并網柜（4P10）進線母排上的連接電纜線鼻子出現電弧放電現象，經過現場檢查發現，檢查人員發現如下問題。

1.1.1 母線銅排。B相母線背面（從進線柜正面看）距離斷路器接線端上部約40 mm的地方有電弧機上的凹坑痕跡，顏色發黑，中間部位右側邊緣也有一段距離約有50 mm的地方被電弧燒傷，出現發黑痕跡，其他兩相銅排基本未發現異常現象，現場受損部位如圖1所示。

1.1.2 外部連接電纜的線鼻子。外表面異常表現為線鼻子表面有不少電弧擊傷的斑點和拉弧放電點，如圖2所示。

1.1.3 斷路器。上表面右下側邊緣處有一片狀、長形、不規則的薄金屬渣，受高溫作用影響，斷路器外表面有輕微燙傷痕跡，其他部分未見明顯異常發生。

1.2 柜內元器件性能測試

為了檢查并網柜受損情況，現場對柜內元器件性能進行測試。

1.2.1 斷路器絕緣電阻測試。經輸入端（單相）對地及相間絕緣電阻測試，絕緣電阻均保持在100 MΩ以上，斷路器絕緣材料未發生異常。

1.2.2 斷路器各相通斷性能測試。合閘后，斷路器上、下端能夠正常接通，用萬用表測試電壓線，電壓顯示407 VAC;分閘后，測試電壓線，電壓顯示為0 VAC。經測試，斷路器未發現異常。

1.2.3 互感器二次線圈電阻值測試。測試電阻為0.3 Ω，線圈絕緣未見異常。

1.2.4 柜門儀表測試。顯示儀表直流電上電測試，多功能表顯示未見異常，儀表本身未受到損傷，直流回路2個熔斷器正常。斷路器合閘后，由于并網柜前端逆變器未投運，無電壓、電流，閉合控制回路熔斷器開關，儀表電壓顯示為0 VAC，經測試檢查，檢查人員發現，控制回路中直接從交流回路取電的12個熔斷器全部熔斷。

1.3 問題分析

下面針對出現的問題進行分析。其一，B相銅排內測的傷痕不會是對地放電產生的拉弧，原因為受損點距離金屬固定背板距離大于40 mm，滿足并超過相關國家標準要求的電氣間隙[7]。其二，3臺互感器外表面損傷輕微，只是表面的顏色發生變化。固定互感器的螺釘受到高溫電弧擊傷熔化，固定螺釘與各相銅排絕緣，并且距離滿足相關標準要求，沒有短路跡象。其三，線鼻子上出現擊傷斑點較多，而且有電弧擊傷拉弧痕跡，初步判斷，電弧火花從此處產生，其他地方的電弧燒傷均由其引起。電弧火花跌落到斷路器外表面、銅排內側等，造成其他部位受損，由于弧光影響，柜門上噴漆及控制電纜受到弧光照射而變色。

經過查閱圖紙，本項目并網柜系統設計最大電流值不足800 A，所用的電纜截面積為630 mm2;經查閱國家標準，本項目電纜環境溫度在40 ℃時的允許持續載流量為1 008 A[8]。

經初步判斷，斷路器輸入回路中曾出現很大的沖擊電流，遠超出并網柜能承受的載流量值。

根據逆變器廠家提供的技術資料及以上分析，初步判斷事故原因。本次事故的原因是逆變器及變壓器組在啟動瞬間造成涌流，導致并網柜內電纜過負荷，引起系統中電纜連接處的氣隙電離，引發放電;并網柜斷路器的過載保護電流值在設計時未考慮，仍保持出廠設置值1 250 A，偏大，不能很好地起到保護作用。

根據事故原因分析，本工程項目中涉及并網用的8臺規格為T7M 1250A的斷路器設置采取如下糾正措施：斷路器L段保護（過載保護）設為1 000 A，延時3 s，增強過載保護線路的能力;斷路器S、I段保護選擇如下方式，即I瞬時短路保護，短路電流保護設置4.5倍輸入值，即為4 500 A。

采取上述預防措施，并對受損部分進行修復處理后，系統并網故障成功解決，本光伏發電系統成功并網。截至目前，本光伏發電系統運行正常。

2 光伏發電短路故障分析及處理

對于另一光伏發電工程，業主反饋，在投運并網時，交流柜在閉合斷路器時瞬間發生爆響、斷路器脫扣事故。經過現場勘查，業主已對故障現場進行處理，具體如下：X1端子上有部分線纜未接，處于懸空狀態，溫控器控制異常;業主已將斷路器下端連接電纜拆除;經現場測試，接觸器A、B相觸點黏連，無法正常斷開;與交流柜相連接的變壓器（由另外其他廠家提供）二次側N相未引出，而實際的變壓器連接方式為Dyn11，按照標準[9-10]要求，二次側中性線N相是需要引出來的。

經過現場排查，系統并未出現其他異常情況，對接線端子上的二次線進行重新連接，同時修復接觸器的觸點。確認交流柜沒有其他問題后，斷開交流柜中斷路器與變壓器的連接線，重新閉合接觸器和斷路器，未發現異常，能夠正常送電，由此判斷本次接觸器發生爆聲故障的原因不在交流柜，初步判斷其為上級回路變壓器側故障所致。

經過逐項分析和測試，故障原因為與逆變器輸出連接的變壓器一次側B、C電纜接線錯誤，導致B、C相間短路，如圖3所示。

事故原因查清楚后，采取糾正措施，改正錯誤接線，重新測試變壓器性能，未見異常。重新將變壓器二次側電纜與交流柜連接，重新上電，設備投運正常。

由于本工程供電系統交流側電源設計為TN-S接地系統，采用的是三相五線制接線，變壓器連接組別為Dyn11方式，二次側應該引出N相線接至交流柜N相銅排上。但是，用戶并未將此N相引出，不符合標準要求。檢查人員隨將此項問題反饋到項目業主處理。

3 結語

本文在分析了光伏發電系統并網故障的基礎上，提出了糾正措施，使光伏發電系統順利并網發電。本文所給出的故障排除方法和糾正措施值得行業內工程技術人員借鑒，避免發生類似光伏發電并網故障。

參考文獻：

[1]趙爭鳴，雷一，賀凡波，等.大容量并網光伏電站技術綜述術綜述[J].電力系統自動化，2011（12）：101-107.

[2]趙平，嚴玉廷.并網光伏發電系統對電網影響的研究[J].電工技術，2009（3）：41-44.

[3]李文才，彭程.分布式光伏電源并入配電網的故障分析及保護研究[J].機電工程技術，2019（6）：186-188.

[4]中國電力工業聯合會.光伏電站接入電力系統技術規定：GB/T 19964—2012[S].北京：中國標準出版社，2012.

[5]陳鍇，楊逸，尚錦萍.光伏發電系統并網逆變器控制策略研究[J].自動化儀表，2020（1）：46-50.