楊彥肖 ,解少朝 ,許振華 ,孫聆菱

(1.河北冀研能源科學(xué)技術(shù)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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出,國家能源戰(zhàn)略政策調(diào)整逐步實施,作為新能源行業(yè)的光伏發(fā)電近年來在一系列政策的支持下快速發(fā)展,根據(jù)能源發(fā)展“十三五”規(guī)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(hù)情況直接影響著發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在光伏電站的日常維護(hù)中,對光伏組件、逆變器等關(guān)注度較高,認(rèn)為變壓器問題相對較少。

光伏箱變是連接光伏發(fā)電并網(wǎng)端電量輸出的重要電力樞紐,運行中一旦發(fā)生故障,會對發(fā)電量造成影響,從而影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。對于充油設(shè)備絕緣油色譜分析是發(fā)現(xiàn)變壓器故障的有效手段,2018年抽檢了某企業(yè)分布在全國范圍內(nèi)的19個光伏電站的203個箱變色譜,通過色譜分析發(fā)現(xiàn)了光伏電站箱變潛在的一系列問題,針對這些問題進(jìn)行了解析,應(yīng)引起光伏運維人員的關(guān)注,為光伏電站在相關(guān)方面的運行維護(hù)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(jié)果僅有3個站色譜檢測無問題,其余均有超標(biāo)現(xiàn)象,統(tǒng)計情況如下:

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

b.本次普測還發(fā)現(xiàn)色譜超標(biāo)問題有家族聚集現(xiàn)象,其中有7個電站的箱變抽檢,色譜超標(biāo)率超過50%,有1個站超標(biāo)率甚至達(dá)到100%。并且部分超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重,氫氣最高達(dá)33 373.82,總烴最高為5 827.83,DL/T 722規(guī)定均不超過150。

3 色譜超標(biāo)情況分析

充油設(shè)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(chǎn)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(chǎn)生某些特征氣體的速度,根據(jù)油中溶解的特征氣體分析判斷充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障類型和發(fā)展趨勢。故障特征氣體的產(chǎn)生除與生產(chǎn)運行維護(hù)條件、方式密切相關(guān)外,還與充油設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點、生產(chǎn)工藝、安裝處理工藝等因素有關(guān)。針對本次色譜普測的結(jié)果,根據(jù)特征氣體判斷法和三比值法以及各站呈現(xiàn)出來的特點情況進(jìn)行故障及原因分析。

3.1 單氫超標(biāo)

3.1.1 超標(biāo)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(biāo)的現(xiàn)象出現(xiàn)。

b.設(shè)備在生產(chǎn)制造過程中,干燥工序不嚴(yán),變壓器內(nèi)部干燥不徹底,絕緣材料中含有水分,或設(shè)備密封不嚴(yán)受潮進(jìn)水,水分與變壓器內(nèi)部鐵部件發(fā)生反應(yīng)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(shè)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(shè)計結(jié)構(gòu)不合理,選材不合理等導(dǎo)致輕微的過熱產(chǎn)生氫氣。

3.1.2 原因判斷

對于本次普測中出現(xiàn)的單純氫氣超標(biāo)現(xiàn)象,其中有80%伴隨不同程度的烴類特征氣體出現(xiàn),有部分總烴雖然不超標(biāo)但已接近臨界值,甚至有相當(dāng)部分出現(xiàn)了乙炔,對于這部分箱變需要根據(jù)特征氣體法和三比值法進(jìn)行故障分析,并且加強監(jiān)測,如果氣體增長速率過大,故障嚴(yán)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(jìn)行濾油處理,如果不是聚集型的,可以排除a.中油質(zhì)本身的問題,本次普測除了色譜也同時進(jìn)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(wěn)定下來,通過濾油后能恢復(fù)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(dá)飽和,可以通過濾油監(jiān)測運行。NMG1和HY 單氫超標(biāo)數(shù)量達(dá)到了80%,屬于系統(tǒng)性缺陷應(yīng)聯(lián)系設(shè)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(biāo)

3.2.1 超標(biāo)情況

對于氫氣和總烴雙超標(biāo)的情況以典型的JL站和GX 站部分?jǐn)?shù)據(jù)來進(jìn)行分析,JL 站色譜超標(biāo)樣品數(shù)量達(dá)到了抽檢數(shù)量的90%,GX 站部分箱變色譜顯示氫氣和烴類氣體產(chǎn)生量大,超標(biāo)嚴(yán)重,GX 站和JL站詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 GX站部分色譜分析數(shù)據(jù) μL/L

表2 JL站色譜數(shù)據(jù) μL/L

3.2.2 原因判斷

對故障箱變色譜數(shù)據(jù)進(jìn)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?yōu)楦邼?、毛刺、雜質(zhì)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(luò),分接引線間油隙閃絡(luò)等。接觸過幾起類似的缺陷,經(jīng)局部放電試驗和解體檢查,原因多為產(chǎn)品制造過程中工藝控制不嚴(yán),繞組接引不良,包扎等工藝不過關(guān),有褶皺,運行時電場分布不均勻,或有氣隙放電。結(jié)合對特征氣體進(jìn)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(fù)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(yīng)立即進(jìn)行停運檢查并聯(lián)系設(shè)備廠家查找設(shè)備制造問題,GX故障箱變也為放電性故障,故障較為嚴(yán)重,應(yīng)立即停運檢修。

表3 色譜故障三比值編碼結(jié)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(biāo)的箱變共69臺進(jìn)行了故障分析,故障類型統(tǒng)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(tǒng)計來看,本次光伏箱變色譜普測分析色譜超標(biāo)的故障中較為嚴(yán)重的高能放電性故障占比最大,這些設(shè)備應(yīng)立即進(jìn)行檢修維護(hù)。在運行3～4年的光伏充油箱變設(shè)備中出現(xiàn)高達(dá)34%的潛伏性故障問題且故障多為較為嚴(yán)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(fā)展成更為嚴(yán)重的事故,將給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失,值得引起關(guān)注,更為值得注意的是光伏箱變色譜檢出故障設(shè)備有一定的聚集性,即一些站的設(shè)備故障率較高,需要考查這些站上所用廠家批次的設(shè)備是否存在缺陷。

4 原因分析及對策

由于近年來光伏發(fā)電的迅猛發(fā)展,尤其是趕超“6.30”、“12.31”的時間節(jié)點,許多項目工期時間短,對設(shè)備質(zhì)量工藝及施工安裝把控不嚴(yán),投運前沒有按規(guī)程進(jìn)行驗收,可能部分在投運前就有超標(biāo)現(xiàn)象,濾油不徹底導(dǎo)致運行普檢發(fā)現(xiàn)的問題較多。

箱變型號種類和生產(chǎn)廠家眾多,質(zhì)量良莠不齊,設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理、繞組及絕緣材料選擇不當(dāng)、安裝工藝不良均會造成色譜超標(biāo),不加以整改長期帶此缺陷運行會造成設(shè)備擊穿等事故的發(fā)生。箱變繞組的結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)電壓等級及容量進(jìn)行合理設(shè)計,增強工藝控制力度,嚴(yán)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(biāo)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(biāo)現(xiàn)象較多,因此建議變壓器在出廠前進(jìn)行局部放電試驗。

針對色譜分析有放電的箱變進(jìn)行相關(guān)試驗及分析有幾種典型情況。

a.光伏發(fā)電負(fù)荷變化很大,在大負(fù)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(yán)重超標(biāo),開蓋檢查后發(fā)現(xiàn)有繞組脫落現(xiàn)象,局部有拉弧燒灼痕跡。

c.箱變低壓側(cè)為380～450 V 接逆變器運行方式,部分電纜施工不嚴(yán)謹(jǐn)造成短路故障,低壓跳閘反應(yīng)時間較長,箱變內(nèi)部低壓繞組產(chǎn)生短時拉弧。對這些問題公司及時進(jìn)行檢修維護(hù),加固零部件,更換不合格部件,檢修后對色譜超標(biāo)嚴(yán)重的變壓器油進(jìn)行更換。

光伏箱變運行環(huán)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(yán)變壓器油長期與濕度較大空氣接觸,受潮嚴(yán)重,這是部分氫氣超標(biāo)的一個原因;西北地區(qū)屬于林光互補,箱變處于風(fēng)沙之中,有細(xì)沙塵混入。針對這一情況應(yīng)加強箱變的密封工藝,按規(guī)程進(jìn)行油色譜監(jiān)測,增強濾油,避免受潮和雜質(zhì)污染造成嚴(yán)重故障。

光伏電站箱變數(shù)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(fā)展成嚴(yán)重的放電缺陷,建議對剩下未檢色譜的箱變進(jìn)行色譜全檢,對有問題的及時進(jìn)行檢修維護(hù)或加強監(jiān)測,避免小故障進(jìn)一步演化成事故,帶來更大的經(jīng)濟(jì)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(jié)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(shè)備質(zhì)量設(shè)計不合理、工藝不良、有些光伏分布特性運行環(huán)境惡劣等原因?qū)е孪渥冇椭腥芙鈿怏w總體超標(biāo)率高達(dá)34%,且高能放電故障占比較高,在故障中占比達(dá)69.6%,故障設(shè)備有集中出現(xiàn)在某些站的情況,應(yīng)加強對光伏充油箱變進(jìn)行色譜分析,根據(jù)色譜分析情況有針對性的進(jìn)行設(shè)備維護(hù),選擇優(yōu)質(zhì)光伏箱變設(shè)備,加強對設(shè)備生產(chǎn)監(jiān)造和安裝工藝的把控,嚴(yán)格出廠前和投運前相關(guān)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(huán)節(jié),防止在運行中出現(xiàn)較多的嚴(yán)重故障,避免給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。