系列風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

文|王明軍，高原生

系列風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

文|王明軍，高原生

目前，不少新建風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電機組燒毀事故具有重大意義。

在設計、生產、安裝或維護風電機組過程中，機組本身存在的某種缺陷可能導致機組倒塌、燒毀事故。同時，當其附屬設備的設計、生產、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)的風電機組燒毀事故，以歸納總結出類似事故的預防措施。

風電機組燒毀事例

一、箱變低壓側斷路器不具備自動跳閘功能

2013年，某風電場雙饋1.5MW機組，在“低風切出”時，并網開關不能正常與電網脫開，即：發(fā)電機定子不能與電網分離。在停機過程中葉輪轉速不斷降低，定子的旋轉磁場與轉子的轉差率不斷增大，在發(fā)電機轉子上產生的感生電動勢將IGBT、低電壓穿越模塊等擊穿短路，巨大的熱量還使變頻器轉子接線的絕緣皮熔化、燒毀，直至變頻器處的轉子接線開路（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)電機定子產生的大量熱量使發(fā)電機內及附屬可燃物燃燒，如：發(fā)電機軸承內的潤滑油，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，其低壓側斷路器不具備跳閘功能是本次事故的關鍵因素。早在2011年，該風電場某機組在維修時，因并網開關誤動作曾經導致變頻器燒毀，因現(xiàn)場人員及時手動斷開箱變低壓側斷路器，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，最終導致了機組燒毀事故。

二、接線電纜短路，箱變低壓側斷路器不能正常跳閘、高壓側無法正常熔斷

2015年，某風電場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”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，最終導致電纜絕緣層破損，電纜對地短路、嚴重拉弧打火。

按設計要求，因變頻器與箱變之間的電氣保護，由箱變的低壓側斷路器實現(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，造成箱變的高壓側不能分閘斷電。箱變的低壓側斷路器和高壓側保險，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，內蒙古某風電場機組調試反送電時，因箱變低壓側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，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，某風電場進行機組安裝時，安裝人員在塔筒內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，雖然箱變的高壓側已經送電，但由于箱變的低壓側斷路器并沒有合閘，塔筒內本不應有電。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)調試時發(fā)現(xiàn)該機組的變頻器并網柜已全部燒毀。事后檢查發(fā)現(xiàn)，因箱變內部的接線錯誤導致了此次事故的發(fā)生。

機組重大事故原因分析

風電機組的倒塌、燒毀事故與機組附屬設施的設計、生產、安裝和維護質量有關，同時還與風電企業(yè)的管理及現(xiàn)場人員運維的技術水平及責任心密不可分。

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；同時，當箱變負載（風電機組）出現(xiàn)過流、短路時，通過箱變低壓側斷路器跳閘斷電，或高壓側的保險熔斷及斷路器跳閘斷電，以保護設備及人身安全。

由前面的事例分析可知，箱變低壓側斷路器不具自動跳閘功能，或低壓側短路器因故障不能及時跳閘、高壓側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事故，首先要切斷供電電源，以避免事故進一步擴大。風電機組的設計理念是在無人監(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、安裝和維護的質量問題不易發(fā)現(xiàn)，且容易忽視

在機組正常運行時，一方面，箱變的生產和安裝質量問題和安全隱患很難被人們發(fā)現(xiàn)，例如：箱變的低壓側斷路器過流時不能自動跳閘、高壓側不能正常熔斷或分斷，如不經過專門試驗不能發(fā)現(xiàn)；另一方面，人們普遍對機組本身的故障關注較多，而對箱變則關注較少。在設備維護時，不少風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。

如果風電場在采購箱變時，為了降低成本，不認真考察斷路器及關鍵部件的質量，僅以低價格中標的形式采購箱變，最終結果可能是得不償失。從風電場實踐來看，變頻器并網開關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，從上文提到的風電機組燒毀事例來看，風電場箱變存在問題不在少數(shù)。再從部分風電場箱變的檢查也得到證實，箱變的高壓側不能正常熔斷或分斷，低壓側斷路器過流不能自動跳閘不在少數(shù)。有的箱變低壓側的自動跳閘機構沒有接線，高壓側熔斷保險沒有安裝、裝反等故障時有發(fā)生。有的風電場箱變在線路設計上就違背電力設計規(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，甚至導致機組燒毀事故的發(fā)生。

防范措施

風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。具體預防措施如下：

在風電場采購安裝箱變時，應保證箱變的功能和質量。保證箱變低壓側斷路器具備應有的保護功能，箱變高壓側熔斷器的選配、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量和安裝質量，進行必要的絕緣防護；箱變低壓側中性線應按要求接地，完善低壓側的零序保護；合理設置箱變參數(shù)，箱變斷路器的過流設定值要與機組的額定功率值相當，過大不利于保護設備；過小則不利于機組運行。

做好箱變定期維護工作，諸如：低壓側斷路器的參數(shù)設置檢查和自動分閘功能測試；高壓側熔斷器的安裝牢靠及跳閘機構的檢查。

結語

在預防上述火災事故時，必須做好箱變的質量控制和相關維護工作；在日常機組運行與維護時，注意抓住每一個細節(jié)；消除一切可能的安全隱患；抓住重點，有的放失，降低機組的長期度電成本。

（作者單位：東方電氣風電有限公司）