光伏電站箱變色譜普測現狀與問題分析

楊彥肖 ,解少朝 ,許振華 ,孫聆菱

(1.河北冀研能源科學技術研究院有限公司,河北 石家莊 050051;2.北京鑫泰綠能科技有限公司,北京 100000)

1 概述

隨著我國經濟的快速發展,能源短缺和環境污染問題日益突出,國家能源戰略政策調整逐步實施,作為新能源行業的光伏發電近年來在一系列政策的支持下快速發展,根據能源發展“十三五”規劃,2018-2020年我國分布式光伏每年裝機量要超過10 GW。隨著裝機容量的快速增多,電站的運營維護情況直接影響著發電企業的經濟效益。在光伏電站的日常維護中,對光伏組件、逆變器等關注度較高,認為變壓器問題相對較少。

光伏箱變是連接光伏發電并網端電量輸出的重要電力樞紐,運行中一旦發生故障,會對發電量造成影響,從而影響企業的經濟效益。對于充油設備絕緣油色譜分析是發現變壓器故障的有效手段,2018年抽檢了某企業分布在全國范圍內的19個光伏電站的203個箱變色譜,通過色譜分析發現了光伏電站箱變潛在的一系列問題,針對這些問題進行了解析,應引起光伏運維人員的關注,為光伏電站在相關方面的運行維護提供參考。

2 光伏箱變色譜抽檢普測情況

2018年抽檢19個光伏電站203個箱變,電站運行年限基本在3～4 年,抽樣送檢率33%～50%,箱變色譜普測結果僅有3個站色譜檢測無問題,其余均有超標現象,統計情況如下:

a.以氫氣超標最為突出,檢出氫氣超標為66臺,超標率為32%;部分為氫氣和總烴同時超標,總烴超標為33臺,超標率為16%;單乙炔超標為2臺,超標率為1%。

b.本次普測還發現色譜超標問題有家族聚集現象,其中有7個電站的箱變抽檢,色譜超標率超過50%,有1個站超標率甚至達到100%。并且部分超標現象嚴重,氫氣最高達33 373.82,總烴最高為5 827.83,DL/T 722規定均不超過150。

3 色譜超標情況分析

充油設備在運行過程中,油/絕緣材料在溫度、電場和催化劑等多種因素作用下,會逐漸老化和分解,產生少量的各種低分子烴類及氫氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體,若存在過熱或放電缺陷,就會加快分解產生某些特征氣體的速度,根據油中溶解的特征氣體分析判斷充油電氣設備內部故障類型和發展趨勢。故障特征氣體的產生除與生產運行維護條件、方式密切相關外,還與充油設備的結構特點、生產工藝、安裝處理工藝等因素有關。針對本次色譜普測的結果,根據特征氣體判斷法和三比值法以及各站呈現出來的特點情況進行故障及原因分析。

3.1 單氫超標

3.1.1 超標情況

a.變壓器油使用石蠟基油,石蠟基在制造過程中常采用“加氫脫蠟”工藝,在石蠟基油中會存有一定量的氫氣,所以采用石蠟基油為絕緣油的箱變在運行中可能會有氫氣超標的現象出現。

b.設備在生產制造過程中,干燥工序不嚴,變壓器內部干燥不徹底,絕緣材料中含有水分,或設備密封不嚴受潮進水,水分與變壓器內部鐵部件發生反應放出氫氣。

c.變壓器中某些材料新的不銹鋼部件中如奧式不銹鋼、碳素鋼中也可能在加工、焊接過程中吸附氫氣,真空處理也無法完全去除,設備中某些油漆(醇酸樹脂)遇油中的溶解氧在某些不銹鋼的催化下,可能生成大量的氫氣。

d.變壓器在制造過程中工藝原因固體絕緣處理不好,繞組輕微松動等以及設計結構不合理,選材不合理等導致輕微的過熱產生氫氣。

3.1.2 原因判斷

對于本次普測中出現的單純氫氣超標現象,其中有80%伴隨不同程度的烴類特征氣體出現,有部分總烴雖然不超標但已接近臨界值,甚至有相當部分出現了乙炔,對于這部分箱變需要根據特征氣體法和三比值法進行故障分析,并且加強監測,如果氣體增長速率過大,故障嚴重的話要果斷采取措施;對于第二種情況烴類特征氣體含量不大可以進行濾油處理,如果不是聚集型的,可以排除a.中油質本身的問題,本次普測除了色譜也同時進行了水分、介損和耐壓的檢測,如果其他三項均合格,可以排除。b.中水分和受潮的影響,如果是c.中的情況投運初期氫氣增長較快,到一定階段會穩定下來,通過濾油后能恢復正常,對于找不到以上原因,烴類氣體沒有變化,氫氣增長速率不大,油中溶解氣體未達飽和,可以通過濾油監測運行。NMG1和HY 單氫超標數量達到了80%,屬于系統性缺陷應聯系設備廠家從制造工藝和安裝工藝查找原因。

3.2 氫氣和總烴雙超標

3.2.1 超標情況

對于氫氣和總烴雙超標的情況以典型的JL站和GX 站部分數據來進行分析,JL 站色譜超標樣品數量達到了抽檢數量的90%,GX 站部分箱變色譜顯示氫氣和烴類氣體產生量大,超標嚴重,GX 站和JL站詳細數據見表1、表2。

表1 GX站部分色譜分析數據 μL/L

表2 JL站色譜數據 μL/L

3.2.2 原因判斷

對故障箱變色譜數據進行分析,三比值編碼見表3。

從三比值編碼類型判斷,JL 站2 號箱變和GX 站7號箱變為高濕、毛刺、雜質等引起的低能量局部放電,其余箱變均為高能量密度的局部放電故障,引起此類故障通常的原因有繞組層間、匝間放電,相間閃絡,分接引線間油隙閃絡等。接觸過幾起類似的缺陷,經局部放電試驗和解體檢查,原因多為產品制造過程中工藝控制不嚴,繞組接引不良,包扎等工藝不過關,有褶皺,運行時電場分布不均勻,或有氣隙放電。結合對特征氣體進行分析,箱變特征氣體主要為氫氣、甲烷、乙烷,存在有過熱性故障,實際上可能會有過熱和局部放電故障復合存在。JL 站故障率較高且都為過熱伴放電性故障,有家族性缺陷的嫌疑,應立即進行停運檢查并聯系設備廠家查找設備制造問題,GX故障箱變也為放電性故障,故障較為嚴重,應立即停運檢修。

表3 色譜故障三比值編碼結果

3.3 整體情況分析

按照3.2的特征氣體和三比值法對所有色譜超標的箱變共69臺進行了故障分析,故障類型統計情況為低能放電1臺、局部放電6臺、高溫過熱1臺、低溫過熱13臺、高能量放電48臺。

統計來看,本次光伏箱變色譜普測分析色譜超標的故障中較為嚴重的高能放電性故障占比最大,這些設備應立即進行檢修維護。在運行3～4年的光伏充油箱變設備中出現高達34%的潛伏性故障問題且故障多為較為嚴重的放電性故障,這會給運行檢修工作增加一定的難度,如果故障處理不及時可能會發展成更為嚴重的事故,將給企業帶來一定的經濟損失,值得引起關注,更為值得注意的是光伏箱變色譜檢出故障設備有一定的聚集性,即一些站的設備故障率較高,需要考查這些站上所用廠家批次的設備是否存在缺陷。

4 原因分析及對策

由于近年來光伏發電的迅猛發展,尤其是趕超“6.30”、“12.31”的時間節點,許多項目工期時間短,對設備質量工藝及施工安裝把控不嚴,投運前沒有按規程進行驗收,可能部分在投運前就有超標現象,濾油不徹底導致運行普檢發現的問題較多。

箱變型號種類和生產廠家眾多,質量良莠不齊,設備結構設計的不合理、繞組及絕緣材料選擇不當、安裝工藝不良均會造成色譜超標,不加以整改長期帶此缺陷運行會造成設備擊穿等事故的發生。箱變繞組的結構應根據電壓等級及容量進行合理設計,增強工藝控制力度,嚴格出廠投運前試驗,有資料顯示35 kV 變壓器局部放電試驗局部放電量小于500 pC 時,變壓器運行一段時間后,油色譜基本沒有超標的,而對于局部放電量大于1 000 pC 的變壓器運行一段時間后,油色譜超標現象較多,因此建議變壓器在出廠前進行局部放電試驗。

針對色譜分析有放電的箱變進行相關試驗及分析有幾種典型情況。

a.光伏發電負荷變化很大,在大負荷情況下變壓器運行震動,使繞組或其它零部件松脫、移位甚至脫落造成局部放電。

b.有些箱變相間直阻嚴重超標,開蓋檢查后發現有繞組脫落現象,局部有拉弧燒灼痕跡。

c.箱變低壓側為380～450 V 接逆變器運行方式,部分電纜施工不嚴謹造成短路故障,低壓跳閘反應時間較長,箱變內部低壓繞組產生短時拉弧。對這些問題公司及時進行檢修維護,加固零部件,更換不合格部件,檢修后對色譜超標嚴重的變壓器油進行更換。

光伏箱變運行環境惡劣,南方漁光互補光伏電站箱變處于魚塘旁邊,箱變密封不嚴變壓器油長期與濕度較大空氣接觸,受潮嚴重,這是部分氫氣超標的一個原因;西北地區屬于林光互補,箱變處于風沙之中,有細沙塵混入。針對這一情況應加強箱變的密封工藝,按規程進行油色譜監測,增強濾油,避免受潮和雜質污染造成嚴重故障。

光伏電站箱變數量龐大,運維工作量大,運行中對箱變的色譜檢測不及時,一些輕微的過熱長期帶病運行可能會發展成嚴重的放電缺陷,建議對剩下未檢色譜的箱變進行色譜全檢,對有問題的及時進行檢修維護或加強監測,避免小故障進一步演化成事故,帶來更大的經濟損失。針對色譜普檢突出問題此公司已建立檢測制度每半年對色譜跟蹤檢測一次。

5 結束語

本次光伏電站充油箱變的色譜普測情況不容樂觀,由于設備質量設計不合理、工藝不良、有些光伏分布特性運行環境惡劣等原因導致箱變油中溶解氣體總體超標率高達34%,且高能放電故障占比較高,在故障中占比達69.6%,故障設備有集中出現在某些站的情況,應加強對光伏充油箱變進行色譜分析,根據色譜分析情況有針對性的進行設備維護,選擇優質光伏箱變設備,加強對設備生產監造和安裝工藝的把控,嚴格出廠前和投運前相關試驗,建議增加出廠前的局部放電試驗,把控好前期的各個環節,防止在運行中出現較多的嚴重故障,避免給企業造成經濟損失。