光伏電站箱變低壓配電柜短路著火原因分析與處理

楊金勇，賈春梅，范瑞雪

(1.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056；2.保定嘉盛光電科技股份有限公司，河北 保定 071000；3.天津安裝工程有限公司，天津 300061)

0 引言

隨著新能源電源(風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電)大量接入電網(wǎng)，新能源發(fā)電穩(wěn)定性差、發(fā)電效率低、發(fā)電設(shè)備箱變故障率高等問題日益凸顯。下面以一起光伏發(fā)電站箱變低壓配電柜短路著火故障為例，從光伏電站現(xiàn)場環(huán)境、箱變制作工藝、人員操作失誤概率方面分析故障原因并制定相應(yīng)處理措施以供借鑒。

1 事故經(jīng)過

2022-01-10T00:30，某光伏發(fā)電站的箱變測控后臺報警，提示某臺箱變運(yùn)行異常，運(yùn)行數(shù)據(jù)無法上傳。2022-01-11T08:00，兩名檢修人員至事故箱變現(xiàn)場，一人監(jiān)護(hù)、一人操作，打開箱變低壓側(cè)柜門檢查箱變。經(jīng)現(xiàn)場檢查及查閱圖紙，初步確認(rèn)測控裝置失電，其供電源UPS運(yùn)行指示燈熄滅，處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。箱變數(shù)據(jù)上傳功能雖然出現(xiàn)異常，但箱變電氣系統(tǒng)的一次回路正常運(yùn)行，光伏發(fā)電單元也處于正常發(fā)電狀態(tài)。

檢修人員進(jìn)一步確認(rèn)UPS電源輸入側(cè)無AC 220 V電壓，低壓柜內(nèi)提供控制電源的小干式變壓器輸入側(cè)無AC 800 V電壓，小干式變的控制斷路器1DR處于脫扣跳閘狀態(tài)[1]，柜內(nèi)環(huán)境加熱模塊電氣回路的斷路器也處于脫扣狀態(tài)。

檢修人員復(fù)位小干變輸入側(cè)的斷路器，在合閘瞬間，低壓柜內(nèi)發(fā)出“砰”的一聲，柜內(nèi)隨即出現(xiàn)明火，同時低壓側(cè)主斷路器及高壓側(cè)負(fù)荷開關(guān)跳閘斷開，變壓器失電，隨即組織有序滅火工作。

2 事故現(xiàn)場分析

事故發(fā)生后，電站立即組織相關(guān)專業(yè)人員對事故現(xiàn)場進(jìn)行查驗，現(xiàn)場確認(rèn)以下情形。

1) 箱變二次回路電源的小干式變輸入側(cè)的斷路器1DR處于跳閘脫扣位置；箱變一次回路800 V框架斷路器跳閘，A相底部鐵托板有短路電弧灼燒的不規(guī)則孔洞，柜子整體有油煙熏灼痕跡。

2) 小干式變、UPS外觀基本正常。經(jīng)現(xiàn)場用兆歐表檢測，小干式變一、二次繞組無異常。后經(jīng)返廠再次技術(shù)確認(rèn)，小干式變、UPS未見異常，可以正常使用。

3) 在主控室調(diào)取35 kV集電線路故障錄波信號記錄、一次高壓配電室集電線路進(jìn)線柜微機(jī)保護(hù)裝置事件記錄，顯示集電線路有過系統(tǒng)過電流導(dǎo)致跳閘的記錄，故障錄波設(shè)備記錄的波形曲線有電流突變記錄。

3 事故原因分析

3.1 箱變一次框架斷路器本體檢測分析

經(jīng)斷路器廠家對箱變一次回路800 V框架斷路器現(xiàn)場拆解后確認(rèn)，框架斷路器滅弧罩未發(fā)生變形、外觀顏色正常；現(xiàn)場分合閘試驗各動作機(jī)構(gòu)靈活正常，儲能裝置工作正常；現(xiàn)場調(diào)取控制器故障代碼(故障代碼為1)，確認(rèn)為A相瞬時保護(hù)脫扣動作，與故障錄波A相電壓變化記錄一致。經(jīng)確認(rèn)，斷路器無明顯外觀異常、各機(jī)構(gòu)動作正常，不存在質(zhì)量問題，排除此次短路現(xiàn)象是由框架斷路器本體故障引起的可能性。

3.2 鐵托板擊穿孔洞分析

經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)，箱變一次回路800 V框架斷路器下口引接銅排正下方的鐵托板有明顯的放電電弧將鐵托板擊穿形成的孔洞，其右側(cè)也有短路痕跡(見圖1)。

圖1 鐵托板被擊穿形成的孔洞

經(jīng)分析，圖1中①所示位置為導(dǎo)電類異物導(dǎo)致的第一引燃點，②所示位置為第二放電點(主要放電點)。在操作者試合小干變輸入側(cè)1DR斷路器的同一時刻，有導(dǎo)電類異物掉落至圖1所示的①位置，A相銅排與鐵托板①位置發(fā)生短路引弧[2]，掉落物瞬時搭接A相銅排與①位置后隨即斷開，A相銅排與①位置不再發(fā)生短路放電；隨即電弧以最短的距離通過A相銅排與圖1所示的②位置發(fā)生更大的短路放電，電弧將A相的正下方鐵托板燒出孔洞[3]，短路電流使低壓側(cè)框架斷路器瞬時保護(hù)脫扣動作，風(fēng)機(jī)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)，逐步退出發(fā)電運(yùn)行；同時，高壓側(cè)開關(guān)跳閘，切斷35 kV集電線側(cè)提供的短路電流，放電現(xiàn)象結(jié)束[4]。電弧放電將鐵托板擊穿形成孔洞，高溫金屬熔流物飛濺至配電柜內(nèi)各部位，引發(fā)柜內(nèi)可燃物起火，導(dǎo)致整柜燃燒失火。

3.3 箱變內(nèi)部環(huán)境濕度高影響分析

該光伏發(fā)電站位于西北某省，地處黃土高原，晝夜溫差大、降雨充沛，環(huán)境濕度高，施工過程中由于箱變四周的回填土回填不密實導(dǎo)致四周塌陷，箱變基礎(chǔ)坑內(nèi)常年積水，箱變內(nèi)部環(huán)境濕度較大，增大了發(fā)生電弧短路的概率[5]。發(fā)生短路電弧放電現(xiàn)象后，較高的環(huán)境濕度進(jìn)一步增強(qiáng)了電弧短路的后果，最終導(dǎo)致箱變爆燃。同時，本次小干式變控制斷路器跳閘的原因大概率也是由于柜內(nèi)環(huán)境濕度長時間處于較高狀態(tài)，而柜內(nèi)加熱干燥器長期處于未工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致控制回路絕緣嚴(yán)重降低、小干式變控制斷路器跳閘，致使柜內(nèi)UPS失電而引發(fā)測控裝置報警。

3.4 引發(fā)短路的導(dǎo)電類異物來源分析

關(guān)于導(dǎo)電類異物的來源，考慮以下幾種可能性。

一是操作失誤，如操作者攜帶的螺絲刀等金屬異物掉落。箱變在廠家裝配或者現(xiàn)場安裝過程中，有金屬異物掉落留置在控制柜某處，操作者檢修合閘時突然震動致使異物掉落從而引發(fā)此次事故。然而，該箱變已正常運(yùn)行一年，且具有同樣運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行條件的箱變還有19臺，期間的多次操作也均未發(fā)生類似的異常情況，故判斷異物來源于柜體內(nèi)部留置的可能性較小。

二是箱變柜內(nèi)凝露水滴所致。由于箱變內(nèi)加熱干燥模塊失電停止運(yùn)行，且柜內(nèi)溫、濕度達(dá)到了凝露條件，此時A相銅排剛好有水滴凝結(jié)，操作者檢修試合小干式變輸入側(cè)1DR斷路器時的震動，使水滴掉落而引發(fā)本次事故，如圖2所示，A相銅排凝露水滴受振動垂直滴落，引發(fā)②位置短路，鐵托板燒出孔洞；同時，水滴受振動斜向落至①位置也會引起短路，但短路路徑較②位置長，其電弧很快被②位置短路替代而熄滅。

圖2 箱變柜內(nèi)凝露水滴引發(fā)短路示意

綜上分析得出，引發(fā)短路的導(dǎo)電類異物為來自凝露導(dǎo)致水滴滴落的可能性最大。

3.5 銅排對地距離檢查分析

經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)，A相銅排距離下部鐵托板的最短距離為22 mm，此處的額定電壓為AC 800 V。GB 50053—2013《20 kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，1 kV以下配電裝置裸露帶電部分至接地部分的電氣間隙應(yīng)不小于20 mm。因此，A相銅排距離下部鐵托板的最短距離滿足上述國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，設(shè)計不存在缺陷。

4 處理及預(yù)防措施

1) 對該箱變的低壓柜部分進(jìn)行整體拆解返廠維修。除800 V框架斷路器、UPS、小干式變使用原部件外，其余部件均更換新產(chǎn)品，重新組裝，經(jīng)出廠試驗檢驗合格后，返回現(xiàn)場進(jìn)行安裝。經(jīng)現(xiàn)場安裝、調(diào)試，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

2) 對箱變基礎(chǔ)的進(jìn)出電纜孔洞進(jìn)行封堵，確保箱變基礎(chǔ)外部的滲水無法進(jìn)入到箱變基礎(chǔ)內(nèi)部；對箱變四周的回填土塌陷區(qū)域進(jìn)行處理，確保箱變四周地面區(qū)域不積水，從源頭上保證箱變基礎(chǔ)內(nèi)不進(jìn)水；同時，按規(guī)定投入柜內(nèi)加熱干燥模塊，降低柜內(nèi)環(huán)境濕度，確保不再發(fā)生類似事故。

3) 嚴(yán)格執(zhí)行箱變故障檢修程序。檢修箱變低壓控制部分控制回路時，必須斷開箱變高、低壓主斷路器，退出運(yùn)行并做好必要安全措施。待全部控制功能試驗完成，故障消除并撤除安全措施后，才能重新投運(yùn)。

5 結(jié)束語

采取相關(guān)處理措施對箱變低壓柜整改完畢后，運(yùn)行至今已一年有余，該臺設(shè)備運(yùn)行正常，且其余19臺類似設(shè)備也未再發(fā)生類似事故。此外，對檢修人員消缺操作程序也進(jìn)行了規(guī)范，也未再發(fā)生類似操作事故。