贵州某光伏电站典型故障分析与研究

中节能太阳能关岭科技有限公司 刘士起

太阳能是储量最丰富的清洁能源之一，光伏发电作为利用太阳能的一种有效方式，对于缓解我国能源结构性短缺有着重要的地位。在“双碳”战略目标下，光伏发电将由主力替代传统能源成为市场主体能源，由战略性新兴产业转变到国家支柱产业，可再生能源是能源发展的方向[1-2]。因此，光伏电站投产运营后的运维工作是电站可持续发展的坚强护盾，也是电站的稳定性收益的重要保障。设备选择、施工、运维等环节故障频发，对电网安全和稳定产生了较大影响，也严重影响了电站的经济效益。为有效降低光伏电站故障率，主动适应高比例新能源、保障高比例电力电子设备的接入系统，提升电站电力系统的可靠性和电能质量，更好地保障电力系统安全稳定与推动绿色低碳发展。本文以贵州某光伏电站的典型故障为例进行分析研究，总结大型山地集中式光伏项目的检修经验，同时就项目建设过程中的施工质量管理存在的问题与后期运维提出了相关建议。

1 设计不满足当地自然环境引发的故障

1.1 35kV 断路器运行放电故障

110kV 升压站35kV 高压室内301开柜母排室运行过程中伴随“呲呲呲”异响，经判定为放电声，存在严重安全隐患。贵州省自古有“天无三日晴，地无三尺平”之说，该项目升压站所在地海拔约1200km，紧邻北盘江，小气候现象突出，9月至次年1月大雾天气居多，空气湿度长期维持在70%以上[3]。由于高压室未设计除湿系统，长期运行后，绝缘体出现凝露现象，绝缘能力下降，进而致使发生铜排对绝缘体持续放电。

排查故障中发现，开关柜母线室内绝缘体表面有凝露现象。根据GB3906-2006的标准，40.5kV高压开关柜应长期在湿度50%以下运行。通过对高压开关柜母线室内缘体表面有凝露现象导致母排产生持续放电分析，凸显出设计者在设计时未充分考虑当地地理环境和小气候环境，导致该设计不符合现场实际运行条件，最终发生了上述问题。

此类故障处理方法如下。第一，采用除湿机或生石灰（生石灰具有很强的吸潮吸水性）等手段降低室内湿度。第二，停电做好安全措施后，检查放电位置绝缘损坏情况，视情况加强绝缘体的绝缘性能，防止持续放电造成击穿。如果放电导致绝缘体损坏，需进行更换并升级其绝缘性能后再投运；如果具备继续使用的条件，用酒精擦拭母线室绝缘体，自然晾干后，采用热风机等对母线室进行烘干作业。第三，检查无误后试运行，其间加强巡视，观察运行情况。

由此可见，贵州省独特的地理条件和环境特点对电气设备要求较高，在设计及运维阶段都需要因地制宜地进行气候分析，并且不断优化。项目在设计阶段，设计者不仅要在设备选型上因地制宜，更要在设计阶段充分调研当地气候现象，确保设计满足设备运行条件。在运行维护阶段，发现由于地理条件和环境特点造成电站电气设备的带病运行，应及时采取措施改善环境、优化设备，同时及时反馈到设计方及在建项目，从设计阶段将问题的根源消除。

1.2 箱变设计缺陷引发的故障

贵州某光伏电站B 标段安装某公司生产的3150kVA 箱变13台，于2019年12月底投产运行。贵州关岭地区的地理环境以及气候环境与贵州其他地区有所不同，主要是因为贵州的喀斯特地貌气候分布不均匀。特别是夏季，箱变的散热及外壳的运用对关岭地区的设备运行安全来说是十分重要的。想要选择适合当地环境材质的箱变外壳及散热方式，就要在设计阶段充分了解当地高温高湿环境下对箱变外壳及箱变散热造成的一系列影响。

贵州某光伏电站在2020年4月到7月间处于高温高负荷时期，接连发生低压室温控器烧毁故障，导致箱变本体风机不能正常启动，进而引起箱变超温保护跳闸。另长期处于高温高湿环境下，箱变外壳内部高压电气设备较长时间在湿度超过70%以上的环境中运行，导致固体绝缘物表面不断吸收潮气并形成水膜，使得局部电场强度增加，发生放电，并引起沿面闪络电压下降。吸收的潮气越多，沿面闪络电压则降低越多，这种沿绝缘物表面放电，会使绝缘物表面局部过热至碳化并伴有强烈的放电声和煳味。其最终会造成相对的和相间短路故障，从而发生重大电气事故。

分析认为，箱变排风系统的低压室未设计排风系统，造成箱变低压室处于高温及高湿的状态，温度升高后，室内二次设备运行环境发生巨大变化，再加上箱变外壳防潮度低，湿度增加，吸收的潮气越多，室内的运行湿度越大。贵州某光伏电站直流侧与交流侧容配比为1.3：1，4月份到7月份箱变长期处于高负荷运行阶段，加之高温高湿的运行环境及高海拔太阳辐射强，天气非常好时，当箱变在负荷率90%以上运行约2h，如图1所示。因低压室未设计排风散热系统，导致低压室热量及湿度无法及时排出，引发箱变温控器死机，箱变本体室温攀升后未及时启动风机散热，导致箱变高温跳闸。针对该高温高湿环境下箱变低压室排风散热的问题，可以通过加装排风扇的方式，对箱变低压室进行排风除湿，防止低压室在高负荷的情况下温度攀升。

图1 晴天时的功率曲线

后经厂家配合，贵州某光伏电站在箱变低压室侧面开窗并加装排风扇后，有效解决了箱变超温跳闸的问题。也同步改善了箱变内部高温高湿的运行环境。

1.3 光伏区电缆桥架鼠患问题

贵州某光伏电站分AB 两个标段同期开始建设，两个总承包单位在光伏区电缆布置设计上采用了两种不同的方式。A 标段采用外置电缆桥架的方式，B标段采用了电缆直埋方式。经对光伏区光伏电缆故障的统计分析，2021年共发生光伏区光伏电缆故障73次，其中A 标段电缆桥架内鼠患引起故障43次；B 标段未发生鼠患引起的光伏电缆故障。

A 标段光伏电缆故障主要有两个方面原因。一是桥架布置位置均位于光伏区内，一方面是施工质量问题，电缆桥架存在缝隙，当夜晚来临时桥架内由于白天运行余留温度较高，适宜老鼠活动与逗留。另一方面埋入地下的桥架也容易被老鼠打洞进入。二是光伏电缆是非铠装保护的户外电缆，绝缘层及保护层较薄，容易遭到动物啃食。电缆绝缘层被破坏引起相间短路或接地故障，进而造成逆变器停运。电站运维人员通过对桥架进行全面的排查和封堵后，效果显著，但仍时有鼠患破坏电缆的情况发生。因此建议新建项目光伏区在设计与建设期间，无铠装保护的电缆应尽量避免采用桥架模式，可以采用穿细管直埋方式。若使用桥架的方式，应在施工阶段做好桥架的封堵与桥架外壳的选型，避免老鼠进入啃食。

2 施工质量不合格引发的故障

贵州某光伏电站投产三个月内发生35kV 电缆终端故障5次，故障点均集中在铜屏蔽层断口和半导断口处如图2所示。

图2 35kV 电缆终端头故障

发生上述故障的主要原因是电缆终端头制作安装工艺不合格。第一，电缆终端头制作时外部环境较差，箱变电缆室未采取有效的防护措施，导致沙子等杂质进入，运行过程的强电场导致气隙放电，击穿终端头绝缘。第二，施工技术员工艺处理环节存在问题：半导剥切时划伤主绝缘体；铜屏蔽层断口处未处理平滑；冷缩管的应力锥未套到半导层之上，导致电应力场集中的位置被击穿。

贵州某光伏电站共有35kV 电缆终端头64个，其制作安装的质量直接影响电缆的安全稳定运行和发电效益。对上述原因进行分析后，认定为上述故障是由于B 标段总包单位技术团队施工质量造成。因此及时要求总包单位更换了方案，为确保质量，此次电缆终端头更换全部由电缆终端厂家技术员进行，其利用8个夜间不发电时间对存在质量问题的30个电缆终端头重新制作并安装，投运后未再发生故障。

电缆终端头制作电时由于生产厂家、电压等级不同、电缆头的制作工艺要求不尽相同。因此施工必须认真熟悉电缆附件生产厂家提供的资料，严格按照生产厂家的工艺规定制作电缆头。水分和小杂质对电缆接头有害，容易引起局部放电的发生，在接头施工中一定要注意环境湿度及粉尘情况。选择无风雨雾雪、无扬尘潮气的时机制作电缆头，电缆铺设、试验前后必须对电缆头做好密封、防止受潮。在项目建设过程中，电缆头在空气中暴露的时间越长，侵入杂质，水分，气体，灰尘等的可能性就越大，从而影响终端头质量。因此要求在施工之前充分做好各项准备工作，保证制作时不间断，一气呵成。

3 定期检修漏项引发的故障

汇流箱是直流设备中的枢纽设备之一，也是监控系统末端智能设备[4]。因此，电站投运后，会定期对汇流箱进行检修，主要工作是进行电流电压校对和端子紧固。运行期间发生了一次因端子松动导致汇流箱负极母排烧毁故障，如图3所示。

图3 汇流箱母排故障

此次故障是由于熔丝底座端子松动，导致负极母排与熔丝底座连接处虚接发热，造成弧光短路，烧毁负极母排及正负极临近的熔丝底座。此次故障是由于定期巡检期间，检修人员紧固端子排不细致，留下了隐患，进而导致了故障的发生。一方面暴露了检修人员定检工作不认真，存在漏检情况，另一方面也说明了定期检修的重要性。因此，在后续的工作中加强员工责任心的同时，将定检的计划和属地化考核相结合，有效地提升了设备运行动态管理，提高了定期检修质量。

4 结语

在中国“富煤贫油少气”以煤炭为主的能源结构中，“双碳”战略目标带给光伏的发展空间无限，未来中国也将建设更多的光伏电站。因此电站建设过程中的质量把关显得尤为重要，从建设的源头上和日后的运维中不断消除隐患，才能从根本上提升光伏电站运行的稳定性。通过总结贵州某光伏电站并网后暴露的典型故障，对后续新建项目在项目建设管理方面提供以下策略方法和改善意见作为参考。

第一，工程设计阶段实事求是，不能搞拿来主义，施工应充分考虑项目所在地的地理环境和气候，认真研判小气候对设备的影响，严格计算相关参数，合理设计设备选型和配套设施；第二，大型光伏电站项目工程量大，建设周期短，纠错成本高。建设期必须严格做好质量监督和验收。必须按照标准工艺流程施工，做好隐蔽性工程检查，消除设备隐患；第三，电站运营期要高度重视定期检修，提前制定定期检修计划和方案，做到大小检修结合、定期检修与定期巡检结合、计划检修与动态检修相结合的方式。强化属地化检修项目互检与评价，以提升定期检修质量。