貴州某光伏電站典型故障分析與研究

中節能太陽能關嶺科技有限公司 劉士起

太陽能是儲量最豐富的清潔能源之一，光伏發電作為利用太陽能的一種有效方式，對于緩解我國能源結構性短缺有著重要的地位。在“雙碳”戰略目標下，光伏發電將由主力替代傳統能源成為市場主體能源，由戰略性新興產業轉變到國家支柱產業，可再生能源是能源發展的方向[1-2]。因此，光伏電站投產運營后的運維工作是電站可持續發展的堅強護盾，也是電站的穩定性收益的重要保障。設備選擇、施工、運維等環節故障頻發，對電網安全和穩定產生了較大影響，也嚴重影響了電站的經濟效益。為有效降低光伏電站故障率，主動適應高比例新能源、保障高比例電力電子設備的接入系統，提升電站電力系統的可靠性和電能質量，更好地保障電力系統安全穩定與推動綠色低碳發展。本文以貴州某光伏電站的典型故障為例進行分析研究，總結大型山地集中式光伏項目的檢修經驗，同時就項目建設過程中的施工質量管理存在的問題與后期運維提出了相關建議。

1 設計不滿足當地自然環境引發的故障

1.1 35kV 斷路器運行放電故障

110kV 升壓站35kV 高壓室內301開柜母排室運行過程中伴隨“呲呲呲”異響，經判定為放電聲，存在嚴重安全隱患。貴州省自古有“天無三日晴，地無三尺平”之說，該項目升壓站所在地海拔約1200km，緊鄰北盤江，小氣候現象突出，9月至次年1月大霧天氣居多，空氣濕度長期維持在70%以上[3]。由于高壓室未設計除濕系統，長期運行后，絕緣體出現凝露現象，絕緣能力下降，進而致使發生銅排對絕緣體持續放電。

排查故障中發現，開關柜母線室內絕緣體表面有凝露現象。根據GB3906-2006的標準，40.5kV高壓開關柜應長期在濕度50%以下運行。通過對高壓開關柜母線室內緣體表面有凝露現象導致母排產生持續放電分析，凸顯出設計者在設計時未充分考慮當地地理環境和小氣候環境，導致該設計不符合現場實際運行條件，最終發生了上述問題。

此類故障處理方法如下。第一，采用除濕機或生石灰（生石灰具有很強的吸潮吸水性）等手段降低室內濕度。第二，停電做好安全措施后，檢查放電位置絕緣損壞情況，視情況加強絕緣體的絕緣性能，防止持續放電造成擊穿。如果放電導致絕緣體損壞，需進行更換并升級其絕緣性能后再投運；如果具備繼續使用的條件，用酒精擦拭母線室絕緣體，自然晾干后，采用熱風機等對母線室進行烘干作業。第三，檢查無誤后試運行，其間加強巡視，觀察運行情況。

由此可見，貴州省獨特的地理條件和環境特點對電氣設備要求較高，在設計及運維階段都需要因地制宜地進行氣候分析，并且不斷優化。項目在設計階段，設計者不僅要在設備選型上因地制宜，更要在設計階段充分調研當地氣候現象，確保設計滿足設備運行條件。在運行維護階段，發現由于地理條件和環境特點造成電站電氣設備的帶病運行，應及時采取措施改善環境、優化設備，同時及時反饋到設計方及在建項目，從設計階段將問題的根源消除。

1.2 箱變設計缺陷引發的故障

貴州某光伏電站B 標段安裝某公司生產的3150kVA 箱變13臺，于2019年12月底投產運行。貴州關嶺地區的地理環境以及氣候環境與貴州其他地區有所不同，主要是因為貴州的喀斯特地貌氣候分布不均勻。特別是夏季，箱變的散熱及外殼的運用對關嶺地區的設備運行安全來說是十分重要的。想要選擇適合當地環境材質的箱變外殼及散熱方式，就要在設計階段充分了解當地高溫高濕環境下對箱變外殼及箱變散熱造成的一系列影響。

貴州某光伏電站在2020年4月到7月間處于高溫高負荷時期，接連發生低壓室溫控器燒毀故障，導致箱變本體風機不能正常啟動，進而引起箱變超溫保護跳閘。另長期處于高溫高濕環境下，箱變外殼內部高壓電氣設備較長時間在濕度超過70%以上的環境中運行，導致固體絕緣物表面不斷吸收潮氣并形成水膜，使得局部電場強度增加，發生放電，并引起沿面閃絡電壓下降。吸收的潮氣越多，沿面閃絡電壓則降低越多，這種沿絕緣物表面放電，會使絕緣物表面局部過熱至碳化并伴有強烈的放電聲和煳味。其最終會造成相對的和相間短路故障，從而發生重大電氣事故。

分析認為，箱變排風系統的低壓室未設計排風系統，造成箱變低壓室處于高溫及高濕的狀態，溫度升高后，室內二次設備運行環境發生巨大變化，再加上箱變外殼防潮度低，濕度增加，吸收的潮氣越多，室內的運行濕度越大。貴州某光伏電站直流側與交流側容配比為1.3：1，4月份到7月份箱變長期處于高負荷運行階段，加之高溫高濕的運行環境及高海拔太陽輻射強，天氣非常好時，當箱變在負荷率90%以上運行約2h，如圖1所示。因低壓室未設計排風散熱系統，導致低壓室熱量及濕度無法及時排出，引發箱變溫控器死機，箱變本體室溫攀升后未及時啟動風機散熱，導致箱變高溫跳閘。針對該高溫高濕環境下箱變低壓室排風散熱的問題，可以通過加裝排風扇的方式，對箱變低壓室進行排風除濕，防止低壓室在高負荷的情況下溫度攀升。

圖1 晴天時的功率曲線

后經廠家配合，貴州某光伏電站在箱變低壓室側面開窗并加裝排風扇后，有效解決了箱變超溫跳閘的問題。也同步改善了箱變內部高溫高濕的運行環境。

1.3 光伏區電纜橋架鼠患問題

貴州某光伏電站分AB 兩個標段同期開始建設，兩個總承包單位在光伏區電纜布置設計上采用了兩種不同的方式。A 標段采用外置電纜橋架的方式，B標段采用了電纜直埋方式。經對光伏區光伏電纜故障的統計分析，2021年共發生光伏區光伏電纜故障73次，其中A 標段電纜橋架內鼠患引起故障43次；B 標段未發生鼠患引起的光伏電纜故障。

A 標段光伏電纜故障主要有兩個方面原因。一是橋架布置位置均位于光伏區內，一方面是施工質量問題，電纜橋架存在縫隙，當夜晚來臨時橋架內由于白天運行余留溫度較高，適宜老鼠活動與逗留。另一方面埋入地下的橋架也容易被老鼠打洞進入。二是光伏電纜是非鎧裝保護的戶外電纜，絕緣層及保護層較薄，容易遭到動物啃食。電纜絕緣層被破壞引起相間短路或接地故障，進而造成逆變器停運。電站運維人員通過對橋架進行全面的排查和封堵后，效果顯著，但仍時有鼠患破壞電纜的情況發生。因此建議新建項目光伏區在設計與建設期間，無鎧裝保護的電纜應盡量避免采用橋架模式，可以采用穿細管直埋方式。若使用橋架的方式，應在施工階段做好橋架的封堵與橋架外殼的選型，避免老鼠進入啃食。

2 施工質量不合格引發的故障

貴州某光伏電站投產三個月內發生35kV 電纜終端故障5次，故障點均集中在銅屏蔽層斷口和半導斷口處如圖2所示。

圖2 35kV 電纜終端頭故障

發生上述故障的主要原因是電纜終端頭制作安裝工藝不合格。第一，電纜終端頭制作時外部環境較差，箱變電纜室未采取有效的防護措施，導致沙子等雜質進入，運行過程的強電場導致氣隙放電，擊穿終端頭絕緣。第二，施工技術員工藝處理環節存在問題：半導剝切時劃傷主絕緣體；銅屏蔽層斷口處未處理平滑；冷縮管的應力錐未套到半導層之上，導致電應力場集中的位置被擊穿。

貴州某光伏電站共有35kV 電纜終端頭64個，其制作安裝的質量直接影響電纜的安全穩定運行和發電效益。對上述原因進行分析后，認定為上述故障是由于B 標段總包單位技術團隊施工質量造成。因此及時要求總包單位更換了方案，為確保質量，此次電纜終端頭更換全部由電纜終端廠家技術員進行，其利用8個夜間不發電時間對存在質量問題的30個電纜終端頭重新制作并安裝，投運后未再發生故障。

電纜終端頭制作電時由于生產廠家、電壓等級不同、電纜頭的制作工藝要求不盡相同。因此施工必須認真熟悉電纜附件生產廠家提供的資料，嚴格按照生產廠家的工藝規定制作電纜頭。水分和小雜質對電纜接頭有害，容易引起局部放電的發生，在接頭施工中一定要注意環境濕度及粉塵情況。選擇無風雨霧雪、無揚塵潮氣的時機制作電纜頭，電纜鋪設、試驗前后必須對電纜頭做好密封、防止受潮。在項目建設過程中，電纜頭在空氣中暴露的時間越長，侵入雜質，水分，氣體，灰塵等的可能性就越大，從而影響終端頭質量。因此要求在施工之前充分做好各項準備工作，保證制作時不間斷，一氣呵成。

3 定期檢修漏項引發的故障

匯流箱是直流設備中的樞紐設備之一，也是監控系統末端智能設備[4]。因此，電站投運后，會定期對匯流箱進行檢修，主要工作是進行電流電壓校對和端子緊固。運行期間發生了一次因端子松動導致匯流箱負極母排燒毀故障，如圖3所示。

圖3 匯流箱母排故障

此次故障是由于熔絲底座端子松動，導致負極母排與熔絲底座連接處虛接發熱，造成弧光短路，燒毀負極母排及正負極臨近的熔絲底座。此次故障是由于定期巡檢期間，檢修人員緊固端子排不細致，留下了隱患，進而導致了故障的發生。一方面暴露了檢修人員定檢工作不認真，存在漏檢情況，另一方面也說明了定期檢修的重要性。因此，在后續的工作中加強員工責任心的同時，將定檢的計劃和屬地化考核相結合，有效地提升了設備運行動態管理，提高了定期檢修質量。

4 結語

在中國“富煤貧油少氣”以煤炭為主的能源結構中，“雙碳”戰略目標帶給光伏的發展空間無限，未來中國也將建設更多的光伏電站。因此電站建設過程中的質量把關顯得尤為重要，從建設的源頭上和日后的運維中不斷消除隱患，才能從根本上提升光伏電站運行的穩定性。通過總結貴州某光伏電站并網后暴露的典型故障，對后續新建項目在項目建設管理方面提供以下策略方法和改善意見作為參考。

第一，工程設計階段實事求是，不能搞拿來主義，施工應充分考慮項目所在地的地理環境和氣候，認真研判小氣候對設備的影響，嚴格計算相關參數，合理設計設備選型和配套設施；第二，大型光伏電站項目工程量大，建設周期短，糾錯成本高。建設期必須嚴格做好質量監督和驗收。必須按照標準工藝流程施工，做好隱蔽性工程檢查，消除設備隱患；第三，電站運營期要高度重視定期檢修，提前制定定期檢修計劃和方案，做到大小檢修結合、定期檢修與定期巡檢結合、計劃檢修與動態檢修相結合的方式。強化屬地化檢修項目互檢與評價，以提升定期檢修質量。