平原型風(fēng)電機(jī)組用箱變雷擊損壞探討

楊 明，袁乙專(zhuān)，趙 紅，袁樂(lè)心，毛啟武

（明珠電氣股份有限公司，廣州 511400）

0 引言

中國(guó)風(fēng)電開(kāi)發(fā)初期，由于風(fēng)機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較低，平原地區(qū)還不具備開(kāi)發(fā)風(fēng)電的可能性，風(fēng)電多集中于風(fēng)資源更好的“三北”地區(qū)。然而，三北地區(qū)消納有限，風(fēng)電送出瓶頸明顯。于是，風(fēng)機(jī)廠家通過(guò)不斷創(chuàng)新技術(shù)，尋找新的開(kāi)發(fā)區(qū)域。隨著高塔技術(shù)的應(yīng)用、風(fēng)機(jī)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(qū)、低風(fēng)速地區(qū)具備了風(fēng)電開(kāi)發(fā)條件，其裝機(jī)量快速增長(zhǎng)。

“十三五”期間，我國(guó)風(fēng)電開(kāi)發(fā)重心向中東南部地區(qū)轉(zhuǎn)移逐步加快。起初，中東南部每年新增裝機(jī)容量只占20%，與“三北”地區(qū)相差甚遠(yuǎn)。如今中東南部地區(qū)每年新增裝機(jī)占比已達(dá)60%～70%。從目前已經(jīng)核準(zhǔn)情況來(lái)看，平原風(fēng)電在陸上風(fēng)電市場(chǎng)占有率約為10%～15%。風(fēng)力發(fā)電用箱變將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組連接到風(fēng)電場(chǎng)電力匯集網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)有一臺(tái)升壓變壓器，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電電能向用戶輸送功能的重要設(shè)備。樹(shù)脂絕緣干式變壓器具有許多優(yōu)勢(shì)［1-3］，包括：防火性能好；免維護(hù)；無(wú)污染；H級(jí)絕緣，耐熱能力強(qiáng)；機(jī)械強(qiáng)度高，抗突發(fā)短路能力強(qiáng)；安裝方便。因此在新能源領(lǐng)域特別是風(fēng)力發(fā)電用箱變上有較多應(yīng)用。由于平原型風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展較晚而快速，各類(lèi)電力故障風(fēng)險(xiǎn)防范還在探索之中，其中雷擊風(fēng)險(xiǎn)較為突出，嚴(yán)重威脅其安全運(yùn)行［4-8］。

本文通過(guò)對(duì)一起平原型風(fēng)電機(jī)組用箱變的雷擊故障進(jìn)行詳細(xì)分析，找出造成故障的原因，并提出了平原型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的雷擊損壞的防范和改進(jìn)措施，以提高平原型風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行水平。

1 某風(fēng)電場(chǎng)雷擊損壞情況

1.1 概況

中部地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)位于長(zhǎng)江中下游平原，屬于低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)。該項(xiàng)目共采用了63臺(tái)箱變，其變壓器均采用干式變壓器。項(xiàng)目于2020年9月并網(wǎng)至今，雷雨季節(jié)時(shí)間段，陸續(xù)發(fā)生雷擊事故3起，5臺(tái)箱變?cè)谠馐芡獠坷讚艉缶霈F(xiàn)變壓器高壓側(cè)外部放電現(xiàn)象，線路桿塔避雷器有多次動(dòng)作記錄，但箱變內(nèi)避雷器未發(fā)生動(dòng)作情況。箱變內(nèi)的干變高壓側(cè)端子附近表面發(fā)生閃絡(luò)，局部灼傷，并伴有保險(xiǎn)動(dòng)作。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)檢查

（1）架空輸電線檢查

該風(fēng)場(chǎng)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(jīng)桿塔跌落保險(xiǎn)后通過(guò)入地鎧裝三芯電纜接入箱變，如圖1所示。雷電防護(hù)上，除桿塔頂端有避雷線保護(hù)外，電纜前端還裝有避雷器［9-12］。

圖1 桿塔結(jié)構(gòu)

（2）一次回路檢查

桿塔進(jìn)線電纜經(jīng)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(cè)為YN接法，各相經(jīng)主框架斷路器后接入風(fēng)機(jī)，進(jìn)線避雷器安裝在電纜接入處。

（3）跌落保險(xiǎn)檢查

故障發(fā)生時(shí)，桿塔上三相跌落保險(xiǎn)均發(fā)生熔斷，箱變監(jiān)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(jīng)檢查：B相線圈Y頭引出端子與分接區(qū)之間存在明顯的閃絡(luò)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(wú)損傷。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

（1）絕緣電阻測(cè)量

對(duì)發(fā)生故障的箱變進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量，環(huán)境溫度28℃，濕度91%，高壓對(duì)地大于或等于100 MΩ，低壓對(duì)高壓及地大于或等于50 MΩ，鐵心對(duì)地大于或等于5 MΩ，均符合相關(guān)規(guī)程要求，合格。

（2）測(cè)量繞組的直流電阻

對(duì)故障箱變繞組進(jìn)行直流電阻測(cè)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(huán)境溫度28℃），均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，合格。

（3）箱變接地電阻測(cè)量

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)箱變接地電阻和集電線桿塔進(jìn)行接地電阻測(cè)量，測(cè)得箱變接地電阻為0.157 Ω，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求該接地電阻小于4 Ω（在與風(fēng)電機(jī)組共用接地體時(shí)通常要求接地電阻小于1 Ω），符合標(biāo)準(zhǔn)要求，合格。

（4）集電線桿塔接地電阻測(cè)量

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)集電線桿塔進(jìn)行接地電阻測(cè)量，測(cè)得集電線桿塔接地電阻為0.608 Ω，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求該接地電阻小于10 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，合格。

2 故障現(xiàn)象分析

2.1 箱變避雷器不動(dòng)作原因分析

根據(jù)放電箱變對(duì)應(yīng)桿塔的避雷器放電計(jì)數(shù)器情況，可以判斷當(dāng)雷電發(fā)生，桿塔避雷器發(fā)生了動(dòng)作。而桿塔上避雷器型號(hào)YH10WZ-51/134，箱變避雷器型號(hào)YH5WZ-51/134，二者除了標(biāo)稱電流參數(shù)差別外，其余均一致，尤其是動(dòng)作電壓和殘壓參數(shù)均一致。

當(dāng)桿塔避雷器發(fā)生動(dòng)作，雷電流泄放后，殘余電壓幅值不足以達(dá)到箱變避雷器的動(dòng)作電壓，從絕緣配合的角度，桿塔上避雷器的保護(hù)范圍是防止集電線過(guò)電壓進(jìn)入箱變，而箱變內(nèi)避雷器保護(hù)范圍是上級(jí)避雷器到箱變進(jìn)線區(qū)間的過(guò)電壓，如當(dāng)桿塔發(fā)生大電流入地時(shí)在電纜中產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓，因此，在這種避雷器參數(shù)配置下，前級(jí)保護(hù)動(dòng)作后，后級(jí)保護(hù)不動(dòng)作屬于正常情況。

2.2 桿塔避雷器頻繁動(dòng)作現(xiàn)象分析

此次1號(hào)集電線上8＃桿塔避雷器放電計(jì)數(shù)器讀數(shù)為A相0次，B相7次，C相1次，9＃桿塔讀數(shù)為A相6次，B相8次，C相5次。另根據(jù)項(xiàng)目單位統(tǒng)計(jì)，5＃集電線路桿塔上避雷器放電計(jì)數(shù)器讀數(shù)如表1所示。

表1 5＃號(hào)集電線避雷器計(jì)數(shù)

通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，在投入運(yùn)行不到一年的情況下，桿塔避雷器上最大動(dòng)作次數(shù)達(dá)到21次，在配置避雷線的情況下，出現(xiàn)如此多的雷電直擊相線的情況，繞擊率非常高，不合常理，說(shuō)明線路避雷線的布置和線路的防雷系統(tǒng)不正常。

對(duì)于雷閃存在一定的閃擊距離（是指先導(dǎo)頭部距地上目標(biāo)發(fā)生放電的距離），同時(shí)，相關(guān)研究認(rèn)為先導(dǎo)頭部到達(dá)閃擊距離前，擊中點(diǎn)是不確定的，只有當(dāng)?shù)竭_(dá)閃擊距離時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生放電，閃擊距離與先導(dǎo)中的電荷有關(guān)，即其與雷電流大小有關(guān)，其經(jīng)驗(yàn)表達(dá)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(dāng)雷電流增大時(shí)，閃擊距離γs增大，繞擊率就小；當(dāng)雷電流減小時(shí)，閃擊距離γs減小，繞擊率就大。因此，對(duì)于避雷線設(shè)計(jì)時(shí)需要充分分析現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)?shù)氐睦妆┣闆r，結(jié)合雷電流大小，選擇合適的避雷線保護(hù)距離。而該風(fēng)電場(chǎng)屬于平原地區(qū)，雷電流幅值一般較小，對(duì)應(yīng)的閃擊距離也小，從而增大了繞擊概率，導(dǎo)致集電線相線遭受的雷擊次數(shù)遠(yuǎn)超正常水平。

2.3 雷擊過(guò)電壓及電弧能量來(lái)源分析

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

參照IEC 62305-1給出了首次雷與后續(xù)雷的雷電流參數(shù)，后續(xù)雷的電流峰值大約為首次雷的25%，波頭時(shí)間為0.25 μs，而首次雷波頭時(shí)間為1 μs（負(fù)極性），同時(shí)也可以看出，后續(xù)雷的陡度（di/dt）在標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)下將是首次雷的2倍。

由于該風(fēng)電場(chǎng)處于平原地區(qū)，其雷電流較小，估計(jì)在1～2 kA左右（桿塔避雷器標(biāo)稱電流10 kA，若雷電流大可能導(dǎo)致桿塔避雷器損壞），其峰值情況下可能導(dǎo)致桿塔避雷器動(dòng)作，但后續(xù)雷由于電流峰值較小，所以不足以使得箱變避雷器動(dòng)作，從而進(jìn)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(jù)電感元件特性，若所有的后續(xù)雷電流施加高壓線圈上，則其感應(yīng)電勢(shì)：

其數(shù)量級(jí)為10的9次方左右，因?yàn)楦邏壕€圈為△接法，并不存在直接接地點(diǎn)，因此該過(guò)電壓將通過(guò)高壓線圈內(nèi)部、高壓線圈對(duì)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(jìn)行傳遞。

正是在后續(xù)雷擊雷電流的作用下，形成了過(guò)電壓，造成了變壓器內(nèi)的過(guò)電壓分布，導(dǎo)致空氣擊穿形成電弧擊穿通道。由于變壓器仍處于風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)電氣連接的狀態(tài)，工頻工作電壓的疊加和能量供給延長(zhǎng)了電弧的熄滅時(shí)間，使得電弧短路過(guò)程得以持續(xù)，最終導(dǎo)致熔斷器熔斷，真空斷路器動(dòng)作。

同時(shí)，線圈外部的B、Y端子及連接桿、分接區(qū)等外部裸露端子形成電極。Y頭連接桿至分接區(qū)最近端子最小空氣間隙約為300 mm，由于箱變內(nèi)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(chǎng)強(qiáng)約0.33 kV/mm），因此在過(guò)電壓產(chǎn)生時(shí)，外部裸露電極間形成電弧放電通道，導(dǎo)致B相上部X端子及連接桿與分接區(qū)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(shí)，電弧沿著電場(chǎng)方向在凸臺(tái)表面，線圈有導(dǎo)體部分的表面擴(kuò)展，形成了電弧灼傷，同時(shí)，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(fā)生的放電是由于后續(xù)雷擊與箱變處于正常工頻工作狀態(tài)共同作用的結(jié)果。

2.4 跌落保險(xiǎn)動(dòng)作分析

安裝在線路分支上的跌落保險(xiǎn)是一種短路保護(hù)開(kāi)關(guān)，出現(xiàn)變壓器高壓側(cè)外部放電現(xiàn)象時(shí)，對(duì)地電弧形成對(duì)地電弧短路，相間電弧則形成相間電弧短路，此時(shí)電弧電流大，由集電線傳輸?shù)碾娔芰鬟^(guò)跌落保險(xiǎn)，促使其熔斷，形成一個(gè)明顯的斷開(kāi)點(diǎn)，迅速隔離故障。

本項(xiàng)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(lái)源于其他相繞組，因此，三相跌落保險(xiǎn)各種動(dòng)作組合情況的出現(xiàn)是可能的。本項(xiàng)目發(fā)生故障的箱變，其35 kV側(cè)跌落保險(xiǎn)動(dòng)作情況就出現(xiàn)了多種組合，其中三相均發(fā)生熔斷出現(xiàn)了2次，兩相熔斷出現(xiàn)了2次，單相熔斷僅出現(xiàn)了1次。跌落保險(xiǎn)正確動(dòng)作，可以及時(shí)切斷故障電流，為電弧熄滅創(chuàng)造條件。

3 故障處理

3.1 現(xiàn)場(chǎng)快速修復(fù)的條件

（1）保險(xiǎn)正確動(dòng)作，發(fā)揮了保護(hù)作用，線圈表面絕緣層受損程度較輕，且要求澆注螺母無(wú)明顯損傷，因?yàn)闈沧⒙菽副粯?shù)脂固化后，已不能在現(xiàn)場(chǎng)更換。

（2）高壓線圈表面絕緣采用了冗余設(shè)計(jì)，真空澆注樹(shù)脂層厚度大于2 mm，按樹(shù)脂絕緣強(qiáng)度16 kV/mm估算，高壓線圈內(nèi)部導(dǎo)體已具有較高絕緣水平；而形成線圈內(nèi)部導(dǎo)體對(duì)外絕緣能力的，還有空氣間隙，空氣間隙的絕緣強(qiáng)度是可快速恢復(fù)的。

（3）高壓線圈對(duì)低壓線圈及地的絕緣狀態(tài)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(diǎn)完全消失，紅色底層清晰可見(jiàn)。對(duì)表面被電弧灼傷的連接桿，灼傷嚴(yán)重時(shí)予以更換，并更新其護(hù)套絕緣件。對(duì)已發(fā)生動(dòng)作的熔斷器或保險(xiǎn)，予以更換。然后進(jìn)行直流電阻及絕緣電阻測(cè)量，也可以附加現(xiàn)場(chǎng)工頻耐壓試驗(yàn)，判斷試驗(yàn)合格后，還要檢查變壓器電氣連接和輸電線路，確認(rèn)正常后轉(zhuǎn)變壓器投運(yùn)流程，恢復(fù)其運(yùn)行。

3.3 處理結(jié)果

經(jīng)處理，發(fā)生閃絡(luò)的產(chǎn)品均重新送電，運(yùn)行正常。干式變壓器發(fā)生表面閃絡(luò)后，受影響的只是外絕緣表層局部區(qū)域，其內(nèi)絕緣并未損傷，處理后可以滿足安全運(yùn)行條件。本項(xiàng)目的故障產(chǎn)品，從開(kāi)始處理到重新投運(yùn)送電，最短時(shí)長(zhǎng)3 h，較快恢復(fù)到正常發(fā)電狀態(tài)。

4 分析與討論

通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，桿塔避雷器動(dòng)作次數(shù)過(guò)于頻繁，對(duì)于設(shè)置有避雷線的架空線路，其雷擊次數(shù)不合理。

平原地區(qū)雷電流小，后續(xù)雷數(shù)量多，而后續(xù)雷電流峰值小，其在對(duì)地回路產(chǎn)生的過(guò)電壓不足以使得桿塔及箱變避雷器動(dòng)作，從而進(jìn)入變壓器。

后續(xù)雷雖然電流峰值小，但其波頭時(shí)間小，陡度大，di/dt高，對(duì)于大電感的高壓線圈而言，根據(jù)電感特性，u＝L·di/dt，其將在線圈上產(chǎn)生極高的過(guò)電壓，最終形成沿面的電弧放電，同時(shí)電弧中的等離子體沿著線圈表面電場(chǎng)方向延伸，形成表面的灼燒痕跡，并在工頻電網(wǎng)和風(fēng)機(jī)的作用下，使得電弧得以持續(xù)一段工作時(shí)間，最終導(dǎo)致跌落保險(xiǎn)和高壓真空斷路器動(dòng)作；與山地風(fēng)電雷擊通常發(fā)生在最高處的風(fēng)機(jī)葉片大不相同，平原型風(fēng)電場(chǎng)雷電波繞擊架空輸電線的概率較大，可以通過(guò)輸電線路傳輸使變壓器等變電設(shè)備遭受損壞。

預(yù)防措施：（1）建議針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的雷擊特點(diǎn)，分析其雷電特性，改善架空線路的防雷設(shè)計(jì)，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(xù)雷入侵變壓器陡度，降低過(guò)電壓幅值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)一起平原型風(fēng)電場(chǎng)雷擊損壞的各種故障現(xiàn)象進(jìn)行了分析，如箱變避雷器不動(dòng)作是因?yàn)榍凹?jí)動(dòng)作電壓和殘壓參數(shù)均一致的避雷器已動(dòng)作，桿塔避雷器頻繁動(dòng)作是因?yàn)槔纂娎@擊集電線次數(shù)遠(yuǎn)超正常水平，變壓器在后續(xù)雷擊雷電流的作用下線圈上產(chǎn)生極高的過(guò)電壓并有工頻電流參與建弧以及跌落保險(xiǎn)動(dòng)作多種組合形式符合高壓線圈連接特點(diǎn)。

干式變壓器發(fā)生表面閃絡(luò)后現(xiàn)場(chǎng)快速修復(fù)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(wú)明顯損傷、高壓線圈表面絕緣采用了冗余設(shè)計(jì)、高壓線圈對(duì)低壓線圈及地的絕緣狀態(tài)保持良好等。平原地區(qū)雷擊特點(diǎn)是雷電流小、后續(xù)雷陡度大，建議改善架空線路的防雷設(shè)計(jì)、并在入地電纜頭前端增加電抗器，供研究類(lèi)似故障參考。