大型山地光伏電站的電氣故障排查與處理

張欣鵬* 于 瓊 謝紅恩 李 果 宋碧昊

(平高集團有限公司，河南 平頂山467000)

伴隨著社會的不斷進步, 人們的社會生活水平和質量得到了逐步改善,社會對能源的需求也不斷增加,除了導致不可再生能源的儲存量減少, 也對生活壞境產生了極大的污染。因此,國內外學者及研究員尋找新的可再生能源代替之前一直使用的能源,如一些可以無限使用的風能、水能、太陽能、地熱能等[1-5]。

目前, 太陽能是當前世界上最清潔并且是開發最有前景的可再生能源之一[6,7]。太陽能作為一種清潔能源,太陽能作為一種清潔能源,具有無限性、普遍性、清潔性和經濟性等優勢。采用的太陽能光伏發電具有結構簡單、方便、清潔、安全、無噪聲、價格低、市場好等優點[8,9],當前,全球光伏發電總裝機容量約占全球發電總裝機容量的1%,預計至2030 年,可提供全球15 %的電能[10,11]。據國家能源局的統計數據顯示,截至2016 年底,中國光伏發電新增和累計裝機容量均為全球第一[12]。由于光伏電站的建設后電費補助標準直接受國家政策的影響, 這讓很多項目的建設方為了搶工期,對于設備的調試消缺時間變短,質量方面必定出現不同的問題。前期的設備管理時間不足,會導致后期的運行問題[13]。光伏電站的后期運維工作不僅關系到光伏電站能否持續可靠的運行, 還關系到電站的后期運維成本以及電站最終收益[14,15]。

本文重點梳理了大型光伏電站存在的質量通病及常見的幾種電氣故障,并據此提出了簡單、快速、有效的處理流程及方法。通過對故障問題的匯總分析, 最終針對施工質量通病提出了合理化的建議及改正措施以減少或規避運維過程中的故障問題。

1 場區電氣連接方案及其連接故障

1.1 項目場區電氣連接方案

圖1 電氣連接方案

100 MW 的大型山地光伏發電項目的電氣連接方案如圖1所示,每路光伏組件串是由22 塊光伏組件單元通過組件單元的連接接頭串聯組成, 其中光伏組件單元選用的為260 Wp 多晶硅。光伏組件串經過匯流箱匯流后由智能防雷匯流箱送至1 MW 一體化逆變器房直流側, 匯流箱正極進線電纜分別接入逆變器直流斷路器進行控制, 負極電纜并入負極匯流母排接入系統。智能防雷匯流箱送入逆變器的直流電分別接入逆變器兩側經逆變器逆變為交流電。經逆變器逆變后的交流電送至35 kV組合式變壓器(箱變)低壓側,經箱變的變壓器升壓至35 kV 后通過集電線路送至升壓站內部開關柜。其中電氣設備之間通過電纜連接,具體連接規格及方式如表1 所示。

表1 設備之間電纜連接規格方式

1.2 場區電氣故障原因初步分析

由于大型山地光伏電站項目的特殊性,工期緊、工作面廣、施工難度大等一系列原因,導致施工過程中質量把控困難。容易出現以下幾種問題:一是箱變高壓電纜接頭施工工藝不合格,存在隱患, 且電纜耐壓試驗未按國家標準要求進行, 導致長時間“帶病運行”;二是由于電纜溝回填過程中,部分施工場區取土困難,施工方采用電纜溝附近的大石塊回填;三是施工方選用電工不專業,低壓電纜剝線連接過程中,刀口過深,對內絕緣層進行損傷,導致下雨或潮濕環境下電纜短路故障,燒毀電纜。以上幾個方面是光伏場區故障頻發的主要原因。

2 場區電氣設備故障處理

2.1 場區電氣故障排查

場區電氣故障的處理及時與在很大情況上影響著光伏發電項目的發電量,電氣故障處理原則為從重到輕、從大到小逐一排查處理。

如圖2 所示,為升壓站監控后臺界面,首先定期對升壓站后臺的場區監控系統進行核查, 通過升壓站監控后臺界面可以實時了解到各個設備的故障停機情況, 并且可以及時記錄報警信息,匯總編制電氣故障清單,再聯系運維隊伍到現場,按照輕重緩急的原則對故障進行下一步處理。

圖2 升壓站監控后臺界面

2.2 場區電氣故障處理

拿到電氣故障清單,首先對清單內容進行分析,并依照不同的問題進行分門別類, 分類完畢后依照圖3 所示的施工電氣故障排查流程進行排查。按照此流程可以首先查看并處理箱變施工過程中存在的電氣故障, 再查看分析處理逆變器施工電氣故障, 然后處理匯流箱電氣接線故障, 最后處理光伏組件支路故障。

圖3 施工電氣故障排查流程

2.2.1 箱變電氣故障處理

箱變施工電氣故障主要分為高壓電纜接頭擊穿,35 kV 高壓線路電纜外層損傷或中間接頭破損導致電纜接地兩種情況,以下是兩種故障的處理方法。

a. 箱變高壓電纜頭擊穿故障

圖4 箱變高壓電纜頭擊穿

如圖4 所示,當箱變高壓電纜接頭擊穿時,會產生較大危害,為防止事故進一步擴大,需及時將升壓站開關柜斷路器斷開,對箱變進行停電隔離。若確定故障箱變的高壓電纜接頭出現故障,首先對該箱變相鄰的逆變器交直流側進行停電操作, 并對箱變高壓側進行驗電及放電操作。在確保高壓側不帶電之后方可聯系專業施工隊伍對電纜接頭進行更換。更換高壓電纜頭時需派專業的電氣施工隊伍進行更換,并按國家標準進行耐壓試驗,以確保安裝質量。對于無法及時聯系施工隊伍進行更換的情況下,可采取斷電后拆除、固定高壓電纜接頭等有效措施對該箱變及下級箱變進行隔離,以保證上級箱變的正常運行與發電。

b. 箱變高壓線路電纜破皮或中間接頭損傷的故障

當箱變高壓線路電纜破皮或中間接頭損傷的故障, 需對相應高壓開關柜進行停電操作,若已排除電纜終端接頭原因,可進一步查看電纜井內中間接頭是否出現問題, 下一步可將箱變處電纜終端接頭分段隔離,逐段進行絕緣測試,縮小故障點范圍,降低故障排查難度。絕緣測試結束后,可根據測試結果確定故障電纜,并依據電纜標示樁沿電纜溝進行挖掘,排查是否有外觀損傷情況,重點對過施工道路的電纜溝進行排查。當發現電纜外表面破皮接地情況,可聯系專業電工施工隊伍重新制作中間接頭,制作完成后,首先測量電纜絕緣電阻,絕緣電阻達到標準要求后再次對電纜中間接頭進行耐壓試驗, 確保無問題后將電纜溝回填送電。送電時需注意核查電纜三相相序,防止相序錯誤。

2.2.2 逆變器電氣施工故障處理

逆變器在電氣施工過程中造成的故障主要為電纜接地情況。逆變器顯示面板會顯示絕緣阻抗異常報警,當發現此報警信號時, 故障原因一般為逆變器直流進線側存在電纜破損接地等情況。可按以下步驟排查故障電纜支路

(1) 確定逆變器正負極接地:將逆變器正極直流開關關閉,并逐個送直流側開關,測試逆變器是否報警;直至測出故障正極支路,若全部報警,則為正極接地。

(2) 確定接地故障電纜型號:當負極接地時,需將逆變器交直流側開關全部斷開,并將逆變器連接的匯流箱斷路器全部斷開。利用萬用表確定負極匯流排無電壓并放電保證安全后, 拆除逆變器2×70 的負極電纜,利用1000 V 兆歐級電阻表(搖表)逐個測量絕緣電阻,確定故障支路,若全部正常,則為組件至匯流箱2×4 電纜負極電纜接地故障;當正極電纜接地故障時,可關閉所對應的匯流箱及逆變器直流開關, 測試無電壓后對該直流2×70 電纜用搖表進行絕緣測試,若正常,則為該匯流箱2×4 直流電纜正極接地,若故障,則為2×70 電纜接地。

(3) 排查2×4 光伏電纜故障電纜支路:當2×4 電纜接地時,可利用萬用表測量相應的匯流箱支路正負極電壓,若電壓異常,或無電壓,則是該支路接地故障。

2.2.3 電纜接地處理

電纜接地情況根據施工方對電纜保護程度及施工工藝的不同,一般分2×70 電纜接地和2×4 電纜接地兩種情況,上文已經對如何排查出兩種電纜接地進行了詳細描述, 下面將對兩種電纜接地故障排查處理做出詳細說明及分析:

a.2×70 電纜接地排查與處理

2×70 電纜由于大部分直埋至地下, 直接排查較為困難,花費人力財力巨大,目前可采用以下方式降低處理成本。

首先依據地面上電纜標識牌及電纜標志樁確定接地電纜走向及電纜溝位置; 然后查看電纜溝附近是否有大型車輛經常通行的道路或有較大石塊回填的位置,若有,則優先對此地方進行開挖, 查看是否有外觀破皮的電纜并進行處理。如圖5 所示,便是施工道路下電纜溝內回填的尖石破壞的電纜。當遇見100 m及以上長度的故障電纜,可對電纜溝中間位置進行開挖,并將電纜從中間截斷,分別利用搖表測量單相對地絕緣電阻,并依據此方法最終測出故障點,聯系電工進行更換或制作電纜中間接頭。

圖5 電纜破皮接地

b.2×4 電纜接地排查與處理

2×4 電纜由于位于地上,可以通過目測進行故障排查,故障點一般分為兩個部分,匯流箱內部進線處與組件MC4 電纜連接頭兩個地方故障。

①匯流箱內部進線處故障: 匯流箱內部進線故障存在兩個原因,一是2×4 電纜與匯流箱接線不牢靠,導致松動,接觸不良,此種情況需重新連接。二是電纜剝線處,部分剝線時刀口過深或硬銅線彎曲半徑太小,導致內部進入空氣發生潮氣侵蝕情況,嚴重時可導致正負極短路燒毀,且匯流箱無法進行保護。發現匯流箱電纜進線變黑情況需及時重新剝線、接線,防止造成更大的事故,如圖6 所示,便是由于匯流箱進線電纜絕緣層破損處理不及時導致的匯流箱內部進線短路燒毀情況。

圖6 匯流箱內部進線短路

②MC4 電纜頭處故障:MC4 電纜頭故障一般有兩個原因,一是MC4 電纜接頭制作工藝不達標, 接觸不良導致支路無電流。二是MC4 電纜頭制作位置電纜剝線處,刀口過深,導致絕緣層破壞,長期雨水、潮氣侵蝕,導致短路故障。這兩種故障情況重新制作MC4 電纜接頭便可解決。

圖7 MC4 接頭燒毀

3 結論

本文以對電氣施工故障的處理為切入點, 對出現故障的根本原因進行分析,以求對將來新建項目的質量把控有借鑒意義。處理項目電氣故障最簡單快捷的方法是做好事前質量把控工作,因此在項目建設前期、中期加強施工質量把控、增強對施工方施工工藝要求便可大大減少后期消缺成本。在本項目的施工電氣故障消缺過程中, 發現有以下幾點經驗可在工程建設前期重點考慮。一是在施工前期注重設計交底工作,嚴格按照施工圖紙進行施工,施工過程中及時報驗,防止發生返工情況;二是對施工質量把控點嚴格要求,單個問題雖小,但是由于光伏組串數量龐大,量變引起質變,必須對施工工藝嚴格要求,嚴格按照規范進行電氣接線;三是嚴格按照施工流程進行施工,電纜做完相應試驗,保證正常運行后方可進行電纜溝回填;四是招標過程中對電氣安裝施工隊伍嚴格篩選,并提高施工方電工的素質,選擇有責任心的施工方。