平原型風電機組用箱變雷擊損壞探討

楊 明，袁乙專，趙 紅，袁樂心，毛啟武

（明珠電氣股份有限公司，廣州 511400）

0 引言

中國風電開發初期，由于風機技術經濟性較低，平原地區還不具備開發風電的可能性，風電多集中于風資源更好的“三北”地區。然而，三北地區消納有限，風電送出瓶頸明顯。于是，風機廠家通過不斷創新技術，尋找新的開發區域。隨著高塔技術的應用、風機葉輪直徑增大、控制策略和智能化的提升，以及制造成本的降低，使得平原地區、低風速地區具備了風電開發條件，其裝機量快速增長。

“十三五”期間，我國風電開發重心向中東南部地區轉移逐步加快。起初，中東南部每年新增裝機容量只占20%，與“三北”地區相差甚遠。如今中東南部地區每年新增裝機占比已達60%～70%。從目前已經核準情況來看，平原風電在陸上風電市場占有率約為10%～15%。風力發電用箱變將風力發電機組連接到風電場電力匯集網絡，其內有一臺升壓變壓器，是實現風電電能向用戶輸送功能的重要設備。樹脂絕緣干式變壓器具有許多優勢［1-3］，包括：防火性能好；免維護；無污染；H級絕緣，耐熱能力強；機械強度高，抗突發短路能力強；安裝方便。因此在新能源領域特別是風力發電用箱變上有較多應用。由于平原型風電場發展較晚而快速，各類電力故障風險防范還在探索之中，其中雷擊風險較為突出，嚴重威脅其安全運行［4-8］。

本文通過對一起平原型風電機組用箱變的雷擊故障進行詳細分析，找出造成故障的原因，并提出了平原型風力發電系統的雷擊損壞的防范和改進措施，以提高平原型風電場的安全運行水平。

1 某風電場雷擊損壞情況

1.1 概況

中部地區某風電場位于長江中下游平原，屬于低風速風電場。該項目共采用了63臺箱變，其變壓器均采用干式變壓器。項目于2020年9月并網至今，雷雨季節時間段，陸續發生雷擊事故3起，5臺箱變在遭受外部雷擊后均出現變壓器高壓側外部放電現象，線路桿塔避雷器有多次動作記錄，但箱變內避雷器未發生動作情況。箱變內的干變高壓側端子附近表面發生閃絡，局部灼傷，并伴有保險動作。

1.2 現場檢查

（1）架空輸電線檢查

該風場線路采用單塔單回架空輸電線，終端桿塔在距離箱變約80 m左右經桿塔跌落保險后通過入地鎧裝三芯電纜接入箱變，如圖1所示。雷電防護上，除桿塔頂端有避雷線保護外，電纜前端還裝有避雷器［9-12］。

圖1 桿塔結構

（2）一次回路檢查

桿塔進線電纜經真空斷路器和電流互感器后接入干式變壓器的D接高壓線圈，變壓器低壓側為YN接法，各相經主框架斷路器后接入風機，進線避雷器安裝在電纜接入處。

（3）跌落保險檢查

故障發生時，桿塔上三相跌落保險均發生熔斷，箱變監控讀得Ia1＝20.40×100＝2 040 A，即2.04 kA（電流互感器變比為100/1A），Ib1次之，Ic1再次之。

（4）干變主體損壞情況檢查

經檢查：B相線圈Y頭引出端子與分接區之間存在明顯的閃絡放電痕跡；C相線圈Z頭引出端子有放電燒黑痕跡；A相正常無損傷。

1.3 現場測量

（1）絕緣電阻測量

對發生故障的箱變進行絕緣電阻測量，環境溫度28℃，濕度91%，高壓對地大于或等于100 MΩ，低壓對高壓及地大于或等于50 MΩ，鐵心對地大于或等于5 MΩ，均符合相關規程要求，合格。

（2）測量繞組的直流電阻

對故障箱變繞組進行直流電阻測量，高壓繞組直流電阻（線）不平衡率0.32%，低壓繞組直流電阻（線）不平衡率0.97%（環境溫度28℃），均符合標準要求，合格。

（3）箱變接地電阻測量

現場對箱變接地電阻和集電線桿塔進行接地電阻測量，測得箱變接地電阻為0.157 Ω，相關標準要求該接地電阻小于4 Ω（在與風電機組共用接地體時通常要求接地電阻小于1 Ω），符合標準要求，合格。

（4）集電線桿塔接地電阻測量

現場對集電線桿塔進行接地電阻測量，測得集電線桿塔接地電阻為0.608 Ω，相關標準要求該接地電阻小于10 Ω，符合標準要求，合格。

2 故障現象分析

2.1 箱變避雷器不動作原因分析

根據放電箱變對應桿塔的避雷器放電計數器情況，可以判斷當雷電發生，桿塔避雷器發生了動作。而桿塔上避雷器型號YH10WZ-51/134，箱變避雷器型號YH5WZ-51/134，二者除了標稱電流參數差別外，其余均一致，尤其是動作電壓和殘壓參數均一致。

當桿塔避雷器發生動作，雷電流泄放后，殘余電壓幅值不足以達到箱變避雷器的動作電壓，從絕緣配合的角度，桿塔上避雷器的保護范圍是防止集電線過電壓進入箱變，而箱變內避雷器保護范圍是上級避雷器到箱變進線區間的過電壓，如當桿塔發生大電流入地時在電纜中產生的感應過電壓，因此，在這種避雷器參數配置下，前級保護動作后，后級保護不動作屬于正常情況。

2.2 桿塔避雷器頻繁動作現象分析

此次1號集電線上8＃桿塔避雷器放電計數器讀數為A相0次，B相7次，C相1次，9＃桿塔讀數為A相6次，B相8次，C相5次。另根據項目單位統計，5＃集電線路桿塔上避雷器放電計數器讀數如表1所示。

表1 5＃號集電線避雷器計數

通過數據統計可以看出，在投入運行不到一年的情況下，桿塔避雷器上最大動作次數達到21次，在配置避雷線的情況下，出現如此多的雷電直擊相線的情況，繞擊率非常高，不合常理，說明線路避雷線的布置和線路的防雷系統不正常。

對于雷閃存在一定的閃擊距離（是指先導頭部距地上目標發生放電的距離），同時，相關研究認為先導頭部到達閃擊距離前，擊中點是不確定的，只有當到達閃擊距離時，才會產生放電，閃擊距離與先導中的電荷有關，即其與雷電流大小有關，其經驗表達式為：

式中：γs為平均閃擊距離，m；Ia為雷擊電流，kA。

可知，避雷線的防雷效果因雷電流的大小而變化，當雷電流增大時，閃擊距離γs增大，繞擊率就小；當雷電流減小時，閃擊距離γs減小，繞擊率就大。因此，對于避雷線設計時需要充分分析現場當地的雷暴情況，結合雷電流大小，選擇合適的避雷線保護距離。而該風電場屬于平原地區，雷電流幅值一般較小，對應的閃擊距離也小，從而增大了繞擊概率，導致集電線相線遭受的雷擊次數遠超正常水平。

2.3 雷擊過電壓及電弧能量來源分析

雷擊是一種空間放電的長距放電過程，形成了一個等離子通道，95%的雷擊為負極性雷擊。雷擊過程中分為首次雷擊和后續雷擊。而一般雷電過程除了首次雷外，常伴隨多次后續雷擊脈沖，雷越小，后續雷脈沖越多［13-16］。

參照IEC 62305-1給出了首次雷與后續雷的雷電流參數，后續雷的電流峰值大約為首次雷的25%，波頭時間為0.25 μs，而首次雷波頭時間為1 μs（負極性），同時也可以看出，后續雷的陡度（di/dt）在標準參數下將是首次雷的2倍。

由于該風電場處于平原地區，其雷電流較小，估計在1～2 kA左右（桿塔避雷器標稱電流10 kA，若雷電流大可能導致桿塔避雷器損壞），其峰值情況下可能導致桿塔避雷器動作，但后續雷由于電流峰值較小，所以不足以使得箱變避雷器動作，從而進入變壓器高壓端子，但是，由于變壓器高壓線圈為感性元件，其空心電感值在0.5～1 H左右，根據電感元件特性，若所有的后續雷電流施加高壓線圈上，則其感應電勢：

其數量級為10的9次方左右，因為高壓線圈為△接法，并不存在直接接地點，因此該過電壓將通過高壓線圈內部、高壓線圈對鄰近外部其他繞組及接地元件之間的電容電感分布情況進行傳遞。

正是在后續雷擊雷電流的作用下，形成了過電壓，造成了變壓器內的過電壓分布，導致空氣擊穿形成電弧擊穿通道。由于變壓器仍處于風機與電網電氣連接的狀態，工頻工作電壓的疊加和能量供給延長了電弧的熄滅時間，使得電弧短路過程得以持續，最終導致熔斷器熔斷，真空斷路器動作。

同時，線圈外部的B、Y端子及連接桿、分接區等外部裸露端子形成電極。Y頭連接桿至分接區最近端子最小空氣間隙約為300 mm，由于箱變內濕度較大，線圈表面有輕微污穢，其300 mm沿面空氣間隙放電電壓大約在100 kV左右（放電場強約0.33 kV/mm），因此在過電壓產生時，外部裸露電極間形成電弧放電通道，導致B相上部X端子及連接桿與分接區分接螺栓之間形成放電電弧通道，并形成電弧等離子體，此時，電弧沿著電場方向在凸臺表面，線圈有導體部分的表面擴展，形成了電弧灼傷，同時，線圈下部銅排端子下部尖端也與中部分接螺栓形成放電通道。

綜上所述，箱變發生的放電是由于后續雷擊與箱變處于正常工頻工作狀態共同作用的結果。

2.4 跌落保險動作分析

安裝在線路分支上的跌落保險是一種短路保護開關，出現變壓器高壓側外部放電現象時，對地電弧形成對地電弧短路，相間電弧則形成相間電弧短路，此時電弧電流大，由集電線傳輸的電能流過跌落保險，促使其熔斷，形成一個明顯的斷開點，迅速隔離故障。

本項目的干式變壓器高壓線圈為“△”連接，任意一相繞組端子放電，其電流都可能來源于其他相繞組，因此，三相跌落保險各種動作組合情況的出現是可能的。本項目發生故障的箱變，其35 kV側跌落保險動作情況就出現了多種組合，其中三相均發生熔斷出現了2次，兩相熔斷出現了2次，單相熔斷僅出現了1次。跌落保險正確動作，可以及時切斷故障電流，為電弧熄滅創造條件。

3 故障處理

3.1 現場快速修復的條件

（1）保險正確動作，發揮了保護作用，線圈表面絕緣層受損程度較輕，且要求澆注螺母無明顯損傷，因為澆注螺母被樹脂固化后，已不能在現場更換。

（2）高壓線圈表面絕緣采用了冗余設計，真空澆注樹脂層厚度大于2 mm，按樹脂絕緣強度16 kV/mm估算，高壓線圈內部導體已具有較高絕緣水平；而形成線圈內部導體對外絕緣能力的，還有空氣間隙，空氣間隙的絕緣強度是可快速恢復的。

（3）高壓線圈對低壓線圈及地的絕緣狀態保持良好。

3.2 主要步驟

清洗灼傷的黑斑，直至表面炭化的黑點完全消失，紅色底層清晰可見。對表面被電弧灼傷的連接桿，灼傷嚴重時予以更換，并更新其護套絕緣件。對已發生動作的熔斷器或保險，予以更換。然后進行直流電阻及絕緣電阻測量，也可以附加現場工頻耐壓試驗，判斷試驗合格后，還要檢查變壓器電氣連接和輸電線路，確認正常后轉變壓器投運流程，恢復其運行。

3.3 處理結果

經處理，發生閃絡的產品均重新送電，運行正常。干式變壓器發生表面閃絡后，受影響的只是外絕緣表層局部區域，其內絕緣并未損傷，處理后可以滿足安全運行條件。本項目的故障產品，從開始處理到重新投運送電，最短時長3 h，較快恢復到正常發電狀態。

4 分析與討論

通過統計數據來看，桿塔避雷器動作次數過于頻繁，對于設置有避雷線的架空線路，其雷擊次數不合理。

平原地區雷電流小，后續雷數量多，而后續雷電流峰值小，其在對地回路產生的過電壓不足以使得桿塔及箱變避雷器動作，從而進入變壓器。

后續雷雖然電流峰值小，但其波頭時間小，陡度大，di/dt高，對于大電感的高壓線圈而言，根據電感特性，u＝L·di/dt，其將在線圈上產生極高的過電壓，最終形成沿面的電弧放電，同時電弧中的等離子體沿著線圈表面電場方向延伸，形成表面的灼燒痕跡，并在工頻電網和風機的作用下，使得電弧得以持續一段工作時間，最終導致跌落保險和高壓真空斷路器動作；與山地風電雷擊通常發生在最高處的風機葉片大不相同，平原型風電場雷電波繞擊架空輸電線的概率較大，可以通過輸電線路傳輸使變壓器等變電設備遭受損壞。

預防措施：（1）建議針對風電場的雷擊特點，分析其雷電特性，改善架空線路的防雷設計，避免雷電繞擊至相線［17-18］；（2）建議在入地電纜頭前端增加電抗器，其主要起到平波作用，以緩解后續雷入侵變壓器陡度，降低過電壓幅值。

5 結束語

本文對一起平原型風電場雷擊損壞的各種故障現象進行了分析，如箱變避雷器不動作是因為前級動作電壓和殘壓參數均一致的避雷器已動作，桿塔避雷器頻繁動作是因為雷電繞擊集電線次數遠超正常水平，變壓器在后續雷擊雷電流的作用下線圈上產生極高的過電壓并有工頻電流參與建弧以及跌落保險動作多種組合形式符合高壓線圈連接特點。

干式變壓器發生表面閃絡后現場快速修復需要滿足一定條件，如線圈表面絕緣層受損程度較輕且要求澆注螺母無明顯損傷、高壓線圈表面絕緣采用了冗余設計、高壓線圈對低壓線圈及地的絕緣狀態保持良好等。平原地區雷擊特點是雷電流小、后續雷陡度大，建議改善架空線路的防雷設計、并在入地電纜頭前端增加電抗器，供研究類似故障參考。