系列風(fēng)電機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)生機組燒毀事故，不僅帶來人身和財產(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)電機組燒毀事故具有重大意義。在設(shè)計、生產(chǎn)、安裝或維護風(fēng)電機組過程中，機組本身存在的某種缺陷可能導(dǎo)致機組倒塌、燒毀事故。同時，當其附屬設(shè)備的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝或維護存在問題，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)電機組燒毀事例一、箱變低壓側(cè)斷路器不具備自動跳閘功能2013年，某風(fēng)電場雙饋1.5MW機組，在“低風(fēng)切出”時，并網(wǎng)開關(guān)不能正常與電網(wǎng)脫開，即：發(fā)電機定子不能與電網(wǎng)分離。在停機過程中葉輪轉(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)電機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的感生電動勢將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，在檢查變頻器時進一步得到證實）。當發(fā)電機的轉(zhuǎn)子接線開路以后，發(fā)電機定子上的阻抗更小，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，運行數(shù)據(jù)顯示，發(fā)熱消耗功率很快達到1.8MW。在箱變負載過流的情況下，因箱變低壓側(cè)斷路器不具備自動跳閘功能（如圖1所示）不能斷開，于是定子溫度迅速上升。發(fā)電機定子產(chǎn)生的大量熱量使發(fā)電機內(nèi)及附屬可燃物燃燒，如：發(fā)電機軸承內(nèi)的潤滑油，連接電纜，發(fā)電機上的潤滑油泵等，機組在執(zhí)行停機命令3分鐘后，因箱變35kV側(cè)高壓保險熔斷跳閘，機組斷電，但由于斷電太晚，最后機組全部燒毀。與機組配套的箱變，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)電場某機組在維修時，因并網(wǎng)開關(guān)誤動作曾經(jīng)導(dǎo)致變頻器燒毀，因現(xiàn)場人員及時手動斷開箱變低壓側(cè)斷路器，避免了事故的進一步擴大與機組燒毀事故的發(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雙饋機組，變頻器布置于塔基。投入運行4年之后，機組運行過程中，出現(xiàn)“暫態(tài)電網(wǎng)”報警，1秒之后，再報“變頻器故障”停機。事故之后，勘查時發(fā)現(xiàn)，事發(fā)時，箱變到變頻器的接線電纜短路，出現(xiàn)嚴重拉弧、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大和蔓延，導(dǎo)致塔基的照明、通信、控制和機艙、塔筒的供電電纜燃燒，并一路自下而上燃燒至機艙，最終導(dǎo)致機組燒毀事故的發(fā)生。在機組安裝時，事故機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、強度高、接線困難。因此，在接線時，線纜的相與相之間相互交叉。當電纜穿過變頻器平臺接線口時，沒有按規(guī)范施工。電纜絕緣層與變頻器平臺的鋼架擠壓嚴重，在機組投入運行后，因人員在變頻器平臺上走動，或在機組運行時，變頻器上的運行部件造成（例如，風(fēng)扇）的振動，電纜絕緣層因平臺的輕微運動而逐漸摩擦、刮傷受損。在機組維護時，也沒有對箱變進線電纜進行檢查，最終導(dǎo)致電纜絕緣層破損，電纜對地短路、嚴重拉弧打火。按設(shè)計要求，因變頻器與箱變之間的電氣保護，由箱變的低壓側(cè)斷路器實現(xiàn)。但在事故時因出現(xiàn)故障而不能斷開；箱變的撞針式高壓熔斷器又在機組安裝時三相同時裝反，因此，在高壓保險燒熔時，其觸發(fā)裝置無法使高壓斷路器的脫扣器動作，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，如圖3、圖4所示。因事故機組嚴重短路，事故機組引發(fā)所在的35kV回路振蕩，主變線路保護分閘，事故機組也因此斷電。因電纜長時間對地短路導(dǎo)致變頻器平臺下的照明、通信、控制和供電電纜燃燒，自塔基經(jīng)過5個多小時燃燒到機艙，直至整個機組燒毀。三、箱變故障引發(fā)的事故2010年2月26日，內(nèi)蒙古某風(fēng)電場機組調(diào)試反送電時，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)，工作人員運用螺絲刀時操作失當，觸及高壓，致使該操作人員被電擊截肢。2008年，某風(fēng)電場進行機組安裝時，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，安裝人員被電擊受傷。此時，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。在機組進行靜態(tài)調(diào)試時發(fā)現(xiàn)該機組的變頻器并網(wǎng)柜已全部燒毀。事后檢查發(fā)現(xiàn)，因箱變內(nèi)部的接線錯誤導(dǎo)致了此次事故的發(fā)生。機組重大事故原因分析風(fēng)電機組的倒塌、燒毀事故與機組附屬設(shè)施的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝和維護質(zhì)量有關(guān)，同時還與風(fēng)電企業(yè)的管理及現(xiàn)場人員運維的技術(shù)水平及責(zé)任心密不可分。一、因故未能充分發(fā)揮箱變對機組的保護作用風(fēng)電場箱變不僅是為機組提供運行條件以及把機組發(fā)出的電力輸送給電網(wǎng)；同時，當箱變負載（風(fēng)電機組）出現(xiàn)過流、短路時，通過箱變低壓側(cè)斷路器跳閘斷電，或高壓側(cè)的保險熔斷及斷路器跳閘斷電，以保護設(shè)備及人身安全。由前面的事例分析可知，箱變低壓側(cè)斷路器不具自動跳閘功能，或低壓側(cè)短路器因故障不能及時跳閘、高壓側(cè)不能正常熔斷分閘時，在一定的條件下會造成機組燒毀。對于因電起火的火災(zāi)事故，首先要切斷供電電源，以避免事故進一步擴大。風(fēng)電機組的設(shè)計理念是在無人監(jiān)管下的自主運行，當機組出現(xiàn)過流、短路故障時，箱變應(yīng)按既定的保護定值自動斷電。因此，箱變在防止機組燒毀事故發(fā)生和阻止事故擴大方面有著重要的作用。如箱變在塔基，變頻器布置在機艙上，箱變到變頻器的之間的接線電纜更長，當電纜出現(xiàn)破損短路、拉弧的可能性更大時，箱變自動過流斷電保護將顯得更加重要。二、箱變的生產(chǎn)、安裝和維護的質(zhì)量問題不易發(fā)現(xiàn)，且容易忽視在機組正常運行時，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)斷路器過流時不能自動跳閘、高壓側(cè)不能正常熔斷或分斷，如不經(jīng)過專門試驗不能發(fā)現(xiàn)；另一方面，人們普遍對機組本身的故障關(guān)注較多，而對箱變則關(guān)注較少。在設(shè)備維護時，不少風(fēng)電場都不會對箱變進行專業(yè)檢查和維護。箱變到變頻器接線電纜的維護和檢查更是空白。如果風(fēng)電場在采購箱變時，為了降低成本，不認真考察斷路器及關(guān)鍵部件的質(zhì)量，僅以低價格中標的形式采購箱變，最終結(jié)果可能是得不償失。從風(fēng)電場實踐來看，變頻器并網(wǎng)開關(guān)在機組運行過程中不能斷開以及箱變與變頻器接線電纜出現(xiàn)嚴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，箱變的高壓側(cè)不能正常熔斷或分斷，低壓側(cè)斷路器過流不能自動跳閘不在少數(shù)。有的箱變低壓側(cè)的自動跳閘機構(gòu)沒有接線，高壓側(cè)熔斷保險沒有安裝、裝反等故障時有發(fā)生。有的風(fēng)電場箱變在線路設(shè)計上就違背電力設(shè)計規(guī)范。因此，一旦需要箱變保護動作、切斷電源時，箱變的故障概率很高，造成故障、事故損失擴大，甚至導(dǎo)致機組燒毀事故的發(fā)生。防范措施風(fēng)電機組燒毀事故會造成巨大的損失，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，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，進行必要的絕緣防護；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；合理設(shè)置箱變參數(shù)，箱變斷路器的過流設(shè)定值要與機組的額定功率值相當，過