风电场35kV开关柜典型故障与防范措施

文 | 靳现林，雷启龙，周建国

风电场35kV开关柜典型故障与防范措施

文 | 靳现林，雷启龙，周建国

35kV开关柜是风电场的重要设备，具有结构紧凑、体积小、可靠性高、环境适应性强、噪声小等特点，但风电场在设备选型、安装和运行过程中，受低价中标、工艺不规范、运维不到位等的影响，相关设备质量常常得不到有效保证。在某些风电场，其优点不仅不能体现，反而成为故障频发的主设备之一。35kV开关柜故障常常给风电场带来重大损失，影响恶劣。本文在分析多起典型故障的基础上，对故障暴露的缺陷进行了分类整理，指出在空气绝缘距离检测、辅助绝缘设置、工程验收和运行管理等方面的工作重点。此外，本文还介绍了针对上述缺陷的整改方案。相关风电场改造后开关柜的稳定运行证明这些措施和方案是可行和有效的。

图1 故障后的电缆室

35kV开关柜典型故障

一、电缆室铜排相间短路

运行中，某风电场#2主变保护A柜纵联差动保护动作，35kV母线差动保护动作，#2主变高压侧202开关、低压侧302开关跳闸。故障后检查发现302开关柜有少量烟雾冒出，且后柜门被崩开。进一步检查发现302开关下口与主变低压侧进线CT之间的铜排发生了三相短路。该型开关柜在CT进线铜排的相与相之间增设了辅助绝缘，设置的方式是在A、B相和B、C相之间增添竖向布置的SMC绝缘板；同时，为固定绝缘板，在垂直于绝缘板的方向安装了一根横截面为矩形的贯穿水平梁。水平梁的材质是SMC，绝缘板通过直角绝缘件和塑料螺栓固定在水平梁上。故障中，距离短路点较近的绝缘隔板及水平支撑梁、CT及开关下口触头盒均被严重烧伤（图1）。在图1中辅助绝缘板已拆除，水平支撑梁未拆除。

通过查看故障波形文件和勘察故障设备，最终确定故障主要是由于辅助绝缘设置不合理，引发相间短路造成的。绝缘板在设计和安装上存在以下缺陷：

（一）用于绝缘的SMC板，每块均由2块小板拼接而成，拼接采用打孔并螺栓连接的方式。这种方式的缺陷是，绝缘板打孔处积尘受潮后容易发生击穿短路。

（二）贯穿的水平绝缘支撑梁为矩形，其上部水平面与裸导体之间的空气绝缘净距较小（约120mm），水平断面在积灰后容易产生放电现象，为发生短路创造了条件。

（三）绝缘板安装采用现场切割加工的方式，切割形成的断面未做清洁和保护处理，松散和吸潮导致性能严重下降。

二、柜内母排对柜体放电

运行中，某风电场#8集电线328开关柜母线室内发生短路故障。故障起始为C相接地，200ms后发展为三相短路；发生三相短路0.7s后主变低压侧后备保护动作，主变低压侧301开关断开，故障被切除。故障造成35kVⅡ段母线停运近两天，损失严重。故障的直接原因是该开关柜母线室内三相母排对柜体的距离过小，不满足国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中规定的最小距离（300mm），引起母线对开关柜柜体放电，导致故障发生。

发生故障的风电场35kV系统中性点为接地变加小电阻型式，电阻10s耐受电流400A。在单相接地发生后，柜内电弧容易稳定燃烧，使单相故障迅速发展为相间故障。故障录波数据显示，在单相接地故障发生后，未及接地变零序保护动作，故障就直接发展为三相短路。由于该风电场35kV母线保护尚未投入，最终由主变低压侧后备保护将故障切除。

本次故障暴露的缺陷主要有：

（一）为提高绝缘能力，该型开关柜在母线室内安装了水平布置的绝缘板，但绝缘板的安装细节处理不够规范。绝缘板与裸露带电体之间的距离过小（不足60mm），而且绝缘板为水平布置，极易积灰，从而导致放电。故障后，现场排查时发现无故障开关柜内积灰严重（图2）；故障开关柜内拆下的绝缘板有多处放电痕迹（图3）。

（二）母排连接处的绝缘包盒安装不规范。母排相与相之间包盒的开口方向正对，其加强辅助绝缘的作用被严重削弱；有些包盒的开口方向直接朝向柜体边角等易发生尖端放电的位置，而包盒开口只是通过几个暗扣闭合，存在内外贯穿的气隙，无法起到弥补空气绝缘距离不足的作用。这些缺陷大大降低了包盒的使用效果，使之形同虚设。

（三）过高估计了包盒和热缩套母排的绝缘能力，把辅助绝缘等同于绝缘件看待，未在辅助绝缘板和母排 热缩套之间保留足够的安全距离，导 致发生放电现象（图4），在潮湿或盐 雾天气下，放电尤其严重。

图2 母线室水平绝缘板积灰严重

图3 绝缘板上放电痕迹

图4 母线室放电点

（四）开关柜内部空间利用不合理。该开关柜为标准1.4米柜体，但内部空间划分不合理，母线室整体偏小，加上母排规格较大，导致母排与柜体之间的空气绝缘距离最小在275mm左右，而且距离偏小的点一般在母排螺栓、母排边缘和柜体边角、螺栓顶部之间，这些位置极易发生尖端放电。

图5 故障后母线室

图6 穿箱套管及屏蔽线

图7 电晕放电

三、穿箱套管击穿

某风电场#2接地变332开关柜内1只C相穿墙套管损坏，发生单相接地，持续6s后引发母线室内相间短路，故障最后由35kV母线差动保护动作切除，造成#2主变和所带风电机组停运46小时，损失电量56万千瓦时。事后检查，确认故障的直接原因是C相套管击穿，之后发展为AC相短路（图5）。

该风电场35kV系统中性点为接地变加消弧线圈的型式，发生单相接地后，可以通过消弧线圈的投入降低故障点电流，使风电场继续运行一段时间，为紧急处理故障赢得时间。而此次故障在短时间内发展为三相短路的原因是非故障相电压升高后，因母排对柜体的距离偏小，引起母线对柜体放电而直接发展为三相故障。

故障暴露的缺陷与第二部分所述故障暴露缺陷基本相同。除此以外，穿箱套管屏蔽线（图6）未与母排连接是引起故障的主要原因。

四、断路器静触头放电

正常运行中，巡视发现35kV配电室内PT柜有明显放电声响，且声音异常，偶尔有连续的吱吱声。紧急停电后检查PT柜，发现B、C相静触头盒处有明显的放电点。拆下触头盒后进一步检查，发现因潮气和盐雾比较大，在触头盒内部有多处生长有白色须发状物质。通过上述现象判断此次放电主要是湿度较大造成触头盒绝缘性能下降导致。更换新触头盒后，放电声音未立即消除，运行一段时间后减弱直至消失。究其原因，主要是停电检修期间，母线室湿度增大，运行一段时间后导体发热，相对湿度下降，放电声音才最终消除。

此次缺陷暴露了开关柜的一个设计问题。开关柜的顶盖板处只有网状格栅，极易进入灰尘，对长期运行不利。整改措施是在顶盖板处另覆一块实心铝板，以提高柜体的防护能力。

五、进线电缆与过压保护器产生表面电晕

风电场运行人员在进行例行夜间巡视时发现无功补偿装置311开关柜后有电晕现象。经检查确认，电晕发生位置在C相进线电缆三指套位置与B相过电压保护器之间，其产生原因主要是由于C相电缆与B相过电压保护器距离较近造成的表面电晕。现场采用在C相电缆处加装35kV绝缘护套的方式临时处理，电晕现象得以消除（图7）。

除此以外，在例行安全检查和验收中，曾多次发现避雷器或过压保护器的接引线因固定不牢固或固定位置不对导致相间距离过近的缺陷。该类缺陷如不及时消除，在运行中极易因过压或长期放电等因素导致短路的发生。

缺陷整改与防范措施

针对上述故障暴露的各类缺陷，制订了以下几方面的缺陷整改方案和防范措施：

一、空气绝缘距离

根据D L/T404-2007《3.6kV～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》（以下简称为DL/T 404-2007），纯以空气作为绝缘介质的金属封闭开关和控制设备，相间和相对地的最小空气间隙规定如下：相间和相对地不小于300mm，带电体至门不小于330mm；当使用地点海拔超过1000m，则每增加100m，空气绝缘净距增加1%。

对空气绝缘距离不足这一类缺陷的防范，重点在设计制造和出厂验收环节，必须确保柜内各相间和相对地的距离满足上述要求。在测量和验收的过程中，尤其要注意导体端部和柜体螺丝端部、角铁外沿等薄弱环节之间的距离。

对已经运行的不满足空气绝缘距离的设备，可通过设置辅助绝缘的方式解决。对不满足要求而又不宜设置辅助绝缘的母线室，采取如下处理措施：（1）将各风电场原开关柜内所有母线上使用的35kV绝缘热缩套管更换为瑞侃（BBIT max 36kV）绝缘热缩套管；（2）母排搭接处（含紧固螺拴），拆除原有的35kV绝缘包盒，改用瑞侃热缩胶带（型号HVBT，单层耐压17.5kV），手工缠三层后用喷灯对其加热缩紧；（3）将母线铜排的剪切面打磨成圆角并去除毛边。

二、辅助绝缘设置要求

从前文提及的几次典型故障可以看出，辅助绝缘的设置不当也是引发开关柜故障的主要因素。对40.5kV开关柜，DL/T 404-2007中规定：以空气和绝缘板组成的复合绝缘作为绝缘介质的金属封闭开关设备和控制设备，带电体与绝缘板之间的最小空气间隙应不小于60mm。结合故障的经验教训，对运行条件比较恶劣的风电场，尤其灰尘、湿度、盐雾等比较严重的地区，针对辅助绝缘的设置，在缺陷整改的过程中重点明确了以下几项要求：

（一）柜中绝缘板水平支撑架必须与导体包括有绝缘热缩套的导体保持不小于300mm的空气净距，并满足当地海拔要求。

（二）对开关柜母线室和电缆室绝缘隔板的整改要求：将厚度为5mm的SMC 35kV绝缘隔板更换为8mm；取消水平布置的绝缘隔板；将贯穿ABC三相的水平支撑横梁取消，直接从柜体上制作支架固定绝缘隔板；开关柜母线室内空气绝缘净距不足300mm的，使用8mm厚的SMC绝缘隔板加强绝缘。

（三）原绝缘隔板采用两块拼接形式的，统一改为使用整块绝缘板。

（四）所有的绝缘隔板均加工成圆角，并在切割面上浸渍H级绝缘漆（型号为ET-90N的改性耐热不饱和聚酯树脂），以防吸潮。

35kV开关柜内均不同程度地存在辅助绝缘措施，为防止SMC绝缘板积尘受潮，引起爬电击穿。在采购和验收环节，为防范缺陷的产生，还应明确如下技术要求：

（一）竖立布置的绝缘板与裸导体空气绝缘净距应大于60mm。

（二）绝缘板水平面与裸导体之间要有不小于300mm空气绝缘净距。

（三）固定绝缘板的SMC绝缘横梁，与裸导体之间要有不小于300mm空气绝缘净距。如不能满足300mm要求，需改为其他固定方式，例如在绝缘板上下部做固定支架。

（四）应采用整张绝缘板。如采用两块绝缘板拼接，则与裸导体小于300mm范围内不得有接缝、螺栓孔、水平断面等不利情况。

（五）不应在裸导体下方及两侧小于300mm范围内布置水平或倾斜的绝缘板。

（六）绝缘板厚度应满足机械强度要求，一般不小于5mm。

三、其他要求

针对35kV开关柜故障暴露的问题，在其验收和运行环节，还应做好以下几方面的检查：

（一）关注接地刀闸软铜线的固定限位方式及所用材料的耐用性，其限位方式和材质不因接地刀闸的拉合而受到影响；接地刀闸在断开后，软铜线与带电体应有不小于300mm空气绝缘净距。

（二）手车开关室的上下静触头插口活动挡板应避免使用金属材料，推荐使用满足机械强度要求的SMC绝缘板，其目的主要是避免因金属活动挡板与手车开关触头绝缘臂之间的局部放电引发故障。

（三）绝缘包盒安装要规范，不同相包盒的开口方向应朝向同一侧，不能正对，并且不宜直接朝向螺栓、角铁边角等位置。

（四）避雷器接线固定要牢固，与绝缘挡板的距离不应小于60mm，与其他相也需要保持足够的安全距离。

（五）有条件的风电场宜安装除湿机，改善运行环境。

（六）穿箱套管屏蔽线必须与母排可靠连接。

结语

35kV开关柜是风电场的重要设备，为防范故障的发生，在制造和验收环节应重点从空气绝缘距离测量、辅助绝缘设置、活动部件各工作位安全距离是否满足要求等易发生故障的位置进行重点检查。同时，还应根据国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求》的相关规定，开展开关柜的局放检测等工作，才能及时发现缺陷，提高运行可靠性。

（作者单位：国华能源投资有限公司）