杨彦肖 ,解少朝 ,许振华 ,孙聆菱

(1.河北冀研能源科学技术研究院有限公司,河北 石家庄 050051;2.北京鑫泰绿能科技有限公司,北京 100000)

1 概述

随着我国经济的快速发展,能源短缺和环境污染问题日益突出,国家能源战略政策调整逐步实施,作为新能源行业的光伏发电近年来在一系列政策的支持下快速发展,根据能源发展“十三五”规划,2018-2020年我国分布式光伏每年装机量要超过10 GW。随着装机容量的快速增多,电站的运营维护情况直接影响着发电企业的经济效益。在光伏电站的日常维护中,对光伏组件、逆变器等关注度较高,认为变压器问题相对较少。

光伏箱变是连接光伏发电并网端电量输出的重要电力枢纽,运行中一旦发生故障,会对发电量造成影响,从而影响企业的经济效益。对于充油设备绝缘油色谱分析是发现变压器故障的有效手段,2018年抽检了某企业分布在全国范围内的19个光伏电站的203个箱变色谱,通过色谱分析发现了光伏电站箱变潜在的一系列问题,针对这些问题进行了解析,应引起光伏运维人员的关注,为光伏电站在相关方面的运行维护提供参考。

2 光伏箱变色谱抽检普测情况

2018年抽检19个光伏电站203个箱变,电站运行年限基本在3～4 年,抽样送检率33%～50%,箱变色谱普测结果仅有3个站色谱检测无问题,其余均有超标现象,统计情况如下:

a.以氢气超标最为突出,检出氢气超标为66台,超标率为32%;部分为氢气和总烃同时超标,总烃超标为33台,超标率为16%;单乙炔超标为2台,超标率为1%。

b.本次普测还发现色谱超标问题有家族聚集现象,其中有7个电站的箱变抽检,色谱超标率超过50%,有1个站超标率甚至达到100%。并且部分超标现象严重,氢气最高达33 373.82,总烃最高为5 827.83,DL/T 722规定均不超过150。

3 色谱超标情况分析

充油设备在运行过程中,油/绝缘材料在温度、电场和催化剂等多种因素作用下,会逐渐老化和分解,产生少量的各种低分子烃类及氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体,若存在过热或放电缺陷,就会加快分解产生某些特征气体的速度,根据油中溶解的特征气体分析判断充油电气设备内部故障类型和发展趋势。故障特征气体的产生除与生产运行维护条件、方式密切相关外,还与充油设备的结构特点、生产工艺、安装处理工艺等因素有关。针对本次色谱普测的结果,根据特征气体判断法和三比值法以及各站呈现出来的特点情况进行故障及原因分析。

3.1 单氢超标

3.1.1 超标情况

a.变压器油使用石蜡基油,石蜡基在制造过程中常采用“加氢脱蜡”工艺,在石蜡基油中会存有一定量的氢气,所以采用石蜡基油为绝缘油的箱变在运行中可能会有氢气超标的现象出现。

b.设备在生产制造过程中,干燥工序不严,变压器内部干燥不彻底,绝缘材料中含有水分,或设备密封不严受潮进水,水分与变压器内部铁部件发生反应放出氢气。

c.变压器中某些材料新的不锈钢部件中如奥式不锈钢、碳素钢中也可能在加工、焊接过程中吸附氢气,真空处理也无法完全去除,设备中某些油漆(醇酸树脂)遇油中的溶解氧在某些不锈钢的催化下,可能生成大量的氢气。

d.变压器在制造过程中工艺原因固体绝缘处理不好,绕组轻微松动等以及设计结构不合理,选材不合理等导致轻微的过热产生氢气。

3.1.2 原因判断

对于本次普测中出现的单纯氢气超标现象,其中有80%伴随不同程度的烃类特征气体出现,有部分总烃虽然不超标但已接近临界值,甚至有相当部分出现了乙炔,对于这部分箱变需要根据特征气体法和三比值法进行故障分析,并且加强监测,如果气体增长速率过大,故障严重的话要果断采取措施;对于第二种情况烃类特征气体含量不大可以进行滤油处理,如果不是聚集型的,可以排除a.中油质本身的问题,本次普测除了色谱也同时进行了水分、介损和耐压的检测,如果其他三项均合格,可以排除。b.中水分和受潮的影响,如果是c.中的情况投运初期氢气增长较快,到一定阶段会稳定下来,通过滤油后能恢复正常,对于找不到以上原因,烃类气体没有变化,氢气增长速率不大,油中溶解气体未达饱和,可以通过滤油监测运行。NMG1和HY 单氢超标数量达到了80%,属于系统性缺陷应联系设备厂家从制造工艺和安装工艺查找原因。

3.2 氢气和总烃双超标

3.2.1 超标情况

对于氢气和总烃双超标的情况以典型的JL站和GX 站部分数据来进行分析,JL 站色谱超标样品数量达到了抽检数量的90%,GX 站部分箱变色谱显示氢气和烃类气体产生量大,超标严重,GX 站和JL站详细数据见表1、表2。

表1 GX站部分色谱分析数据 μL/L

表2 JL站色谱数据 μL/L

3.2.2 原因判断

对故障箱变色谱数据进行分析,三比值编码见表3。

从三比值编码类型判断,JL 站2 号箱变和GX 站7号箱变为高湿、毛刺、杂质等引起的低能量局部放电,其余箱变均为高能量密度的局部放电故障,引起此类故障通常的原因有绕组层间、匝间放电,相间闪络,分接引线间油隙闪络等。接触过几起类似的缺陷,经局部放电试验和解体检查,原因多为产品制造过程中工艺控制不严,绕组接引不良,包扎等工艺不过关,有褶皱,运行时电场分布不均匀,或有气隙放电。结合对特征气体进行分析,箱变特征气体主要为氢气、甲烷、乙烷,存在有过热性故障,实际上可能会有过热和局部放电故障复合存在。JL 站故障率较高且都为过热伴放电性故障,有家族性缺陷的嫌疑,应立即进行停运检查并联系设备厂家查找设备制造问题,GX故障箱变也为放电性故障,故障较为严重,应立即停运检修。

表3 色谱故障三比值编码结果

3.3 整体情况分析

按照3.2的特征气体和三比值法对所有色谱超标的箱变共69台进行了故障分析,故障类型统计情况为低能放电1台、局部放电6台、高温过热1台、低温过热13台、高能量放电48台。

统计来看,本次光伏箱变色谱普测分析色谱超标的故障中较为严重的高能放电性故障占比最大,这些设备应立即进行检修维护。在运行3～4年的光伏充油箱变设备中出现高达34%的潜伏性故障问题且故障多为较为严重的放电性故障,这会给运行检修工作增加一定的难度,如果故障处理不及时可能会发展成更为严重的事故,将给企业带来一定的经济损失,值得引起关注,更为值得注意的是光伏箱变色谱检出故障设备有一定的聚集性,即一些站的设备故障率较高,需要考查这些站上所用厂家批次的设备是否存在缺陷。

4 原因分析及对策

由于近年来光伏发电的迅猛发展,尤其是赶超“6.30”、“12.31”的时间节点,许多项目工期时间短,对设备质量工艺及施工安装把控不严,投运前没有按规程进行验收,可能部分在投运前就有超标现象,滤油不彻底导致运行普检发现的问题较多。

箱变型号种类和生产厂家众多,质量良莠不齐,设备结构设计的不合理、绕组及绝缘材料选择不当、安装工艺不良均会造成色谱超标,不加以整改长期带此缺陷运行会造成设备击穿等事故的发生。箱变绕组的结构应根据电压等级及容量进行合理设计,增强工艺控制力度,严格出厂投运前试验,有资料显示35 kV 变压器局部放电试验局部放电量小于500 pC 时,变压器运行一段时间后,油色谱基本没有超标的,而对于局部放电量大于1 000 pC 的变压器运行一段时间后,油色谱超标现象较多,因此建议变压器在出厂前进行局部放电试验。

针对色谱分析有放电的箱变进行相关试验及分析有几种典型情况。

a.光伏发电负荷变化很大,在大负荷情况下变压器运行震动,使绕组或其它零部件松脱、移位甚至脱落造成局部放电。

b.有些箱变相间直阻严重超标,开盖检查后发现有绕组脱落现象,局部有拉弧烧灼痕迹。

c.箱变低压侧为380～450 V 接逆变器运行方式,部分电缆施工不严谨造成短路故障,低压跳闸反应时间较长,箱变内部低压绕组产生短时拉弧。对这些问题公司及时进行检修维护,加固零部件,更换不合格部件,检修后对色谱超标严重的变压器油进行更换。

光伏箱变运行环境恶劣,南方渔光互补光伏电站箱变处于鱼塘旁边,箱变密封不严变压器油长期与湿度较大空气接触,受潮严重,这是部分氢气超标的一个原因;西北地区属于林光互补,箱变处于风沙之中,有细沙尘混入。针对这一情况应加强箱变的密封工艺,按规程进行油色谱监测,增强滤油,避免受潮和杂质污染造成严重故障。

光伏电站箱变数量庞大,运维工作量大,运行中对箱变的色谱检测不及时,一些轻微的过热长期带病运行可能会发展成严重的放电缺陷,建议对剩下未检色谱的箱变进行色谱全检,对有问题的及时进行检修维护或加强监测,避免小故障进一步演化成事故,带来更大的经济损失。针对色谱普检突出问题此公司已建立检测制度每半年对色谱跟踪检测一次。

5 结束语

本次光伏电站充油箱变的色谱普测情况不容乐观,由于设备质量设计不合理、工艺不良、有些光伏分布特性运行环境恶劣等原因导致箱变油中溶解气体总体超标率高达34%,且高能放电故障占比较高,在故障中占比达69.6%,故障设备有集中出现在某些站的情况,应加强对光伏充油箱变进行色谱分析,根据色谱分析情况有针对性的进行设备维护,选择优质光伏箱变设备,加强对设备生产监造和安装工艺的把控,严格出厂前和投运前相关试验,建议增加出厂前的局部放电试验,把控好前期的各个环节,防止在运行中出现较多的严重故障,避免给企业造成经济损失。