孫 星， 李亞星， 竇永強(qiáng)

（1.中廣核新能源控股有限公司內(nèi)蒙古分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010040；2.內(nèi)蒙古興邦聯(lián)合光伏新能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

發(fā)生箱變故障的電站總裝機(jī)容量50 MWp，光伏組件采用EG-255P60-C 組件，逆變器為集中式逆變器，單機(jī)額定容量500 kW，箱式變壓器為ZGS11-Z.T-1000/38.5 型雙二次繞組變壓器，額定容量1 000 kVA，聯(lián)結(jié)組別為D-y11，y11。1 臺(tái)箱式變壓器帶2 臺(tái)集中式逆變器（見圖1），全站共50 臺(tái)箱式變壓器，以5 回35 kV 線路通過(guò)地埋電纜接入光伏電站35 kV 母線側(cè)。

變壓器內(nèi)部采用三相三柱式鐵芯，鐵芯柱和鐵軛由鋼片疊加而成，采用斜接縫搭接，接縫形式為五步搭接，此種搭接形式可以有效降低鐵芯柱和鐵軛接縫之間產(chǎn)生的損耗。變壓器低壓側(cè)為雙繞組，2 個(gè)低壓繞組依次緊貼鐵芯按雙層螺旋排布進(jìn)行纏繞，繞組之間由絕緣紙進(jìn)行絕緣，2個(gè)低壓繞組的出頭母排分別布置在變壓器的上下兩端。高壓繞組纏繞在空心的絕緣紙筒上，最后整體套在低壓繞組上。變壓器整體結(jié)構(gòu)分為3 部分：高壓室、低壓室、油箱本體及散熱片，具體參數(shù)見表1。

1 低壓側(cè)繞組接地故障

1.1 故障情況

2018 年10 月29 日，電站運(yùn)維人員對(duì)全站箱變進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，在對(duì)1 號(hào)箱變停電做絕緣檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)1 號(hào)箱變1 號(hào)低壓側(cè)a1、b1、c1三相對(duì)地絕緣電阻為0，1 號(hào)箱變低壓側(cè)斷路器進(jìn)線母排連接螺栓有燒黑痕跡，螺栓松動(dòng)。停電之前，該發(fā)電單元正常發(fā)電，隨后運(yùn)維人員對(duì)該臺(tái)箱變進(jìn)行了直流電阻測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)異常。初步判斷1 號(hào)箱變1 號(hào)低壓側(cè)內(nèi)部存在故障需開蓋檢查。2018 年11 月2 日返廠，開蓋吊出鐵芯后發(fā)現(xiàn)1號(hào)低壓側(cè)a1 相繞組出線銅排與支撐夾塊間的絕緣紙放電擊穿，導(dǎo)致a1 相母排與鐵芯支架的固定螺栓緊貼，形成接地點(diǎn)。

圖1 箱式變壓器發(fā)電單元簡(jiǎn)圖

表1 變壓器參數(shù)

1.2 故障分析及處理

因箱變的聯(lián)結(jié)組別為D-y11，y11,低壓側(cè)采用中性點(diǎn)不接地方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，根據(jù)光伏發(fā)電特性，從兩個(gè)方面對(duì)故障情況進(jìn)行分析。

一是當(dāng)逆變器工作于離網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，即夜晚或輻照度不足時(shí)，逆變器工作于待機(jī)狀態(tài)。此時(shí)，箱變工作于配電狀態(tài)，逆變器作為用電負(fù)荷由電網(wǎng)通過(guò)箱變供給維持逆變器待機(jī)狀態(tài)的電能。1號(hào)低壓側(cè)a1 相銅排與鐵芯支架固定螺栓間絕緣損壞形成接地點(diǎn)，但系統(tǒng)三相線電壓保持不變，可以正常給逆變器供電。這種狀態(tài)不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，持續(xù)運(yùn)行可能導(dǎo)致低壓側(cè)兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地。

二是當(dāng)逆變器工作于并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，因逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為無(wú)中性線引出的三相三線不接地逆變系統(tǒng)，逆變器控制系統(tǒng)只能測(cè)量或控制并網(wǎng)點(diǎn)的線電壓，且零序電流為0。根據(jù)逆變器三相穩(wěn)態(tài)模型分析，三相三線不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，無(wú)法形成電氣閉合回路，因此不產(chǎn)生接地電流，等效位在中性點(diǎn)產(chǎn)生接地阻抗。對(duì)于三相逆變器輸出回路來(lái)說(shuō)相當(dāng)于在每一相的輸出回路中串入了阻抗，不破壞系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型。逆變器可以工作于并網(wǎng)狀態(tài)，但是輸出效率降低。

2 高壓側(cè)斷線故障

2.1 故障情況

2019 年4 月4 日16 時(shí)24 分，光伏電站36 區(qū)逆變器故障跳閘，故障報(bào)文為低電壓穿越和電網(wǎng)欠壓告警故障，逆變器復(fù)位無(wú)效，機(jī)組故障停機(jī)。后臺(tái)監(jiān)控顯示箱變1 號(hào)、2 號(hào)低壓側(cè)三相交流電壓分別為：ac 相280 V AC、bc 相250 V AC、ab相46 V AC?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部有輕微放電聲音，變壓器周圍空氣有明顯臭雞蛋氣味。運(yùn)維人員立刻對(duì)箱變所在集電線路停電后進(jìn)行故障排查，測(cè)量箱變高壓熔斷器保險(xiǎn)正常，測(cè)量箱變高、低壓側(cè)相對(duì)地絕緣正常，在測(cè)量箱變高壓側(cè)相間絕緣時(shí)發(fā)現(xiàn)A 相繞組與其他兩相繞組的絕緣電阻為無(wú)窮大，初步判斷箱變高壓側(cè)A 相存在斷線情況。進(jìn)一步對(duì)箱變高壓側(cè)繞組進(jìn)行直流電阻測(cè)試，BC 相直流電阻正常，AC 相和AB 相直流電阻為無(wú)窮大，確定箱變高壓側(cè)A 相斷線。2019 年4 月6 日返廠開蓋后，發(fā)現(xiàn)A 相高壓負(fù)荷開關(guān)與高壓保險(xiǎn)之間的連接線燒斷，連接線從絕緣損壞到燒斷的過(guò)程中箱變內(nèi)部存在放電打火現(xiàn)象，造成變壓器油嚴(yán)重污染。

2.2 故障分析及處理

箱變高壓側(cè)斷線一般分為高壓引線斷線和高壓繞組斷線。本文故障變壓器高壓側(cè)繞組采用三角形接線，在故障測(cè)量時(shí)，AC 相和AB 相直流電阻為無(wú)窮大，BC 相直流電阻偏小，符合一相高壓引線斷線的故障特征。高壓繞組斷線后，以一相高壓繞組斷線為例，斷線相與相鄰繞組的直流電阻將增加2 倍，其余兩相直流電阻不變。圖2 為高壓A 相斷線示意圖及向量變化情況。

圖2 高壓A 相斷線示意圖及向量變化情況

在電氣量變化方面，高壓側(cè)無(wú)斷線相線電壓保持不變，斷線相的兩個(gè)線電壓大小變?yōu)樵€電壓的一半。低壓側(cè)有兩相線電壓相等且略小于原線電壓，一相線電壓理論上降低為0，但實(shí)際測(cè)量時(shí)因感應(yīng)電壓的存在，測(cè)量值在幾十伏左右。

3 高低壓側(cè)短路故障

3.1 故障情況

2019 年5 月14 日14 時(shí)5 分，10 號(hào)箱變低壓側(cè)斷路器跳閘，電站運(yùn)維人員立即前往事故地點(diǎn)查看故障情況，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)變壓器聲音異常，現(xiàn)場(chǎng)噴出大量變壓器油。此時(shí)，故障箱變所在的35 kV 集電II 線353 開關(guān)過(guò)流一段動(dòng)作，353 斷路器跳閘。線路跳閘后，運(yùn)維人員立即將35 kV 集電II 線353 開關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)至檢修狀態(tài)，將故障箱變從線路中解列，進(jìn)行故障查看。查看保護(hù)裝置動(dòng)作情況，353 開關(guān)保護(hù)裝置報(bào)三相過(guò)電流、相間過(guò)電壓?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)箱變低壓側(cè)繞組三相對(duì)地短路，高壓側(cè)保險(xiǎn)熔斷，壓力釋放閥動(dòng)作，現(xiàn)場(chǎng)噴出大量發(fā)黑的變壓器油，確定箱變內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障，需返廠開蓋檢查維修。2019 年5 月17 日返廠開蓋后，發(fā)現(xiàn)低壓側(cè)b1、b2 兩相繞組燒毀，高壓側(cè)B 相繞組燒毀，B 相立柱鐵芯崩壞，鐵芯下軛鐵的部分鐵芯崩壞。低壓側(cè)a1、a2 兩相繞組損壞，高壓側(cè)A 相立柱鐵芯局部崩壞。

3.2 故障分析及處理

查看故障錄波（圖略），故障瞬間，35 kV 母線A 相、B 相電壓跌落，導(dǎo)致35 kV C 相電壓突變升高，隨后2 號(hào)光伏進(jìn)線A 相、B 相過(guò)電流產(chǎn)生，過(guò)流值超過(guò)系統(tǒng)定值后，保護(hù)啟動(dòng)，2 號(hào)光伏線353 斷路器跳閘。從故障濾波還可以發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生初始階段A、B 相短路接地，C 相絕緣未損壞，C 相故障電流滯后于A 相、B 相，當(dāng)高壓故障進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，因箱變高壓側(cè)三相接線組別為角接，表現(xiàn)為高壓三相短路接地，此時(shí)C 相才產(chǎn)生故障電流。

從變壓器解體后內(nèi)部故障情況來(lái)看，低壓側(cè)b1、b2 兩相繞組短路為故障起因，短路放電后導(dǎo)致低壓繞組和高壓繞組之間的絕緣擊穿，使故障擴(kuò)大導(dǎo)致高低壓繞組短路，高低壓短路后釋放巨大的電弧引發(fā)鐵芯機(jī)械性損傷，同時(shí)變壓器油承受高溫發(fā)熱沖開壓力釋放閥。箱變解體后查看高低壓繞組發(fā)現(xiàn)，B 相低壓繞組存在局部燒毀嚴(yán)重的情況，可以初步判定B 相低壓繞組間存在絕緣薄弱點(diǎn)。

考慮到變壓器發(fā)生高低壓短路故障后，變壓器內(nèi)部承受較大的短路沖擊，從解體情況看，變壓器內(nèi)部鐵芯和鐵軛都存在不同程度的變形，B相繞組全部燒毀，A 相繞組也存在變形和輕微損壞，對(duì)變壓器進(jìn)行了報(bào)廢處理。

4 防范措施

1） 低壓側(cè)采用星形接線且無(wú)中性點(diǎn)引出線的箱式變壓器，當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，因無(wú)零序電流產(chǎn)生，且三相線電壓未發(fā)生變化，逆變器仍可以工作于發(fā)電狀態(tài)，一方面不利于故障排查，另一方面會(huì)導(dǎo)致故障的擴(kuò)大，存在較大的安全隱患。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在逆變器交流輸出端增加了絕緣監(jiān)測(cè)裝置，系統(tǒng)并網(wǎng)前加入了絕緣合格的啟動(dòng)條件，如果絕緣檢測(cè)不合格，系統(tǒng)報(bào)絕緣故障，不能并網(wǎng)發(fā)電。對(duì)于新建光伏電站，建議設(shè)備選型時(shí)選擇三相四線逆變器，箱式變壓器匹配D-yn11,yn11 接線組別變壓器。

2） 電站日常運(yùn)維應(yīng)重視變壓器的絕緣監(jiān)測(cè)，定期進(jìn)行絕緣檢測(cè)工作。特別是采用星形接線且無(wú)中性點(diǎn)引出線的箱式變壓器的電站，應(yīng)增加絕緣檢測(cè)的頻率，建議1 個(gè)月進(jìn)行一次箱變低壓側(cè)絕緣檢測(cè)工作。

3） 預(yù)防箱變內(nèi)部絕緣故障，應(yīng)重視油樣化驗(yàn)工作。從本文發(fā)生的兩起高壓故障來(lái)看，產(chǎn)生斷線和繞組短路都是因?yàn)榇嬖趦?nèi)部絕緣薄弱點(diǎn)。內(nèi)部絕緣故障前期要經(jīng)歷一個(gè)絕緣惡化的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中會(huì)發(fā)生局部的過(guò)熱，定期進(jìn)行油樣化驗(yàn)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣惡化的過(guò)程，進(jìn)行故障提前干預(yù)，降低故障損失。對(duì)于日常運(yùn)行中油溫明顯偏高的變壓器，尤其要加強(qiáng)日常巡視并增加油樣化驗(yàn)的頻率。

4） 應(yīng)重視電站投建時(shí)的技術(shù)選型工作，在進(jìn)行箱式變壓器選型時(shí)要結(jié)合整體電氣設(shè)計(jì)、當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境等因素，特別關(guān)注鐵芯材料、繞組規(guī)格、絕緣材料的使用，增加與生產(chǎn)廠家的技術(shù)溝通，確保所選用產(chǎn)品的合格性和合理性。