中節(jié)能太陽(yáng)能關(guān)嶺科技有限公司 劉士起

太陽(yáng)能是儲(chǔ)量最豐富的清潔能源之一，光伏發(fā)電作為利用太陽(yáng)能的一種有效方式，對(duì)于緩解我國(guó)能源結(jié)構(gòu)性短缺有著重要的地位。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，光伏發(fā)電將由主力替代傳統(tǒng)能源成為市場(chǎng)主體能源，由戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變到國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)，可再生能源是能源發(fā)展的方向[1-2]。因此，光伏電站投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)后的運(yùn)維工作是電站可持續(xù)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)護(hù)盾，也是電站的穩(wěn)定性收益的重要保障。設(shè)備選擇、施工、運(yùn)維等環(huán)節(jié)故障頻發(fā)，對(duì)電網(wǎng)安全和穩(wěn)定產(chǎn)生了較大影響，也嚴(yán)重影響了電站的經(jīng)濟(jì)效益。為有效降低光伏電站故障率，主動(dòng)適應(yīng)高比例新能源、保障高比例電力電子設(shè)備的接入系統(tǒng)，提升電站電力系統(tǒng)的可靠性和電能質(zhì)量，更好地保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定與推動(dòng)綠色低碳發(fā)展。本文以貴州某光伏電站的典型故障為例進(jìn)行分析研究，總結(jié)大型山地集中式光伏項(xiàng)目的檢修經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)就項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中的施工質(zhì)量管理存在的問(wèn)題與后期運(yùn)維提出了相關(guān)建議。

1 設(shè)計(jì)不滿足當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境引發(fā)的故障

1.1 35kV 斷路器運(yùn)行放電故障

110kV 升壓站35kV 高壓室內(nèi)301開(kāi)柜母排室運(yùn)行過(guò)程中伴隨“呲呲呲”異響，經(jīng)判定為放電聲，存在嚴(yán)重安全隱患。貴州省自古有“天無(wú)三日晴，地?zé)o三尺平”之說(shuō)，該項(xiàng)目升壓站所在地海拔約1200km，緊鄰北盤(pán)江，小氣候現(xiàn)象突出，9月至次年1月大霧天氣居多，空氣濕度長(zhǎng)期維持在70%以上[3]。由于高壓室未設(shè)計(jì)除濕系統(tǒng)，長(zhǎng)期運(yùn)行后，絕緣體出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，絕緣能力下降，進(jìn)而致使發(fā)生銅排對(duì)絕緣體持續(xù)放電。

排查故障中發(fā)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)柜母線室內(nèi)絕緣體表面有凝露現(xiàn)象。根據(jù)GB3906-2006的標(biāo)準(zhǔn)，40.5kV高壓開(kāi)關(guān)柜應(yīng)長(zhǎng)期在濕度50%以下運(yùn)行。通過(guò)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜母線室內(nèi)緣體表面有凝露現(xiàn)象導(dǎo)致母排產(chǎn)生持續(xù)放電分析，凸顯出設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境和小氣候環(huán)境，導(dǎo)致該設(shè)計(jì)不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行條件，最終發(fā)生了上述問(wèn)題。

此類(lèi)故障處理方法如下。第一，采用除濕機(jī)或生石灰（生石灰具有很強(qiáng)的吸潮吸水性）等手段降低室內(nèi)濕度。第二，停電做好安全措施后，檢查放電位置絕緣損壞情況，視情況加強(qiáng)絕緣體的絕緣性能，防止持續(xù)放電造成擊穿。如果放電導(dǎo)致絕緣體損壞，需進(jìn)行更換并升級(jí)其絕緣性能后再投運(yùn)；如果具備繼續(xù)使用的條件，用酒精擦拭母線室絕緣體，自然晾干后，采用熱風(fēng)機(jī)等對(duì)母線室進(jìn)行烘干作業(yè)。第三，檢查無(wú)誤后試運(yùn)行，其間加強(qiáng)巡視，觀察運(yùn)行情況。

由此可見(jiàn)，貴州省獨(dú)特的地理?xiàng)l件和環(huán)境特點(diǎn)對(duì)電氣設(shè)備要求較高，在設(shè)計(jì)及運(yùn)維階段都需要因地制宜地進(jìn)行氣候分析，并且不斷優(yōu)化。項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者不僅要在設(shè)備選型上因地制宜，更要在設(shè)計(jì)階段充分調(diào)研當(dāng)?shù)貧夂颥F(xiàn)象，確保設(shè)計(jì)滿足設(shè)備運(yùn)行條件。在運(yùn)行維護(hù)階段，發(fā)現(xiàn)由于地理?xiàng)l件和環(huán)境特點(diǎn)造成電站電氣設(shè)備的帶病運(yùn)行，應(yīng)及時(shí)采取措施改善環(huán)境、優(yōu)化設(shè)備，同時(shí)及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)方及在建項(xiàng)目，從設(shè)計(jì)階段將問(wèn)題的根源消除。

1.2 箱變?cè)O(shè)計(jì)缺陷引發(fā)的故障

貴州某光伏電站B 標(biāo)段安裝某公司生產(chǎn)的3150kVA 箱變13臺(tái)，于2019年12月底投產(chǎn)運(yùn)行。貴州關(guān)嶺地區(qū)的地理環(huán)境以及氣候環(huán)境與貴州其他地區(qū)有所不同，主要是因?yàn)橘F州的喀斯特地貌氣候分布不均勻。特別是夏季，箱變的散熱及外殼的運(yùn)用對(duì)關(guān)嶺地區(qū)的設(shè)備運(yùn)行安全來(lái)說(shuō)是十分重要的。想要選擇適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境材質(zhì)的箱變外殼及散熱方式，就要在設(shè)計(jì)階段充分了解當(dāng)?shù)馗邷馗邼癍h(huán)境下對(duì)箱變外殼及箱變散熱造成的一系列影響。

貴州某光伏電站在2020年4月到7月間處于高溫高負(fù)荷時(shí)期，接連發(fā)生低壓室溫控器燒毀故障，導(dǎo)致箱變本體風(fēng)機(jī)不能正常啟動(dòng)，進(jìn)而引起箱變超溫保護(hù)跳閘。另長(zhǎng)期處于高溫高濕環(huán)境下，箱變外殼內(nèi)部高壓電氣設(shè)備較長(zhǎng)時(shí)間在濕度超過(guò)70%以上的環(huán)境中運(yùn)行，導(dǎo)致固體絕緣物表面不斷吸收潮氣并形成水膜，使得局部電場(chǎng)強(qiáng)度增加，發(fā)生放電，并引起沿面閃絡(luò)電壓下降。吸收的潮氣越多，沿面閃絡(luò)電壓則降低越多，這種沿絕緣物表面放電，會(huì)使絕緣物表面局部過(guò)熱至碳化并伴有強(qiáng)烈的放電聲和煳味。其最終會(huì)造成相對(duì)的和相間短路故障，從而發(fā)生重大電氣事故。

分析認(rèn)為，箱變排風(fēng)系統(tǒng)的低壓室未設(shè)計(jì)排風(fēng)系統(tǒng)，造成箱變低壓室處于高溫及高濕的狀態(tài)，溫度升高后，室內(nèi)二次設(shè)備運(yùn)行環(huán)境發(fā)生巨大變化，再加上箱變外殼防潮度低，濕度增加，吸收的潮氣越多，室內(nèi)的運(yùn)行濕度越大。貴州某光伏電站直流側(cè)與交流側(cè)容配比為1.3：1，4月份到7月份箱變長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)行階段，加之高溫高濕的運(yùn)行環(huán)境及高海拔太陽(yáng)輻射強(qiáng)，天氣非常好時(shí)，當(dāng)箱變?cè)谪?fù)荷率90%以上運(yùn)行約2h，如圖1所示。因低壓室未設(shè)計(jì)排風(fēng)散熱系統(tǒng)，導(dǎo)致低壓室熱量及濕度無(wú)法及時(shí)排出，引發(fā)箱變溫控器死機(jī)，箱變本體室溫攀升后未及時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)散熱，導(dǎo)致箱變高溫跳閘。針對(duì)該高溫高濕環(huán)境下箱變低壓室排風(fēng)散熱的問(wèn)題，可以通過(guò)加裝排風(fēng)扇的方式，對(duì)箱變低壓室進(jìn)行排風(fēng)除濕，防止低壓室在高負(fù)荷的情況下溫度攀升。

圖1 晴天時(shí)的功率曲線

后經(jīng)廠家配合，貴州某光伏電站在箱變低壓室側(cè)面開(kāi)窗并加裝排風(fēng)扇后，有效解決了箱變超溫跳閘的問(wèn)題。也同步改善了箱變內(nèi)部高溫高濕的運(yùn)行環(huán)境。

1.3 光伏區(qū)電纜橋架鼠患問(wèn)題

貴州某光伏電站分AB 兩個(gè)標(biāo)段同期開(kāi)始建設(shè)，兩個(gè)總承包單位在光伏區(qū)電纜布置設(shè)計(jì)上采用了兩種不同的方式。A 標(biāo)段采用外置電纜橋架的方式，B標(biāo)段采用了電纜直埋方式。經(jīng)對(duì)光伏區(qū)光伏電纜故障的統(tǒng)計(jì)分析，2021年共發(fā)生光伏區(qū)光伏電纜故障73次，其中A 標(biāo)段電纜橋架內(nèi)鼠患引起故障43次；B 標(biāo)段未發(fā)生鼠患引起的光伏電纜故障。

A 標(biāo)段光伏電纜故障主要有兩個(gè)方面原因。一是橋架布置位置均位于光伏區(qū)內(nèi)，一方面是施工質(zhì)量問(wèn)題，電纜橋架存在縫隙，當(dāng)夜晚來(lái)臨時(shí)橋架內(nèi)由于白天運(yùn)行余留溫度較高，適宜老鼠活動(dòng)與逗留。另一方面埋入地下的橋架也容易被老鼠打洞進(jìn)入。二是光伏電纜是非鎧裝保護(hù)的戶外電纜，絕緣層及保護(hù)層較薄，容易遭到動(dòng)物啃食。電纜絕緣層被破壞引起相間短路或接地故障，進(jìn)而造成逆變器停運(yùn)。電站運(yùn)維人員通過(guò)對(duì)橋架進(jìn)行全面的排查和封堵后，效果顯著，但仍時(shí)有鼠患破壞電纜的情況發(fā)生。因此建議新建項(xiàng)目光伏區(qū)在設(shè)計(jì)與建設(shè)期間，無(wú)鎧裝保護(hù)的電纜應(yīng)盡量避免采用橋架模式，可以采用穿細(xì)管直埋方式。若使用橋架的方式，應(yīng)在施工階段做好橋架的封堵與橋架外殼的選型，避免老鼠進(jìn)入啃食。

2 施工質(zhì)量不合格引發(fā)的故障

貴州某光伏電站投產(chǎn)三個(gè)月內(nèi)發(fā)生35kV 電纜終端故障5次，故障點(diǎn)均集中在銅屏蔽層斷口和半導(dǎo)斷口處如圖2所示。

圖2 35kV 電纜終端頭故障

發(fā)生上述故障的主要原因是電纜終端頭制作安裝工藝不合格。第一，電纜終端頭制作時(shí)外部環(huán)境較差，箱變電纜室未采取有效的防護(hù)措施，導(dǎo)致沙子等雜質(zhì)進(jìn)入，運(yùn)行過(guò)程的強(qiáng)電場(chǎng)導(dǎo)致氣隙放電，擊穿終端頭絕緣。第二，施工技術(shù)員工藝處理環(huán)節(jié)存在問(wèn)題：半導(dǎo)剝切時(shí)劃傷主絕緣體；銅屏蔽層斷口處未處理平滑；冷縮管的應(yīng)力錐未套到半導(dǎo)層之上，導(dǎo)致電應(yīng)力場(chǎng)集中的位置被擊穿。

貴州某光伏電站共有35kV 電纜終端頭64個(gè)，其制作安裝的質(zhì)量直接影響電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)電效益。對(duì)上述原因進(jìn)行分析后，認(rèn)定為上述故障是由于B 標(biāo)段總包單位技術(shù)團(tuán)隊(duì)施工質(zhì)量造成。因此及時(shí)要求總包單位更換了方案，為確保質(zhì)量，此次電纜終端頭更換全部由電纜終端廠家技術(shù)員進(jìn)行，其利用8個(gè)夜間不發(fā)電時(shí)間對(duì)存在質(zhì)量問(wèn)題的30個(gè)電纜終端頭重新制作并安裝，投運(yùn)后未再發(fā)生故障。

電纜終端頭制作電時(shí)由于生產(chǎn)廠家、電壓等級(jí)不同、電纜頭的制作工藝要求不盡相同。因此施工必須認(rèn)真熟悉電纜附件生產(chǎn)廠家提供的資料，嚴(yán)格按照生產(chǎn)廠家的工藝規(guī)定制作電纜頭。水分和小雜質(zhì)對(duì)電纜接頭有害，容易引起局部放電的發(fā)生，在接頭施工中一定要注意環(huán)境濕度及粉塵情況。選擇無(wú)風(fēng)雨霧雪、無(wú)揚(yáng)塵潮氣的時(shí)機(jī)制作電纜頭，電纜鋪設(shè)、試驗(yàn)前后必須對(duì)電纜頭做好密封、防止受潮。在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，電纜頭在空氣中暴露的時(shí)間越長(zhǎng)，侵入雜質(zhì)，水分，氣體，灰塵等的可能性就越大，從而影響終端頭質(zhì)量。因此要求在施工之前充分做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，保證制作時(shí)不間斷，一氣呵成。

3 定期檢修漏項(xiàng)引發(fā)的故障

匯流箱是直流設(shè)備中的樞紐設(shè)備之一，也是監(jiān)控系統(tǒng)末端智能設(shè)備[4]。因此，電站投運(yùn)后，會(huì)定期對(duì)匯流箱進(jìn)行檢修，主要工作是進(jìn)行電流電壓校對(duì)和端子緊固。運(yùn)行期間發(fā)生了一次因端子松動(dòng)導(dǎo)致匯流箱負(fù)極母排燒毀故障，如圖3所示。

圖3 匯流箱母排故障

此次故障是由于熔絲底座端子松動(dòng)，導(dǎo)致負(fù)極母排與熔絲底座連接處虛接發(fā)熱，造成弧光短路，燒毀負(fù)極母排及正負(fù)極臨近的熔絲底座。此次故障是由于定期巡檢期間，檢修人員緊固端子排不細(xì)致，留下了隱患，進(jìn)而導(dǎo)致了故障的發(fā)生。一方面暴露了檢修人員定檢工作不認(rèn)真，存在漏檢情況，另一方面也說(shuō)明了定期檢修的重要性。因此，在后續(xù)的工作中加強(qiáng)員工責(zé)任心的同時(shí)，將定檢的計(jì)劃和屬地化考核相結(jié)合，有效地提升了設(shè)備運(yùn)行動(dòng)態(tài)管理，提高了定期檢修質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

在中國(guó)“富煤貧油少氣”以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)中，“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)帶給光伏的發(fā)展空間無(wú)限，未來(lái)中國(guó)也將建設(shè)更多的光伏電站。因此電站建設(shè)過(guò)程中的質(zhì)量把關(guān)顯得尤為重要，從建設(shè)的源頭上和日后的運(yùn)維中不斷消除隱患，才能從根本上提升光伏電站運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過(guò)總結(jié)貴州某光伏電站并網(wǎng)后暴露的典型故障，對(duì)后續(xù)新建項(xiàng)目在項(xiàng)目建設(shè)管理方面提供以下策略方法和改善意見(jiàn)作為參考。

第一，工程設(shè)計(jì)階段實(shí)事求是，不能搞拿來(lái)主義，施工應(yīng)充分考慮項(xiàng)目所在地的地理環(huán)境和氣候，認(rèn)真研判小氣候?qū)υO(shè)備的影響，嚴(yán)格計(jì)算相關(guān)參數(shù)，合理設(shè)計(jì)設(shè)備選型和配套設(shè)施；第二，大型光伏電站項(xiàng)目工程量大，建設(shè)周期短，糾錯(cuò)成本高。建設(shè)期必須嚴(yán)格做好質(zhì)量監(jiān)督和驗(yàn)收。必須按照標(biāo)準(zhǔn)工藝流程施工，做好隱蔽性工程檢查，消除設(shè)備隱患；第三，電站運(yùn)營(yíng)期要高度重視定期檢修，提前制定定期檢修計(jì)劃和方案，做到大小檢修結(jié)合、定期檢修與定期巡檢結(jié)合、計(jì)劃?rùn)z修與動(dòng)態(tài)檢修相結(jié)合的方式。強(qiáng)化屬地化檢修項(xiàng)目互檢與評(píng)價(jià)，以提升定期檢修質(zhì)量。