高海拔山区风电场箱变防雷击优化与改进

引言

随着我国风电行业发展,风电装机规模已经跃居世界第一位,成为我国第三大电力来源。风电装机规模不断增大,风机数量增多,风机箱变遭受雷击的可能性大大增长。由于长期处于野外工作条件,环境恶劣,风电场箱变防雷系统的有效性直接影响防雷效果和抗雷能力。虽然箱变在出厂时已经进行了防雷设计,但其防雷水平与箱变实际安装地点是否匹配,决定了箱变的防雷能力和防雷效果。根据德国、丹麦和瑞典等国家的故障统计,雷电引起的故障为平均每年每百台风机3.9～8次,山地风电机组雷击风险更高,每年每百台达14次,雷暴日较多的风电场箱变防雷击优化、改进工作亟待完善。2015一2016年,某风电场多台箱变遭遇雷击,造成不同程度损坏,2016年7月全部33台风机箱变进行防雷改造后,已安全运行至今,风电场防雷改进工作对风电场安全运行有着非常输要的意义。

1风机箱变雷击事故

某风电场位于西南地区海拔超30003的高山台地,土壤电阻率高,山顶气候变化无常,高高耸立的风机在此环境下遭遇雷击的概率较大。2015一2016年,多台箱变低压侧二次回路遭受强雷电波入侵,造成箱变不同程度损坏。以其中最为严输的一次事故为例,2016-03-02T20:30左右,该风电场场区周围出现持续雷雨天气,并伴随短时冰雹,雷雨天气持续至22:00,随后开始出现降雪。

此次箱变雷击事故设备损坏情况如下:

(1）高压室情况:高压室整体熏黑,室内二次线烧坏,避雷器连接引线烧坏,高压电缆损坏较小,操作小室整体熏黑,高压熔断器B、C熔芯冲出。

(2）低压室情况:低压柜整体烧坏,仪表室所有表计烧毁,断路器烧毁,断路器上端铜排部分烧熔,所有二次线烧熔。

2雷击事故原因

通过调取故障录波、保护动作信息,故障先为A相接地短路,发展为B、C相相间短路,查看现场设备实际情况,烧毁最严输部位为低压室断路器上端,三相主铜排烧熔,A相铜排熔断,B、C两相烧熔成缺口,为烧坏最厉害处,也就是故障起始点。箱变低压侧690V断路器上端A、B、C三相相间距离较近,且互感器二次线贴母排布线,二次线绝缘较低,出现电压升高后,二次线绝缘击穿,引起三相相间短路。测量接地电阻,阻值超规定低于4Q标准要求,雷击风机叶片和塔筒引起地电位抬高,随即同时抬高接地的零线电位和主回路各相电位,从而导致风机一箱变主回路产生反击高电位,超过了绝缘设计范围,造成过电压破坏箱变内设备绝缘,引起低压侧设备对地弧光放电及相间短路致使设备烧毁。

3优化改进方案

此次事故中箱变接地电阻值未达到低于4Ω标准要求,且低压侧相间距离较小,出现雷击过电流,导雷通道不畅,造成相间短路及对地弧光放电,是造成事故的主要原因。因此,应从等电位连接、加强相间绝缘等方面做好相关工作。

3.1检查箱变等电位连接

箱式变压器内设总等电位接地端子板,与防雷接地装置进行两处连接,连接导体采用铜芯导线或铜排,导体最小截面积≥2533,连接导体与钢质接地装置采用热熔连接,各接头焊接处采用三角搭焊。箱式变压器内所有接地线需以最短距离与等电位接地端子板连接,所有电气接地的连接处防腐处理要符合要求,定期测量接地网阻值,或通过置换接地体附近小范围内高电阻率土石以降低接地电阻,以形成一条低电阻通道,如图1所示。

3.2加强箱变内部绝缘

由于该风电场海拔超过31335,山上环境潮湿,易出现凝露现象,空气绝缘耐压水平下降,不满足高海拔、凝露环境要求。箱变693V低压侧绝缘水平低,在雷电过电压下,易出现相对地乃至相间放电并引起短路故障,增大导体间距或增强绝缘提高放电电压,可降低雷电过电压下相对地或相间短路故障的概率。对于防雷改造而言,由于箱变空间有限,主要采用增强绝缘的方式进行改造。由于母排仍有金属导体裸露,绝缘相对薄弱。在雷电过电压下,这些部位会发生放电,进而引起相对地或相间短路故障。根据对故障箱变的分析发现,短路故障多发生在低压开关母排相间,另外母排侧面箱体也有放电或烧穿痕迹。因此,对低压开关母排及其接线端加强绝缘,并对母排附近箱体进行处理。

3.2.1导体电极间安装绝缘隔板

由于箱变低压侧空间狭小,母排以及互感器二次线等电气元件相间距离较小,容易因过流发热引起相间或接地短路引发故障,将相间及相对外壳间加装绝缘隔板,增强相间及对地绝缘,避免发生事故,如图2所示。

3.2.2包裹绝缘带或热缩套管

将裸露的电缆接头、连接螺栓包裹绝缘带或热缩套管,可以尽可能避免因绝缘板长时间使用后表面污秽,结露造成电缆接头或连接螺栓对其放电,造成绝缘击穿,如图3所示。

图2相间及相对外壳间加装绝缘隔板

图3裸露接头及螺栓包裹热缩套管

4结语

雷击对风力发电的负面影响越来越受到风电行业的重视。随着风电机组容量增大和机身高度增加,大容量机组遭受雷击影响的严重性日益突出,造成的经济损失也将加大。对高海拔山区风电场箱变雷击事故的防范应引起高度重视,无论是喷涂绝缘涂料、包裹绝缘带,还是包裹热缩套管于低压开关母排、导线接头部分进行绝缘加强,都要注意绝缘包覆的完整性,包覆完成后不应出现金属裸露部分。另外,还要加强对接地电阻的检测,检查接地引下线与接地装置的连接是否符合要求,确保泄雷通道通畅。本文介绍的箱变防雷优化改进方法,希望能给同类型高海拔山区风电场风机箱变防雷工作提供参考。