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箱变及箱变到变频器接线引发的事故

时间:2018/6/23 来源:

目前,不少新建风电场位于森林密布的高山上,一旦发生机组烧毁事故,不仅带来人身和财产的巨大损失,甚至顷刻间就能使滔滔林海付之一炬,让绿色家园变成黑色焦土。因此,采取有效措施防止风电机组烧毁事故具有重大意义。

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在设计、生产、安装或维护风电机组过程中,机组本身存在的某种缺陷可能导致机组倒塌、烧毁事故。同时,当其附属设备的设计、生产、安装或维护存在问题,也可能造成事故的发生。下面分析几例因箱变及箱变到变频器接线故障而引发的风电机组烧毁事故,以归纳总结出类似事故的预防措施。风电机组烧毁事例

一、箱变低压侧断路器不具备自动跳闸功能

2013 年,某风电场双馈1.5MW 机组,在"低风切出"时,并网开关不能正常与电网脱开,即:发电机定子不能与电网分离。在停机过程中叶轮转速不断降低,定子的旋转磁场与转子的转差率不断增大,在发电机转子上产生的感生电动势将IGBT、低电压穿越模块等击穿短路,巨大的热量还使变频器转子接线的绝缘皮熔化、烧毁,直至变频器处的转子接线开路(事故后,在检查变频器时进一步得到证实)。

当发电机的转子接线开路以后,发电机定子上的阻抗更小,定子流过电流更大,定子线圈发热耗电不断增大,发热剧增,运行数据显示,发热消耗功率很快达到1.8MW。在箱变负载过流的情况下,因箱变低压侧断路器不具备自动跳闸功能(如图1 所示)不能断开,于是定子温度迅速上升。

发电机定子产生的大量热量使发电机内及附属可燃物燃烧,如:发电机轴承内的润滑油,连接电缆,发电机上的润滑油泵等,机组在执行停机命令3 分钟后,因箱变35kV侧高压保险熔断跳闸,机组断电,但由于断电太晚,最后机组全部烧毁。

与机组配套的箱变,其低压侧断路器不具备跳闸功能是本次事故的关键因素。早在2011 年,该风电场某机组在维修时,因并网开关误动作曾经导致变频器烧毁,因现场人员及时手动断开箱变低压侧断路器,避免了事故的进一步扩大与机组烧毁事故的发生。遗憾的是,箱变低压侧断路器不具备自动跳闸问题没有引起足够的重视,此隐患一直没有消除,直至2013 年,最终导致了机组烧毁事故。

二、接线电缆短路,箱变低压侧断路器不能正常跳闸、高压侧无法正常熔断

2015 年,某风电场1.5MW 双馈机组,变频器布置于塔基。投入运行4 年之后,机组运行过程中,出现"暂态电网"报警,1 秒之后,再报"变频器故障"停机。事故之后,勘查时发现,事发时,箱变到变频器的接线电缆短路,出现严重拉弧、碳化现象,如图2 所示。箱变的高、低压侧又因故障均不能正常断电,从而造成火势迅速扩大和蔓延,导致塔基的照明、通信、控制和机舱、塔筒的供电电缆燃烧,并一路自下而上燃烧至机舱,最终导致机组烧毁事故的发生。

在机组安装时,事故机组箱变到变频器的接线电缆采用的是一根总电缆,内有3 根接线电缆,电缆直径大、强度高、接线困难。因此,在接线时,线缆的相与相之间相互交叉。当电缆穿过变频器平台接线口时,没有按规范施工。电缆绝缘层与变频器平台的钢架挤压严重,在机组投入运行后,因人员在变频器平台上走动,或在机组运行时,变频器上的运行部件造成(例如,风扇)的振动,电缆绝缘层因平台的轻微运动而逐渐摩擦、刮伤受损。在机组维护时,也没有对箱变进线电缆进行检查,最终导致电缆绝缘层破损,电缆对地短路、严重拉弧打火。

按设计要求,因变频器与箱变之间的电气保护,由箱变的低压侧断路器实现。但在事故时因出现故障而不能断开;箱变的撞针式高压熔断器又在机组安装时三相同时装反,因此,在高压保险烧熔时,其触发装置无法使高压断路器的脱扣器动作,造成箱变的高压侧不能分闸断电。箱变的低压侧断路器和高压侧保险,如图3、图4 所示。因事故机组严重短路,事故机组引发所在的35kV 回路振荡,主变线路保护分闸,事故机组也因此断电。

因电缆长时间对地短路导致变频器平台下的照明、通信、控制和供电电缆燃烧,自塔基经过5 个多小时燃烧到机舱,直至整个机组烧毁。

三、箱变故障引发的事故

2010 年2 月26 日,内蒙古某风电场机组调试反送电时,因箱变低压侧断路器故障不能合闸,工作人员试图维修箱变,因箱变故障,35kV 高压窜至低压侧,工作人员运用螺丝刀时操作失当,触及高压,致使该操作人员被电击截肢。2008 年,某风电场进行机组安装时,安装人员在塔筒内紧固变频器与箱变之间接线电缆的连接螺钉时,安装人员被电击受伤。此时,虽然箱变的高压侧已经送电,但由于箱变的低压侧断路器并没有合闸,塔筒内本不应有电。而事故发生后,并没引起足够的重视,未核查其原因。在机组进行静态调试时发现该机组的变频器并网柜已全部烧毁。事后检查发现,因箱变内部的接线错误导致了此次事故的发生。

机组重大事故原因分析

风电机组的倒塌、烧毁事故与机组附属设施的设计、生产、安装和维护质量有关,同时还与风电企业的管理及现场人员运维的技术水平及责任心密不可分。

一、因故未能充分发挥箱变对机组的保护作用

风电场箱变不仅是为机组提供运行条件以及把机组发出的电力输送给电网;同时,当箱变负载(风电机组)出现过流、短路时,通过箱变低压侧断路器跳闸断电,或高压侧的保险熔断及断路器跳闸断电,以保护设备及人身安全。

由前面的事例分析可知,箱变低压侧断路器不具自动跳闸功能,或低压侧短路器因故障不能及时跳闸、高压侧不能正常熔断分闸时,在一定的条件下会造成机组烧毁。

对于因电起火的火灾事故,首先要切断供电电源,以避免事故进一步扩大。风电机组的设计理念是在无人监管下的自主运行,当机组出现过流、短路故障时,箱变应按既定的保护定值自动断电。因此,箱变在防止机组烧毁事故发生和阻止事故扩大方面有着重要的作用。如箱变在塔基,变频器布置在机舱上,箱变到变频器的之间的接线电缆更长,当电缆出现破损短路、拉弧的可能性更大时,箱变自动过流断电保护将显得更加重要。

二、箱变的生产、安装和维护的质量问题不易发现,且容易忽视

在机组正常运行时,一方面,箱变的生产和安装质量问题和安全隐患很难被人们发现,例如:箱变的低压侧断路器过流时不能自动跳闸、高压侧不能正常熔断或分断,如不经过专门试验不能发现;另一方面,人们普遍对机组本身的故障关注较多,而对箱变则关注较少。在设备维护时,不少风电场都不会对箱变进行专业检查和维护。箱变到变频器接线电缆的维护和检查更是空白。

如果风电场在采购箱变时,为了降低成本,不认真考察断路器及关键部件的质量,仅以低价格中标的形式采购箱变,最终结果可能是得不偿失。从风电场实践来看,变频器并网开关在机组运行过程中不能断开以及箱变与变频器接线电缆出现严重对地短路这两种情况,其发生概率很低,然而,从上文提到的风电机组烧毁事例来看,风电场箱变存在问题不在少数。再从部分风电场箱变的检查也得到证实,箱变的高压侧不能正常熔断或分断,低压侧断路器过流不能自动跳闸不在少数。有的箱变低压侧的自动跳闸机构没有接线,高压侧熔断保险没有安装、装反等故障时有发生。有的风电场箱变在线路设计上就违背电力设计规范。

因此,一旦需要箱变保护动作、切断电源时,箱变的故障概率很高,造成故障、事故损失扩大,甚至导致机组烧毁事故的发生。

防范措施

风电机组烧毁事故会造成巨大的损失,如在事故发生后找出事故发生的根本原因,并采取有效措施,有的放矢则能收到良好的效果,避免机组烧毁事故的再次发生。具体预防措施如下:

在风电场采购安装箱变时,应保证箱变的功能和质量。保证箱变低压侧断路器具备应有的保护功能,箱变高压侧熔断器的选配、熔断器的安装方式正确等;保证箱变到变频器接线电缆的电缆质量和安装质量,进行必要的绝缘防护;箱变低压侧中性线应按要求接地,完善低压侧的零序保护;合理设置箱变参数,箱变断路器的过流设定值要与机组的额定功率值相当,过大不利于保护设备;过小则不利于机组运行。

做好箱变定期维护工作,诸如:低压侧断路器的参数设置检查和自动分闸功能测试;高压侧熔断器的安装牢靠及跳闸机构的检查。

结语

在预防上述火灾事故时,必须做好箱变的质量控制和相关维护工作;在日常机组运行与维护时,注意抓住每一个细节;消除一切可能的安全隐患;抓住重点,有的放失,降低机组的长期度电成本。


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