西北地区新建风电场投运后几起典型故障分析与研究

王 东

（华能酒泉风电有限责任公司，甘肃 酒泉 735000）

0 引言

可再生能源是能源发展的方向［1-2］。近年来，西北地区可再生能源利用率逐年增长，特别是风力发电发展迅猛，先后在多个省份建成重要的千万千瓦级风电基地［3-5］。西北地区风电建设多位于戈壁荒滩，当地海拔高、风沙多、昼夜温差大，其独特的地理位置和环境特点对风电场设备选型、安装制作工艺等都提出了严格的要求。新建风电场投运后，多数由于设备选型错误以及结构设计不合理、施工质量低、运维管理缺失等原因导致事故频发，造成风电场直接和间接经济损失，对电网运行的安全性和稳定性也产生了比较大的影响［6-7］。为避免类似事故的发生，本文对几起典型故障进行分析，总结处理方法和经验，提出了在同类工程及项目管理中的几点建议。

1 设备型号或设计不满足环境配置要求引发的故障

1.1 电压互感器型号错误引发的故障

某风电场海拔1 400 m，330 kV 升压站35 kV 户内母线选用树脂浇注式电压互感器，设计为高海拔型且额定电压因数为1.9。该场投运6 个月后，35 kV 户内母线电压互感器发生A 相本体炸裂接地，弧光造成三相短路故障，见图1。

图1 35 kV户内母线A 相电压互感器故障Fig.1 35 kV indoor bus A phase voltage transformer fault

事故调查中发现，A 相和B 相电压互感器型号错误，为普通型，不符合设计要求，见表1、图2～图3，额定电压因数为1.5，仅适用于1 000 m及以下地区［8］，而只有C相电压互感器符合设计要求。

表1 某风电场35 kV户内母线电压互感器的型号统计表Table 1 Statistical table of 35 kV indoor bus voltage transformer in a wind farm

图2 A、B相电压互感器铭牌Fig.2 A,B phase voltage transformer nameplate

图3 C相电压互感器铭牌Fig.3 C phase voltage transformer nameplate

同时，检查发现故障电压互感器A 相避雷器引线缺失，判断A 相电压互感器长期在缺失过电压保护的情况下运行，当系统出现过电压时逐步造成内部绝缘损坏，发生接地，产生谐振［9］，导致铁磁饱和，引起局部温度急剧升高，致使A 相电压互感器炸裂。这起案例暴露出，在安装、试验、验收阶段，工作不规范不严谨，特别是没有发现避雷器引线缺失的简单缺陷。分析认为，施工中可能为了赶超进度而存在工作缺失，或者监理、验收工程师经验不足，均未能及时发现问题，埋下了安全隐患，导致不符合设计要求的互感器和接线不完整的系统投入生产，最终发生了问题。

西北地区独特的地理位置和环境特点对风电设备要求较高，不仅要在选型上因地制宜并留有裕度，更重要的是在到货验收、安装调试上做到规范严谨，确保设备可靠和系统完整。

1.2 箱变设计缺陷引发的故障

某风电场地处戈壁滩，环境温差较大，安装某厂家生产的具有独立布置高低压开关室的“紧凑型箱变”100 台，投运1 年以来发生故障20 台次，统计见表2。分析认为，该箱变的油箱设计体积不够，不满足当地环境温差的要求。

表2 某风电场投运初年箱变故障统计表Table 2 Statistical table of prefabricated substation fault in the first year of operation of a wind farm

箱变冬季运行时，油面随着气温逐渐下降，箱变的高压负荷开关因布置在油箱内相对较高的位置，其接线铜排柱露出油面，导致相间绝缘距离不够引起强烈的电弧放电，造成箱变内部相间短路故障，典型的录波图见图4。通过箱变吊芯检查发现，负荷开关接线端子有明显的拉弧痕迹。为避免箱变油位过低引起负荷开关短路事故，风电场对油位表低油位接点进行调整，当油位达到设定值时，设备停止运行，进行补油。油位表调整后，箱变虽未发生故障，但是到了夏季运行时，油面随着气温又逐渐上升，与箱变顶盖距离过小，油箱因气垫的补偿能力不足，内部压力增大，致使油位浸没压力释放阀的箱变在压力释放阀处漏油严重，而且频繁动作导致箱变跳闸，此时手动压力释放，压力释放阀处会大量喷油（见图5）。风电场在箱变顶盖上加装了放气阀，当压力达到设定值时，放气阀自动排气，有效解决了压力释放阀动作及渗漏油问题。

图4 箱变内部短路典型录波图Fig.4 Typical recording diagram of short circuit in precast substation

图5 箱变压力释放阀处喷油Fig.5 Spray oil at prefabricated substation pressure relief valve

由此可见，在环境温差较大时，箱变油位的控制对箱变的安全运行至关重要。在其他相似环境下的风电场，箱变已设计成自带油枕，油枕容量与箱变及当地环境温度相匹配，从而很好地解决了箱变油位控制的问题，见图6、图7。

图6 无油枕紧凑型箱变Fig.6 Oil-free pillow compact prefabricated substation

图7 自带油枕型箱变Fig.7 Prefabricated substation with self-contained oil pillow

2 施工质量不合格引发的故障

某公司下属风电场的35 kV集电线路与箱变高压侧及集电线路终端杆与升压站之间采用电缆出线方式，共有714个电缆头，投运第一年中发生电缆终端故障18次，并且故障点多集中在铜屏蔽层断口和半导体层断口处［10-13］，如图8所示。

图8 35 kV电缆终端头故障Fig.8 35 kV cable terminal head fault

究其原因主要是电缆终端头的制作安装工艺不合格：

1）电缆终端头制作安装过程中，对风电场风沙大、气候多变的特殊环境未采取有效的防护措施，导致电缆头绝缘中容易进入尘埃、杂质等形成气隙，并在强电场下发生局部放电，最终发展为电缆头绝缘击穿。

2）电缆终端头施工质量问题较多。通过将绝缘击穿烧毁的电缆头拆解发现：

a）铜屏蔽层断口处的尖角毛刺未处理平整，导致放电；

b）半导体剥切时划伤主绝缘，造成绝缘薄弱，导致击穿；

c）冷缩管的应力锥未套到半导电层之上，导致电应力场最集中处被击穿。

风电场的风机分布极广，可能达到数十平方公里，因此，35 kV集电系统规模较大，系统中出现雷击过电压、操作过电压、弧光过电压等各种内、外部过电压的概率也相对大得多。而绝缘损伤具有累积作用，具有绝缘缺陷的电缆在频繁出现的过电压作用下严重威胁着风电场35 kV系统的安全运行。采取电缆出线上杆（塔）的风电场，一般电缆终端头数量也众多，可能达到数百个。因此，电缆终端头制作安装的质量关系着电缆的安全稳定运行和风机负荷的可靠送出。所以，该公司对风电场35 kV电缆终端头利用小风期重新进行制作安装，严把质量关，电缆投运后再未发生故障。值得一提的是，电缆终端附件及其制作安装选择同一厂家，也有效避免了因设备厂家和制作安装单位不同而当出现问题时的推诿扯皮。另外，某些新建风电场将35 kV集电线路与箱变高压侧连接设计成引线连接方式（如图7），大幅降低电缆终端头的数量，以避免电缆终端头制作安装工艺不合格造成的绝缘击穿故障。

3 定期检修漏项引发的故障

某新建风电场330 kV升压站投运后半年，利用电网线路检修全站停运期间，对站内设备开展状态检修，修后时隔4 个月，突然发生主变低压侧断路器跳闸全场停运事故。事故调查发现，330 kV 升压站35 kV 配电室共箱母线排连接处A、B相螺栓松动，连接处压接不紧导致发热起弧，造成弧光短路（见图9），35 kV 母线差动保护动作，主变低压侧断路器跳闸，全场停运。

图9 35 kV共箱封闭母线A、B两相接头发热处Fig.9 35 kV box closed bus A,B two-phase joint heating

此次风电场全停，是由于升压站检修时间短，检修人员未打开35 kV配电室共箱母线对母线排连接处进行螺栓紧固，从而留下安全隐患最终导致事故发生。事故在暴露出定期检修不认真，存在漏检项目的同时，也充分说明新建风电场特别是升压站定期检修的重要性。

西北地区风电场以及升压站建设往往存在建设工期较短现象，工程质量的把控多少存在疏漏，一旦发生风电场全停事故，其影响和损失将难以估量［14-15］，因此新建风电场特别是升压站投运后的首次检修对保障设备安全可靠运行尤其重要。另外，西北地区风电场的升压站检修一般根据电网检修时间和负荷受限情况安排计划，往往时间较短，而定检项目又较多，面面俱到不太可能，可采取计划检修和状态检修相结合的策略［16-17］，并结合设备运行状况和状态评价动态调整检修项目［18-22］，以提高风电场定期检修的质量。

4 结语

进入“十四五”，西北地区风电建设将成倍数增长，风电对电网安全的影响日益重要。风电在数量和速度上迅猛发展的同时，更要注重质量的严格把关，只有从源头上和维护中不断消除安全隐患，才能从根本上提高风电运行的可靠性，保障电网安全。通过梳理西北地区新建风电场投运后暴露出的若干问题，提出了在同类工程及项目管理中的几点建议：

1）西北地区具有独特的地理位置和环境特点，工程设计不能只凭经验以偏概全，应充分考虑风电场选址的地理和环境特点如海拔、温差、恶劣天气等对设备的影响，合理设计设备结构和接线，严格选型；

2）风电场电气设备安装除了考虑风沙、污秽、湿气等对设备绝缘的影响做好防范措施外，还必须严格按照工艺流程和要求施工，做好过程质量监督与验收，消除可能的设备隐患，不能因建设工期短，只求数量和进度而放低对质量的要求；

3）新建风电场特别是升压站投运后要高度重视定期检修工作，西北地区风电场的升压站检修一般根据电网检修时间安排计划，往往时间较短，而定检项目又较多，面面俱到不太可能，可采取计划检修和状态检修相结合的策略，并结合设备运行状况和状态评价动态调整检修项目，以提高风电场定期检修的质量。