系列風(fēng)電機(jī)組事故分析及防范措施(一)-箱變及箱變到變頻器接線引發(fā)的事故

目前，不少新建風(fēng)電場位于森林密布的高山上，一旦發(fā)生機(jī)組燒毀事故，不僅帶來人身和財(cái)產(chǎn)的巨大損失，甚至頃刻間就能使滔滔林海付之一炬，讓綠色家園變成黑色焦土。因此，采取有效措施防止風(fēng)電機(jī)組燒毀事故具有重大意義。在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝或維護(hù)風(fēng)電機(jī)組過程中，機(jī)組本身存在的某種缺陷可能導(dǎo)致機(jī)組倒塌、燒毀事故。同時(shí)，當(dāng)其附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝或維護(hù)存在問題，也可能造成事故的發(fā)生。下面分析幾例因箱變及箱變到變頻器接線故障而引發(fā)的風(fēng)電機(jī)組燒毀事故，以歸納總結(jié)出類似事故的預(yù)防措施。風(fēng)電機(jī)組燒毀事例一、箱變低壓側(cè)斷路器不具備自動(dòng)跳閘功能2013年，某風(fēng)電場雙饋1.5MW機(jī)組，在“低風(fēng)切出”時(shí)，并網(wǎng)開關(guān)不能正常與電網(wǎng)脫開，即：發(fā)電機(jī)定子不能與電網(wǎng)分離。在停機(jī)過程中葉輪轉(zhuǎn)速不斷降低，定子的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率不斷增大，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢將IGBT、低電壓穿越模塊等擊穿短路，巨大的熱量還使變頻器轉(zhuǎn)子接線的絕緣皮熔化、燒毀，直至變頻器處的轉(zhuǎn)子接線開路（事故后，在檢查變頻器時(shí)進(jìn)一步得到證實(shí)）。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子接線開路以后，發(fā)電機(jī)定子上的阻抗更小，定子流過電流更大，定子線圈發(fā)熱耗電不斷增大，發(fā)熱劇增，運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，發(fā)熱消耗功率很快達(dá)到1.8MW。在箱變負(fù)載過流的情況下，因箱變低壓側(cè)斷路器不具備自動(dòng)跳閘功能（如圖1所示）不能斷開，于是定子溫度迅速上升。發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生的大量熱量使發(fā)電機(jī)內(nèi)及附屬可燃物燃燒，如：發(fā)電機(jī)軸承內(nèi)的潤滑油，連接電纜，發(fā)電機(jī)上的潤滑油泵等，機(jī)組在執(zhí)行停機(jī)命令3分鐘后，因箱變35kV側(cè)高壓保險(xiǎn)熔斷跳閘，機(jī)組斷電，但由于斷電太晚，最后機(jī)組全部燒毀。與機(jī)組配套的箱變，其低壓側(cè)斷路器不具備跳閘功能是本次事故的關(guān)鍵因素。早在2011年，該風(fēng)電場某機(jī)組在維修時(shí)，因并網(wǎng)開關(guān)誤動(dòng)作曾經(jīng)導(dǎo)致變頻器燒毀，因現(xiàn)場人員及時(shí)手動(dòng)斷開箱變低壓側(cè)斷路器，避免了事故的進(jìn)一步擴(kuò)大與機(jī)組燒毀事故的發(fā)生。遺憾的是，箱變低壓側(cè)斷路器不具備自動(dòng)跳閘問題沒有引起足夠的重視，此隱患一直沒有消除，直至2013年，最終導(dǎo)致了機(jī)組燒毀事故。接線電纜短路，箱變低壓側(cè)斷路器不能正常跳閘、高壓側(cè)無法正常熔斷2015年，某風(fēng)電場1.5MW雙饋機(jī)組，變頻器布置于塔基。投入運(yùn)行4年之后，機(jī)組運(yùn)行過程中，出現(xiàn)“暫態(tài)電網(wǎng)”報(bào)警，1秒之后，再報(bào)“變頻器故障”停機(jī)。事故之后，勘查時(shí)發(fā)現(xiàn)，事發(fā)時(shí)，箱變到變頻器的接線電纜短路，出現(xiàn)嚴(yán)重拉弧、碳化現(xiàn)象，如圖2所示。箱變的高、低壓側(cè)又因故障均不能正常斷電，從而造成火勢迅速擴(kuò)大和蔓延，導(dǎo)致塔基的照明、通信、控制和機(jī)艙、塔筒的供電電纜燃燒，并一路自下而上燃燒至機(jī)艙，最終導(dǎo)致機(jī)組燒毀事故的發(fā)生。在機(jī)組安裝時(shí)，事故機(jī)組箱變到變頻器的接線電纜采用的是一根總電纜，內(nèi)有3根接線電纜，電纜直徑大、強(qiáng)度高、接線困難。因此，在接線時(shí)，線纜的相與相之間相互交叉。當(dāng)電纜穿過變頻器平臺(tái)接線口時(shí)，沒有按規(guī)范施工。電纜絕緣層與變頻器平臺(tái)的鋼架擠壓嚴(yán)重，在機(jī)組投入運(yùn)行后，因人員在變頻器平臺(tái)上走動(dòng)，或在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，變頻器上的運(yùn)行部件造成（例如，風(fēng)扇）的振動(dòng)，電纜絕緣層因平臺(tái)的輕微運(yùn)動(dòng)而逐漸摩擦、刮傷受損。在機(jī)組維護(hù)時(shí)，也沒有對箱變進(jìn)線電纜進(jìn)行檢查，最終導(dǎo)致電纜絕緣層破損，電纜對地短路、嚴(yán)重拉弧打火。按設(shè)計(jì)要求，因變頻器與箱變之間的電氣保護(hù)，由箱變的低壓側(cè)斷路器實(shí)現(xiàn)。但在事故時(shí)因出現(xiàn)故障而不能斷開；箱變的撞針式高壓熔斷器又在機(jī)組安裝時(shí)三相同時(shí)裝反，因此，在高壓保險(xiǎn)燒熔時(shí)，其觸發(fā)裝置無法使高壓斷路器的脫扣器動(dòng)作，造成箱變的高壓側(cè)不能分閘斷電。箱變的低壓側(cè)斷路器和高壓側(cè)保險(xiǎn)，如圖3、圖4所示。因事故機(jī)組嚴(yán)重短路，事故機(jī)組引發(fā)所在的35kV回路振蕩，主變線路保護(hù)分閘，事故機(jī)組也因此斷電。因電纜長時(shí)間對地短路導(dǎo)致變頻器平臺(tái)下的照明、通信、控制和供電電纜燃燒，自塔基經(jīng)過5個(gè)多小時(shí)燃燒到機(jī)艙，直至整個(gè)機(jī)組燒毀。三、箱變故障引發(fā)的事故2010年2月26日，內(nèi)蒙古某風(fēng)電場機(jī)組調(diào)試反送電時(shí)，因箱變低壓側(cè)斷路器故障不能合閘，工作人員試圖維修箱變，因箱變故障，35kV高壓竄至低壓側(cè)，工作人員運(yùn)用螺絲刀時(shí)操作失當(dāng)，觸及高壓，致使該操作人員被電擊截肢。2008年，某風(fēng)電場進(jìn)行機(jī)組安裝時(shí)，安裝人員在塔筒內(nèi)緊固變頻器與箱變之間接線電纜的連接螺釘時(shí)，安裝人員被電擊受傷。此時(shí)，雖然箱變的高壓側(cè)已經(jīng)送電，但由于箱變的低壓側(cè)斷路器并沒有合閘，塔筒內(nèi)本不應(yīng)有電。而事故發(fā)生后，并沒引起足夠的重視，未核查其原因。在機(jī)組進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)該機(jī)組的變頻器并網(wǎng)柜已全部燒毀。事后檢查發(fā)現(xiàn)，因箱變內(nèi)部的接線錯(cuò)誤導(dǎo)致了此次事故的發(fā)生。機(jī)組重大事故原因分析風(fēng)電機(jī)組的倒塌、燒毀事故與機(jī)組附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝和維護(hù)質(zhì)量有關(guān)，同時(shí)還與風(fēng)電企業(yè)的管理及現(xiàn)場人員運(yùn)維的技術(shù)水平及責(zé)任心密不可分。一、因故未能充分發(fā)揮箱變對機(jī)組的保護(hù)作用風(fēng)電場箱變不僅是為機(jī)組提供運(yùn)行條件以及把機(jī)組發(fā)出的電力輸送給電網(wǎng)；同時(shí)，當(dāng)箱變負(fù)載（風(fēng)電機(jī)組）出現(xiàn)過流、短路時(shí)，通過箱變低壓側(cè)斷路器跳閘斷電，或高壓側(cè)的保險(xiǎn)熔斷及斷路器跳閘斷電，以保護(hù)設(shè)備及人身安全。由前面的事例分析可知，箱變低壓側(cè)斷路器不具自動(dòng)跳閘功能，或低壓側(cè)短路器因故障不能及時(shí)跳閘、高壓側(cè)不能正常熔斷分閘時(shí)，在一定的條件下會(huì)造成機(jī)組燒毀。對于因電起火的火災(zāi)事故，首先要切斷供電電源，以避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)理念是在無人監(jiān)管下的自主運(yùn)行，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)過流、短路故障時(shí)，箱變應(yīng)按既定的保護(hù)定值自動(dòng)斷電。因此，箱變在防止機(jī)組燒毀事故發(fā)生和阻止事故擴(kuò)大方面有著重要的作用。如箱變在塔基，變頻器布置在機(jī)艙上，箱變到變頻器的之間的接線電纜更長，當(dāng)電纜出現(xiàn)破損短路、拉弧的可能性更大時(shí)，箱變自動(dòng)過流斷電保護(hù)將顯得更加重要。二、箱變的生產(chǎn)、安裝和維護(hù)的質(zhì)量問題不易發(fā)現(xiàn)，且容易忽視在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，一方面，箱變的生產(chǎn)和安裝質(zhì)量問題和安全隱患很難被人們發(fā)現(xiàn)，例如：箱變的低壓側(cè)斷路器過流時(shí)不能自動(dòng)跳閘、高壓側(cè)不能正常熔斷或分?jǐn)?，如不?jīng)過專門試驗(yàn)不能發(fā)現(xiàn)；另一方面，人們普遍對機(jī)組本身的故障關(guān)注較多，而對箱變則關(guān)注較少。在設(shè)備維護(hù)時(shí)，不少風(fēng)電場都不會(huì)對箱變進(jìn)行專業(yè)檢查和維護(hù)。箱變到變頻器接線電纜的維護(hù)和檢查更是空白。如果風(fēng)電場在采購箱變時(shí)，為了降低成本，不認(rèn)真考察斷路器及關(guān)鍵部件的質(zhì)量，僅以低價(jià)格中標(biāo)的形式采購箱變，最終結(jié)果可能是得不償失。從風(fēng)電場實(shí)踐來看，變頻器并網(wǎng)開關(guān)在機(jī)組運(yùn)行過程中不能斷開以及箱變與變頻器接線電纜出現(xiàn)嚴(yán)重對地短路這兩種情況，其發(fā)生概率很低，然而，從上文提到的風(fēng)電機(jī)組燒毀事例來看，風(fēng)電場箱變存在問題不在少數(shù)。再從部分風(fēng)電場箱變的檢查也得到證實(shí)，箱變的高壓側(cè)不能正常熔斷或分?jǐn)?，低壓?cè)斷路器過流不能自動(dòng)跳閘不在少數(shù)。有的箱變低壓側(cè)的自動(dòng)跳閘機(jī)構(gòu)沒有接線，高壓側(cè)熔斷保險(xiǎn)沒有安裝、裝反等故障時(shí)有發(fā)生。有的風(fēng)電場箱變在線路設(shè)計(jì)上就違背電力設(shè)計(jì)規(guī)范。因此，一旦需要箱變保護(hù)動(dòng)作、切斷電源時(shí)，箱變的故障概率很高，造成故障、事故損失擴(kuò)大，甚至導(dǎo)致機(jī)組燒毀事故的發(fā)生。防范措施風(fēng)電機(jī)組燒毀事故會(huì)造成巨大的損失，如在事故發(fā)生后找出事故發(fā)生的根本原因，并采取有效措施，有的放矢則能收到良好的效果，避免機(jī)組燒毀事故的再次發(fā)生。具體預(yù)防措施如下：在風(fēng)電場采購安裝箱變時(shí)，應(yīng)保證箱變的功能和質(zhì)量。保證箱變低壓側(cè)斷路器具備應(yīng)有的保護(hù)功能，箱變高壓側(cè)熔斷器的選配、熔斷器的安裝方式正確等；保證箱變到變頻器接線電纜的電纜質(zhì)量和安裝質(zhì)量，進(jìn)行必要的絕緣防護(hù)；箱變低壓側(cè)中性線應(yīng)按要求接地，完善低壓側(cè)的零序保護(hù)；合理設(shè)置箱變參數(shù)，箱變斷路器的過流設(shè)定值要與機(jī)組的額定功率值相當(dāng)，過