引言

隨著我國風電行業(yè)發(fā)展,風電裝機規(guī)模已經(jīng)躍居世界第一位,成為我國第三大電力來源。風電裝機規(guī)模不斷增大,風機數(shù)量增多,風機箱變遭受雷擊的可能性大大增長。由于長期處于野外工作條件,環(huán)境惡劣,風電場箱變防雷系統(tǒng)的有效性直接影響防雷效果和抗雷能力。雖然箱變在出廠時已經(jīng)進行了防雷設計,但其防雷水平與箱變實際安裝地點是否匹配,決定了箱變的防雷能力和防雷效果。根據(jù)德國、丹麥和瑞典等國家的故障統(tǒng)計,雷電引起的故障為平均每年每百臺風機3.9～8次,山地風電機組雷擊風險更高,每年每百臺達14次,雷暴日較多的風電場箱變防雷擊優(yōu)化、改進工作亟待完善。2015一2016年,某風電場多臺箱變遭遇雷擊,造成不同程度損壞,2016年7月全部33臺風機箱變進行防雷改造后,已安全運行至今,風電場防雷改進工作對風電場安全運行有著非常輸要的意義。

1風機箱變雷擊事故

某風電場位于西南地區(qū)海拔超30003的高山臺地,土壤電阻率高,山頂氣候變化無常,高高聳立的風機在此環(huán)境下遭遇雷擊的概率較大。2015一2016年,多臺箱變低壓側(cè)二次回路遭受強雷電波入侵,造成箱變不同程度損壞。以其中最為嚴輸?shù)囊淮问鹿蕿槔?2016-03-02T20:30左右,該風電場場區(qū)周圍出現(xiàn)持續(xù)雷雨天氣,并伴隨短時冰雹,雷雨天氣持續(xù)至22:00,隨后開始出現(xiàn)降雪。

此次箱變雷擊事故設備損壞情況如下:

(1）高壓室情況:高壓室整體熏黑,室內(nèi)二次線燒壞,避雷器連接引線燒壞,高壓電纜損壞較小,操作小室整體熏黑,高壓熔斷器B、C熔芯沖出。

(2）低壓室情況:低壓柜整體燒壞,儀表室所有表計燒毀,斷路器燒毀,斷路器上端銅排部分燒熔,所有二次線燒熔。

2雷擊事故原因

通過調(diào)取故障錄波、保護動作信息,故障先為A相接地短路,發(fā)展為B、C相相間短路,查看現(xiàn)場設備實際情況,燒毀最嚴輸部位為低壓室斷路器上端,三相主銅排燒熔,A相銅排熔斷,B、C兩相燒熔成缺口,為燒壞最厲害處,也就是故障起始點。箱變低壓側(cè)690V斷路器上端A、B、C三相相間距離較近,且互感器二次線貼母排布線,二次線絕緣較低,出現(xiàn)電壓升高后,二次線絕緣擊穿,引起三相相間短路。測量接地電阻,阻值超規(guī)定低于4Q標準要求,雷擊風機葉片和塔筒引起地電位抬高,隨即同時抬高接地的零線電位和主回路各相電位,從而導致風機一箱變主回路產(chǎn)生反擊高電位,超過了絕緣設計范圍,造成過電壓破壞箱變內(nèi)設備絕緣,引起低壓側(cè)設備對地弧光放電及相間短路致使設備燒毀。

3優(yōu)化改進方案

此次事故中箱變接地電阻值未達到低于4Ω標準要求,且低壓側(cè)相間距離較小,出現(xiàn)雷擊過電流,導雷通道不暢,造成相間短路及對地弧光放電,是造成事故的主要原因。因此,應從等電位連接、加強相間絕緣等方面做好相關工作。

3.1檢查箱變等電位連接

箱式變壓器內(nèi)設總等電位接地端子板,與防雷接地裝置進行兩處連接,連接導體采用銅芯導線或銅排,導體最小截面積≥2533,連接導體與鋼質(zhì)接地裝置采用熱熔連接,各接頭焊接處采用三角搭焊。箱式變壓器內(nèi)所有接地線需以最短距離與等電位接地端子板連接,所有電氣接地的連接處防腐處理要符合要求,定期測量接地網(wǎng)阻值,或通過置換接地體附近小范圍內(nèi)高電阻率土石以降低接地電阻,以形成一條低電阻通道,如圖1所示。

3.2加強箱變內(nèi)部絕緣

由于該風電場海拔超過31335,山上環(huán)境潮濕,易出現(xiàn)凝露現(xiàn)象,空氣絕緣耐壓水平下降,不滿足高海拔、凝露環(huán)境要求。箱變693V低壓側(cè)絕緣水平低,在雷電過電壓下,易出現(xiàn)相對地乃至相間放電并引起短路故障,增大導體間距或增強絕緣提高放電電壓,可降低雷電過電壓下相對地或相間短路故障的概率。對于防雷改造而言,由于箱變空間有限,主要采用增強絕緣的方式進行改造。由于母排仍有金屬導體裸露,絕緣相對薄弱。在雷電過電壓下,這些部位會發(fā)生放電,進而引起相對地或相間短路故障。根據(jù)對故障箱變的分析發(fā)現(xiàn),短路故障多發(fā)生在低壓開關母排相間,另外母排側(cè)面箱體也有放電或燒穿痕跡。因此,對低壓開關母排及其接線端加強絕緣,并對母排附近箱體進行處理。

3.2.1導體電極間安裝絕緣隔板

由于箱變低壓側(cè)空間狹小,母排以及互感器二次線等電氣元件相間距離較小,容易因過流發(fā)熱引起相間或接地短路引發(fā)故障,將相間及相對外殼間加裝絕緣隔板,增強相間及對地絕緣,避免發(fā)生事故,如圖2所示。

3.2.2包裹絕緣帶或熱縮套管

將裸露的電纜接頭、連接螺栓包裹絕緣帶或熱縮套管,可以盡可能避免因絕緣板長時間使用后表面污穢,結(jié)露造成電纜接頭或連接螺栓對其放電,造成絕緣擊穿,如圖3所示。

圖2相間及相對外殼間加裝絕緣隔板

圖3裸露接頭及螺栓包裹熱縮套管

4結(jié)語

雷擊對風力發(fā)電的負面影響越來越受到風電行業(yè)的重視。隨著風電機組容量增大和機身高度增加,大容量機組遭受雷擊影響的嚴重性日益突出,造成的經(jīng)濟損失也將加大。對高海拔山區(qū)風電場箱變雷擊事故的防范應引起高度重視,無論是噴涂絕緣涂料、包裹絕緣帶,還是包裹熱縮套管于低壓開關母排、導線接頭部分進行絕緣加強,都要注意絕緣包覆的完整性,包覆完成后不應出現(xiàn)金屬裸露部分。另外,還要加強對接地電阻的檢測,檢查接地引下線與接地裝置的連接是否符合要求,確保泄雷通道通暢。本文介紹的箱變防雷優(yōu)化改進方法,希望能給同類型高海拔山區(qū)風電場風機箱變防雷工作提供參考。