風力發電場35 kV避雷器故障分析

李卓賢，黃 坤

（寧波天安設備安裝工程有限公司，浙江 寧波 315700）

1 事故（故障）現象

某風力發電廠自2015年9月29日到12月24日，共5臺箱變發生避雷器爆破事件，分別為39#、34#、50#、23#和31#箱變，其中23#風機箱變損壞最為嚴重。如圖1所示，避雷器爆破導致高壓室門變形，高壓套管受損漏油，屏蔽電纜三指套上部10 cm處絕緣破損，箱變高壓側二次控制線及其計量表均嚴重損壞。變壓器油位嚴重不足，變壓器經現場檢測B項繞組變比不合格，超出國家標準≤0.5%的要求，需返廠修理。

圖1 風機箱損壞圖

2 事故處置經過

接到風電場箱變維修要求后，廠家先后5次抵達現場，對受損的39#、34#、50#、23#、31#和箱式變壓器進行現場預防性試驗和肘套型避雷器更換。其中，39#、34#、50#、31#和4臺箱式變壓器進行現場預防性試驗發現，其箱變試驗合格。將檢測完畢的新避雷器進行更換，發現39#、34#、50#、31#和4臺箱式變壓器具備送電條件。其中，因23#箱變高壓套管受損嚴重，出線套管漏油情況，23#箱式變壓器進行現場測試繞組變比超出國家標準≤0.5%的要求。23#箱式變壓器在現場無法完成檢修，需要返廠維修。

風電場為了盡快恢復線路風機發電召開緊急會議，決定更換一臺全新箱變，恢復風力發電線路。廠家對全新箱式變壓器進行現場安裝和調試，對安裝完畢的23#新箱式變壓器進行現場預防性試驗與多次產品調試，確認23#新更換的箱式變壓器具備送電條件，并直至39#、34#、50#、23#、31#和5臺箱變并網運行正常，并入風力發電系統中。

3 事故后的相關檢查和試驗

事故發生后，風電場領導高度重視，多次組織技術人員會同避雷器制造廠家對現場進行了勘察和討論分析，基本情況如下所述。

（1）從其他沒有受損的同一批投運的避雷器種抽取幾只送檢，檢測直流參考電壓和泄露電流等基本項目，判斷氧化鋅閥片的基本性能。圖2為氧化鋅避雷器結構簡圖。檢測數據顯示，受檢避雷器閥片基本參數合格[1-4]。

圖2 氧化鋅避雷器結構簡圖

（2）氫氧化鋅避雷器最大的缺點是，在大電流的沖擊力作用下，泄流過程中容易產生過熱而導致崩裂。

（3）避雷器由多節組成，在大電流的沖擊作用中泄流，泄流過程中容易發生過熱崩裂。

（4）對受損的避雷器進行解剖分析，發現閥片有過熱顏色變深和燒蝕痕跡，顯示氧化鋅閥片有在大電流沖擊下導致發熱而崩潰的跡象。

（5）查看箱變、高壓電纜附件及其避雷器的安裝情況，電纜為T型頭，避雷器主要的支撐方式是通過電纜和高壓套管給予支撐。避雷器接在T型頭后部，閥片部分與套管及其連接呈垂直狀態。避雷器在受到系統大電流沖擊的作用下，在避雷針發生爆破時容易引起擺動和劇烈震動，易導致變壓器高壓套管等固體絕緣件受損，甚至導致變壓器高壓套管出現開裂漏油。

（6）經過現場對高壓環網柜與變壓器安裝保護系統的了解，發生故障跳閘的情況下，每次故障跳閘情況均由集電力線路中的環網柜跳閘。箱變自身保護裝置是油浸式負荷開關，是手動分、合閘式開關且不具備跳閘功能。箱變也沒有配置低油位報警等中控信號，遠方中控系統不能及時知曉現場箱變的具體事故情況。

（7）箱變是由油浸式手動拉閘負荷開關操作。受限于集電線環網柜斷路器整定電流的影響，從事故發生到操作切除過程，存在一定的時間差。集電力線路中發生故障時，中控系統不能監測現場箱變的運行情況，不能在第一時間內切除箱變負荷，從而引起了事故的進一步擴大。

4 箱式變壓器預防性事故

（1）風電場運行的箱式變壓器，應增加察看變壓器實際運行情況和變壓器油位，不定期抽檢絕緣油，以防變壓器絕緣油老化，甚至危害變壓器本身的絕緣情況。油檢查一旦有發現乙炔現象，應及時跟進與分析。一旦油老化危害變壓器絕緣情況，可考慮換油處理。

（2）在雷雨過后，巡檢人員應檢查風電場所箱式變壓器器身套管否有放電跡象，因雷電期間產生的放電性拉狐。所以，發現異常情況應當及時上報。

5 箱式變壓器避雷器事故管理

（1）風電場避雷器崩裂事故發生后，迅速組織搶修小組和事故調查小組對發生故障避雷器事件進行初步判斷，同時向上級領導匯報實際情況。風電場應將避雷器設備出廠報告封存，以便避雷器崩裂事故調查。風電場調度部門在避雷器事件發生后，應合理安排集中電力系統運行情況，將因避雷器事件造成的損失降至最低，給避雷器事件調查小組和搶修人員一定的調查時間和搶修時間。

（2）避雷器事故調查結束后，應做出避雷器事故分析報告。避雷器事件緣故若是由于前設計考慮不足所致，應檢抽查同一線路上的箱式變壓器上未損壞的避雷器，是否還能滿足運行條件，同時檢查現場避雷器安裝的不足并反饋給設計單位，吸取經驗、改進原安裝不足；當避雷器事故發生后擴大事故影響范圍由于產品設計不足缺陷造成，風電場運行單位應按照有關規定進一步改進產品安裝不足的問題。

6 風電場所預防性避雷器事件的措施

風電場所變壓器避雷器安裝處加裝固定支撐件固定避雷器，以消除避雷器在出現故障時的劇烈震動和搖擺情況。根據國內風電場2015年以來反饋的運行經驗，建議選用2 ms方波容量更大的氧化鋅閥片避雷器，可在一定程度上避免避雷器受系統大電流沖擊時熱崩潰。根據風電場運行工況，推薦使用2 ms方波容量大于800 A的產品為宜。

7 事故原因分析

根據現場采集到的各方面信息和對故障品的檢測討論分析，綜合運營單位和避雷器廠家討論分析的意見，綜合認為：

（1）事故的主要原因是避雷器閥片在大的系統沖擊電流下發生了熱崩潰。

（2）現場箱式變壓器高壓側油浸式負荷開關無過流跳閘保護，避雷器在受集成電網大電力沖擊下，在泄流中發生熱蹦。總環網柜有一定的跳閘保護時間，而此次故障是由避雷器泄流過程中的蹦裂引發變壓器高壓套管受損。事故發生后，因變壓器保護無油位保護信號傳入中控室，中控室沒有及時發現現場運行情況第一時間內做出反應，是導致變壓器受損程度擴大的主要原因之一。

（3）高壓環網柜因保護值設定和定值的延時影響，箱變高壓側設置的是油浸式負荷開關，不具備過負荷跳閘功能。在系統發生大電流沖擊下避雷器先泄流動作、避雷器在泄流過程中熱崩潰定向爆破時，避雷器垂直方向沒有加裝支撐避雷器抱箍的固定裝置支撐點，避雷器在熱崩時會出現擺動和強烈震動，導致箱變高壓套管開裂導致高壓套管出現漏油情況。同時，由于前期系統設計原因，箱變高壓側只有油浸式負荷開關，不具備過流跳閘功能。故障跳閘依賴集電力線路總的環網柜，但其斷路器受整定電流等因素影響，跳閘有遲延。箱變與沒有安裝油位下降信號傳入中控系統中，未能及時發現現場變壓器油位下降情況。

（4）這個過程時間中，箱式變壓器處于帶電狀態，高壓套管開裂漏油導致箱變器油位下降。受設計影響，箱變油位下降沒有設置相關告警信號上傳中控室，中控室沒有及時發現現場運行的箱式變壓器，導致變壓器高壓套管受損。變壓器油位持續下降，容易引發引線及其套管導電桿等部位對地放電，危及變壓器器身絕緣，造成事故擴大。

（5）變壓器事故進一步擴大的原因在于，在避雷器受到電力系統的電流沖擊中，泄流中的避雷器產生熱力蹦裂的情況影響導致變壓器漏油情況，變壓器油位持續下降。因前期設計不足，中控室沒有及時切斷故障電路中的總環網柜開關，從而引發事故進一步擴大。

8 進一步措施

根據事故處理信息及其形成原因的分析討論，建議下一步采取以下措施，切實有效地杜絕此類事件重復發生。

（1）根據國內風電場2015年以來反饋的運行經驗，建議選用2 ms方波容量更大的氧化鋅閥片避雷器，一定程度上避免避雷器受系統大電流沖擊時熱崩潰。根據風電場運行工況，推薦使用2 ms方波容量大于800 A的產品為宜。

（2）需要考慮對現有箱變加裝低油位報警，信號接入中控，便于中控系統電力值班員對現場運行中箱式變壓器進行實際油位監控[5]。

（3）日常巡視查看變壓器油位并做記錄，與中控室信號上的油位數據進行對比，更準確地得到變壓器地實際情況。

（4）切實按照國家標準規定，在雷雨季節或者定期進行避雷器的預防性試驗，篩查劣化的避雷器[6-7]。

（5）條件允許時，加裝避雷器泄露電流檢測裝置，并將其納入日常風機巡檢工作日志，日常進行數值比對，在避雷器預發性故障基礎上降低避雷器突發事故的概率[8-9]。

（6）風電場檢修人員在變壓器運行期間禁止搖擺避雷器設備，防止在搖晃過程中損壞避雷器外絕緣套，引起避雷器破裂。

（7）檢修人員檢查箱變的滲漏情況時，應注意高、低、出線套管部位進水與受潮情況，特別是變壓器頂部和容易形成的負壓區部位分接檔位入口處積水引起膠圈老化，做到及時發現異常、及時上報、及時處理。

（8）風電場巡視變壓器期間，巡視人員應注意觀察變壓器油位，檢查記錄套管實際油位情況。發現油位下降或有異常變化，應立即結合紅外測溫儀觀察變壓器高低壓出線部分有無局部過熱情況，并找出滲油具體位置，查看漏油部位，及時處理并上報。

（9）在風電場避雷器設備安裝前加以預防性計劃，避免在安裝過程中發生突發事故。

[1] GB 11032-2010 交流無間隙金屬氧化物避雷 [S].2010.

[2] GB/T 34869-2017 串聯補償裝置電容器組保護用金屬氧化物限壓器[S].2017.

[3] GB 50150-2016 電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準[S].2016.

[4] 路彥峰.氧化鋅避雷器電位分布數值計算研究[D].西安：西安電子科技大學，2007.

[5] 唐 林.江津35kV線路防雷新技術應用研究[D].重慶：重慶大學，2004.

[6] 王金濤.氧化鋅避雷器事故情況分析[J].華中電力，1991，（6）：32-35.

[7] 李 哲.35kV中性點非直接接地系統避雷器的選擇[J].山東電力高等專科學校學報，2001，（2）：39-40.

[8] 鄧雨榮.金屬氧化物避雷器泄漏電流的現場測試[C].廣西電機工程學會第七屆青年學術交流會論文集，2002.

[9] Gonzalez A G.Modelling and Simulation of a Surge Arrester in the Physical Domain[C].Methods and Models in Automation and Robotics（MMAR），2014 19th International Conference on，2014.