西北地區(qū)新建風(fēng)電場投運后幾起典型故障分析與研究

王 東

（華能酒泉風(fēng)電有限責(zé)任公司，甘肅 酒泉 735000）

0 引言

可再生能源是能源發(fā)展的方向［1-2］。近年來，西北地區(qū)可再生能源利用率逐年增長，特別是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅猛，先后在多個省份建成重要的千萬千瓦級風(fēng)電基地［3-5］。西北地區(qū)風(fēng)電建設(shè)多位于戈壁荒灘，當(dāng)?shù)睾０胃摺L(fēng)沙多、晝夜溫差大，其獨特的地理位置和環(huán)境特點對風(fēng)電場設(shè)備選型、安裝制作工藝等都提出了嚴(yán)格的要求。新建風(fēng)電場投運后，多數(shù)由于設(shè)備選型錯誤以及結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、施工質(zhì)量低、運維管理缺失等原因?qū)е率鹿暑l發(fā)，造成風(fēng)電場直接和間接經(jīng)濟(jì)損失，對電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性也產(chǎn)生了比較大的影響［6-7］。為避免類似事故的發(fā)生，本文對幾起典型故障進(jìn)行分析，總結(jié)處理方法和經(jīng)驗，提出了在同類工程及項目管理中的幾點建議。

1 設(shè)備型號或設(shè)計不滿足環(huán)境配置要求引發(fā)的故障

1.1 電壓互感器型號錯誤引發(fā)的故障

某風(fēng)電場海拔1 400 m，330 kV 升壓站35 kV 戶內(nèi)母線選用樹脂澆注式電壓互感器，設(shè)計為高海拔型且額定電壓因數(shù)為1.9。該場投運6 個月后，35 kV 戶內(nèi)母線電壓互感器發(fā)生A 相本體炸裂接地，弧光造成三相短路故障，見圖1。

圖1 35 kV戶內(nèi)母線A 相電壓互感器故障Fig.1 35 kV indoor bus A phase voltage transformer fault

事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，A 相和B 相電壓互感器型號錯誤，為普通型，不符合設(shè)計要求，見表1、圖2～圖3，額定電壓因數(shù)為1.5，僅適用于1 000 m及以下地區(qū)［8］，而只有C相電壓互感器符合設(shè)計要求。

表1 某風(fēng)電場35 kV戶內(nèi)母線電壓互感器的型號統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of 35 kV indoor bus voltage transformer in a wind farm

圖2 A、B相電壓互感器銘牌Fig.2 A,B phase voltage transformer nameplate

圖3 C相電壓互感器銘牌Fig.3 C phase voltage transformer nameplate

同時，檢查發(fā)現(xiàn)故障電壓互感器A 相避雷器引線缺失，判斷A 相電壓互感器長期在缺失過電壓保護(hù)的情況下運行，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓時逐步造成內(nèi)部絕緣損壞，發(fā)生接地，產(chǎn)生諧振［9］，導(dǎo)致鐵磁飽和，引起局部溫度急劇升高，致使A 相電壓互感器炸裂。這起案例暴露出，在安裝、試驗、驗收階段，工作不規(guī)范不嚴(yán)謹(jǐn)，特別是沒有發(fā)現(xiàn)避雷器引線缺失的簡單缺陷。分析認(rèn)為，施工中可能為了趕超進(jìn)度而存在工作缺失，或者監(jiān)理、驗收工程師經(jīng)驗不足，均未能及時發(fā)現(xiàn)問題，埋下了安全隱患，導(dǎo)致不符合設(shè)計要求的互感器和接線不完整的系統(tǒng)投入生產(chǎn)，最終發(fā)生了問題。

西北地區(qū)獨特的地理位置和環(huán)境特點對風(fēng)電設(shè)備要求較高，不僅要在選型上因地制宜并留有裕度，更重要的是在到貨驗收、安裝調(diào)試上做到規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)，確保設(shè)備可靠和系統(tǒng)完整。

1.2 箱變設(shè)計缺陷引發(fā)的故障

某風(fēng)電場地處戈壁灘，環(huán)境溫差較大，安裝某廠家生產(chǎn)的具有獨立布置高低壓開關(guān)室的“緊湊型箱變”100 臺，投運1 年以來發(fā)生故障20 臺次，統(tǒng)計見表2。分析認(rèn)為，該箱變的油箱設(shè)計體積不夠，不滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫差的要求。

表2 某風(fēng)電場投運初年箱變故障統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of prefabricated substation fault in the first year of operation of a wind farm

箱變冬季運行時，油面隨著氣溫逐漸下降，箱變的高壓負(fù)荷開關(guān)因布置在油箱內(nèi)相對較高的位置，其接線銅排柱露出油面，導(dǎo)致相間絕緣距離不夠引起強(qiáng)烈的電弧放電，造成箱變內(nèi)部相間短路故障，典型的錄波圖見圖4。通過箱變吊芯檢查發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷開關(guān)接線端子有明顯的拉弧痕跡。為避免箱變油位過低引起負(fù)荷開關(guān)短路事故，風(fēng)電場對油位表低油位接點進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)油位達(dá)到設(shè)定值時，設(shè)備停止運行，進(jìn)行補(bǔ)油。油位表調(diào)整后，箱變雖未發(fā)生故障，但是到了夏季運行時，油面隨著氣溫又逐漸上升，與箱變頂蓋距離過小，油箱因氣墊的補(bǔ)償能力不足，內(nèi)部壓力增大，致使油位浸沒壓力釋放閥的箱變在壓力釋放閥處漏油嚴(yán)重，而且頻繁動作導(dǎo)致箱變跳閘，此時手動壓力釋放，壓力釋放閥處會大量噴油（見圖5）。風(fēng)電場在箱變頂蓋上加裝了放氣閥，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時，放氣閥自動排氣，有效解決了壓力釋放閥動作及滲漏油問題。

圖4 箱變內(nèi)部短路典型錄波圖Fig.4 Typical recording diagram of short circuit in precast substation

圖5 箱變壓力釋放閥處噴油Fig.5 Spray oil at prefabricated substation pressure relief valve

由此可見，在環(huán)境溫差較大時，箱變油位的控制對箱變的安全運行至關(guān)重要。在其他相似環(huán)境下的風(fēng)電場，箱變已設(shè)計成自帶油枕，油枕容量與箱變及當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度相匹配，從而很好地解決了箱變油位控制的問題，見圖6、圖7。

圖6 無油枕緊湊型箱變Fig.6 Oil-free pillow compact prefabricated substation

圖7 自帶油枕型箱變Fig.7 Prefabricated substation with self-contained oil pillow

2 施工質(zhì)量不合格引發(fā)的故障

某公司下屬風(fēng)電場的35 kV集電線路與箱變高壓側(cè)及集電線路終端桿與升壓站之間采用電纜出線方式，共有714個電纜頭，投運第一年中發(fā)生電纜終端故障18次，并且故障點多集中在銅屏蔽層斷口和半導(dǎo)體層斷口處［10-13］，如圖8所示。

圖8 35 kV電纜終端頭故障Fig.8 35 kV cable terminal head fault

究其原因主要是電纜終端頭的制作安裝工藝不合格：

1）電纜終端頭制作安裝過程中，對風(fēng)電場風(fēng)沙大、氣候多變的特殊環(huán)境未采取有效的防護(hù)措施，導(dǎo)致電纜頭絕緣中容易進(jìn)入塵埃、雜質(zhì)等形成氣隙，并在強(qiáng)電場下發(fā)生局部放電，最終發(fā)展為電纜頭絕緣擊穿。

2）電纜終端頭施工質(zhì)量問題較多。通過將絕緣擊穿燒毀的電纜頭拆解發(fā)現(xiàn)：

a）銅屏蔽層斷口處的尖角毛刺未處理平整，導(dǎo)致放電；

b）半導(dǎo)體剝切時劃傷主絕緣，造成絕緣薄弱，導(dǎo)致?lián)舸?/p>

c）冷縮管的應(yīng)力錐未套到半導(dǎo)電層之上，導(dǎo)致電應(yīng)力場最集中處被擊穿。

風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)分布極廣，可能達(dá)到數(shù)十平方公里，因此，35 kV集電系統(tǒng)規(guī)模較大，系統(tǒng)中出現(xiàn)雷擊過電壓、操作過電壓、弧光過電壓等各種內(nèi)、外部過電壓的概率也相對大得多。而絕緣損傷具有累積作用，具有絕緣缺陷的電纜在頻繁出現(xiàn)的過電壓作用下嚴(yán)重威脅著風(fēng)電場35 kV系統(tǒng)的安全運行。采取電纜出線上桿（塔）的風(fēng)電場，一般電纜終端頭數(shù)量也眾多，可能達(dá)到數(shù)百個。因此，電纜終端頭制作安裝的質(zhì)量關(guān)系著電纜的安全穩(wěn)定運行和風(fēng)機(jī)負(fù)荷的可靠送出。所以，該公司對風(fēng)電場35 kV電纜終端頭利用小風(fēng)期重新進(jìn)行制作安裝，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，電纜投運后再未發(fā)生故障。值得一提的是，電纜終端附件及其制作安裝選擇同一廠家，也有效避免了因設(shè)備廠家和制作安裝單位不同而當(dāng)出現(xiàn)問題時的推諉扯皮。另外，某些新建風(fēng)電場將35 kV集電線路與箱變高壓側(cè)連接設(shè)計成引線連接方式（如圖7），大幅降低電纜終端頭的數(shù)量，以避免電纜終端頭制作安裝工藝不合格造成的絕緣擊穿故障。

3 定期檢修漏項引發(fā)的故障

某新建風(fēng)電場330 kV升壓站投運后半年，利用電網(wǎng)線路檢修全站停運期間，對站內(nèi)設(shè)備開展?fàn)顟B(tài)檢修，修后時隔4 個月，突然發(fā)生主變低壓側(cè)斷路器跳閘全場停運事故。事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，330 kV 升壓站35 kV 配電室共箱母線排連接處A、B相螺栓松動，連接處壓接不緊導(dǎo)致發(fā)熱起弧，造成弧光短路（見圖9），35 kV 母線差動保護(hù)動作，主變低壓側(cè)斷路器跳閘，全場停運。

圖9 35 kV共箱封閉母線A、B兩相接頭發(fā)熱處Fig.9 35 kV box closed bus A,B two-phase joint heating

此次風(fēng)電場全停，是由于升壓站檢修時間短，檢修人員未打開35 kV配電室共箱母線對母線排連接處進(jìn)行螺栓緊固，從而留下安全隱患最終導(dǎo)致事故發(fā)生。事故在暴露出定期檢修不認(rèn)真，存在漏檢項目的同時，也充分說明新建風(fēng)電場特別是升壓站定期檢修的重要性。

西北地區(qū)風(fēng)電場以及升壓站建設(shè)往往存在建設(shè)工期較短現(xiàn)象，工程質(zhì)量的把控多少存在疏漏，一旦發(fā)生風(fēng)電場全停事故，其影響和損失將難以估量［14-15］，因此新建風(fēng)電場特別是升壓站投運后的首次檢修對保障設(shè)備安全可靠運行尤其重要。另外，西北地區(qū)風(fēng)電場的升壓站檢修一般根據(jù)電網(wǎng)檢修時間和負(fù)荷受限情況安排計劃，往往時間較短，而定檢項目又較多，面面俱到不太可能，可采取計劃檢修和狀態(tài)檢修相結(jié)合的策略［16-17］，并結(jié)合設(shè)備運行狀況和狀態(tài)評價動態(tài)調(diào)整檢修項目［18-22］，以提高風(fēng)電場定期檢修的質(zhì)量。

4 結(jié)語

進(jìn)入“十四五”，西北地區(qū)風(fēng)電建設(shè)將成倍數(shù)增長，風(fēng)電對電網(wǎng)安全的影響日益重要。風(fēng)電在數(shù)量和速度上迅猛發(fā)展的同時，更要注重質(zhì)量的嚴(yán)格把關(guān)，只有從源頭上和維護(hù)中不斷消除安全隱患，才能從根本上提高風(fēng)電運行的可靠性，保障電網(wǎng)安全。通過梳理西北地區(qū)新建風(fēng)電場投運后暴露出的若干問題，提出了在同類工程及項目管理中的幾點建議：

1）西北地區(qū)具有獨特的地理位置和環(huán)境特點，工程設(shè)計不能只憑經(jīng)驗以偏概全，應(yīng)充分考慮風(fēng)電場選址的地理和環(huán)境特點如海拔、溫差、惡劣天氣等對設(shè)備的影響，合理設(shè)計設(shè)備結(jié)構(gòu)和接線，嚴(yán)格選型；

2）風(fēng)電場電氣設(shè)備安裝除了考慮風(fēng)沙、污穢、濕氣等對設(shè)備絕緣的影響做好防范措施外，還必須嚴(yán)格按照工藝流程和要求施工，做好過程質(zhì)量監(jiān)督與驗收，消除可能的設(shè)備隱患，不能因建設(shè)工期短，只求數(shù)量和進(jìn)度而放低對質(zhì)量的要求；

3）新建風(fēng)電場特別是升壓站投運后要高度重視定期檢修工作，西北地區(qū)風(fēng)電場的升壓站檢修一般根據(jù)電網(wǎng)檢修時間安排計劃，往往時間較短，而定檢項目又較多，面面俱到不太可能，可采取計劃檢修和狀態(tài)檢修相結(jié)合的策略，并結(jié)合設(shè)備運行狀況和狀態(tài)評價動態(tài)調(diào)整檢修項目，以提高風(fēng)電場定期檢修的質(zhì)量。