风力发电场35 kV避雷器故障分析

李卓贤，黄 坤

（宁波天安设备安装工程有限公司，浙江 宁波 315700）

1 事故（故障）现象

某风力发电厂自2015年9月29日到12月24日，共5台箱变发生避雷器爆破事件，分别为39#、34#、50#、23#和31#箱变，其中23#风机箱变损坏最为严重。如图1所示，避雷器爆破导致高压室门变形，高压套管受损漏油，屏蔽电缆三指套上部10 cm处绝缘破损，箱变高压侧二次控制线及其计量表均严重损坏。变压器油位严重不足，变压器经现场检测B项绕组变比不合格，超出国家标准≤0.5%的要求，需返厂修理。

图1 风机箱损坏图

2 事故处置经过

接到风电场箱变维修要求后，厂家先后5次抵达现场，对受损的39#、34#、50#、23#、31#和箱式变压器进行现场预防性试验和肘套型避雷器更换。其中，39#、34#、50#、31#和4台箱式变压器进行现场预防性试验发现，其箱变试验合格。将检测完毕的新避雷器进行更换，发现39#、34#、50#、31#和4台箱式变压器具备送电条件。其中，因23#箱变高压套管受损严重，出线套管漏油情况，23#箱式变压器进行现场测试绕组变比超出国家标准≤0.5%的要求。23#箱式变压器在现场无法完成检修，需要返厂维修。

风电场为了尽快恢复线路风机发电召开紧急会议，决定更换一台全新箱变，恢复风力发电线路。厂家对全新箱式变压器进行现场安装和调试，对安装完毕的23#新箱式变压器进行现场预防性试验与多次产品调试，确认23#新更换的箱式变压器具备送电条件，并直至39#、34#、50#、23#、31#和5台箱变并网运行正常，并入风力发电系统中。

3 事故后的相关检查和试验

事故发生后，风电场领导高度重视，多次组织技术人员会同避雷器制造厂家对现场进行了勘察和讨论分析，基本情况如下所述。

（1）从其他没有受损的同一批投运的避雷器种抽取几只送检，检测直流参考电压和泄露电流等基本项目，判断氧化锌阀片的基本性能。图2为氧化锌避雷器结构简图。检测数据显示，受检避雷器阀片基本参数合格[1-4]。

图2 氧化锌避雷器结构简图

（2）氢氧化锌避雷器最大的缺点是，在大电流的冲击力作用下，泄流过程中容易产生过热而导致崩裂。

（3）避雷器由多节组成，在大电流的冲击作用中泄流，泄流过程中容易发生过热崩裂。

（4）对受损的避雷器进行解剖分析，发现阀片有过热颜色变深和烧蚀痕迹，显示氧化锌阀片有在大电流冲击下导致发热而崩溃的迹象。

（5）查看箱变、高压电缆附件及其避雷器的安装情况，电缆为T型头，避雷器主要的支撑方式是通过电缆和高压套管给予支撑。避雷器接在T型头后部，阀片部分与套管及其连接呈垂直状态。避雷器在受到系统大电流冲击的作用下，在避雷针发生爆破时容易引起摆动和剧烈震动，易导致变压器高压套管等固体绝缘件受损，甚至导致变压器高压套管出现开裂漏油。

（6）经过现场对高压环网柜与变压器安装保护系统的了解，发生故障跳闸的情况下，每次故障跳闸情况均由集电力线路中的环网柜跳闸。箱变自身保护装置是油浸式负荷开关，是手动分、合闸式开关且不具备跳闸功能。箱变也没有配置低油位报警等中控信号，远方中控系统不能及时知晓现场箱变的具体事故情况。

（7）箱变是由油浸式手动拉闸负荷开关操作。受限于集电线环网柜断路器整定电流的影响，从事故发生到操作切除过程，存在一定的时间差。集电力线路中发生故障时，中控系统不能监测现场箱变的运行情况，不能在第一时间内切除箱变负荷，从而引起了事故的进一步扩大。

4 箱式变压器预防性事故

（1）风电场运行的箱式变压器，应增加察看变压器实际运行情况和变压器油位，不定期抽检绝缘油，以防变压器绝缘油老化，甚至危害变压器本身的绝缘情况。油检查一旦有发现乙炔现象，应及时跟进与分析。一旦油老化危害变压器绝缘情况，可考虑换油处理。

（2）在雷雨过后，巡检人员应检查风电场所箱式变压器器身套管否有放电迹象，因雷电期间产生的放电性拉狐。所以，发现异常情况应当及时上报。

5 箱式变压器避雷器事故管理

（1）风电场避雷器崩裂事故发生后，迅速组织抢修小组和事故调查小组对发生故障避雷器事件进行初步判断，同时向上级领导汇报实际情况。风电场应将避雷器设备出厂报告封存，以便避雷器崩裂事故调查。风电场调度部门在避雷器事件发生后，应合理安排集中电力系统运行情况，将因避雷器事件造成的损失降至最低，给避雷器事件调查小组和抢修人员一定的调查时间和抢修时间。

（2）避雷器事故调查结束后，应做出避雷器事故分析报告。避雷器事件缘故若是由于前设计考虑不足所致，应检抽查同一线路上的箱式变压器上未损坏的避雷器，是否还能满足运行条件，同时检查现场避雷器安装的不足并反馈给设计单位，吸取经验、改进原安装不足；当避雷器事故发生后扩大事故影响范围由于产品设计不足缺陷造成，风电场运行单位应按照有关规定进一步改进产品安装不足的问题。

6 风电场所预防性避雷器事件的措施

风电场所变压器避雷器安装处加装固定支撑件固定避雷器，以消除避雷器在出现故障时的剧烈震动和摇摆情况。根据国内风电场2015年以来反馈的运行经验，建议选用2 ms方波容量更大的氧化锌阀片避雷器，可在一定程度上避免避雷器受系统大电流冲击时热崩溃。根据风电场运行工况，推荐使用2 ms方波容量大于800 A的产品为宜。

7 事故原因分析

根据现场采集到的各方面信息和对故障品的检测讨论分析，综合运营单位和避雷器厂家讨论分析的意见，综合认为：

（1）事故的主要原因是避雷器阀片在大的系统冲击电流下发生了热崩溃。

（2）现场箱式变压器高压侧油浸式负荷开关无过流跳闸保护，避雷器在受集成电网大电力冲击下，在泄流中发生热蹦。总环网柜有一定的跳闸保护时间，而此次故障是由避雷器泄流过程中的蹦裂引发变压器高压套管受损。事故发生后，因变压器保护无油位保护信号传入中控室，中控室没有及时发现现场运行情况第一时间内做出反应，是导致变压器受损程度扩大的主要原因之一。

（3）高压环网柜因保护值设定和定值的延时影响，箱变高压侧设置的是油浸式负荷开关，不具备过负荷跳闸功能。在系统发生大电流冲击下避雷器先泄流动作、避雷器在泄流过程中热崩溃定向爆破时，避雷器垂直方向没有加装支撑避雷器抱箍的固定装置支撑点，避雷器在热崩时会出现摆动和强烈震动，导致箱变高压套管开裂导致高压套管出现漏油情况。同时，由于前期系统设计原因，箱变高压侧只有油浸式负荷开关，不具备过流跳闸功能。故障跳闸依赖集电力线路总的环网柜，但其断路器受整定电流等因素影响，跳闸有迟延。箱变与没有安装油位下降信号传入中控系统中，未能及时发现现场变压器油位下降情况。

（4）这个过程时间中，箱式变压器处于带电状态，高压套管开裂漏油导致箱变器油位下降。受设计影响，箱变油位下降没有设置相关告警信号上传中控室，中控室没有及时发现现场运行的箱式变压器，导致变压器高压套管受损。变压器油位持续下降，容易引发引线及其套管导电杆等部位对地放电，危及变压器器身绝缘，造成事故扩大。

（5）变压器事故进一步扩大的原因在于，在避雷器受到电力系统的电流冲击中，泄流中的避雷器产生热力蹦裂的情况影响导致变压器漏油情况，变压器油位持续下降。因前期设计不足，中控室没有及时切断故障电路中的总环网柜开关，从而引发事故进一步扩大。

8 进一步措施

根据事故处理信息及其形成原因的分析讨论，建议下一步采取以下措施，切实有效地杜绝此类事件重复发生。

（1）根据国内风电场2015年以来反馈的运行经验，建议选用2 ms方波容量更大的氧化锌阀片避雷器，一定程度上避免避雷器受系统大电流冲击时热崩溃。根据风电场运行工况，推荐使用2 ms方波容量大于800 A的产品为宜。

（2）需要考虑对现有箱变加装低油位报警，信号接入中控，便于中控系统电力值班员对现场运行中箱式变压器进行实际油位监控[5]。

（3）日常巡视查看变压器油位并做记录，与中控室信号上的油位数据进行对比，更准确地得到变压器地实际情况。

（4）切实按照国家标准规定，在雷雨季节或者定期进行避雷器的预防性试验，筛查劣化的避雷器[6-7]。

（5）条件允许时，加装避雷器泄露电流检测装置，并将其纳入日常风机巡检工作日志，日常进行数值比对，在避雷器预发性故障基础上降低避雷器突发事故的概率[8-9]。

（6）风电场检修人员在变压器运行期间禁止摇摆避雷器设备，防止在摇晃过程中损坏避雷器外绝缘套，引起避雷器破裂。

（7）检修人员检查箱变的渗漏情况时，应注意高、低、出线套管部位进水与受潮情况，特别是变压器顶部和容易形成的负压区部位分接档位入口处积水引起胶圈老化，做到及时发现异常、及时上报、及时处理。

（8）风电场巡视变压器期间，巡视人员应注意观察变压器油位，检查记录套管实际油位情况。发现油位下降或有异常变化，应立即结合红外测温仪观察变压器高低压出线部分有无局部过热情况，并找出渗油具体位置，查看漏油部位，及时处理并上报。

（9）在风电场避雷器设备安装前加以预防性计划，避免在安装过程中发生突发事故。

[1] GB 11032-2010 交流无间隙金属氧化物避雷 [S].2010.

[2] GB/T 34869-2017 串联补偿装置电容器组保护用金属氧化物限压器[S].2017.

[3] GB 50150-2016 电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S].2016.

[4] 路彦峰.氧化锌避雷器电位分布数值计算研究[D].西安：西安电子科技大学，2007.

[5] 唐 林.江津35kV线路防雷新技术应用研究[D].重庆：重庆大学，2004.

[6] 王金涛.氧化锌避雷器事故情况分析[J].华中电力，1991，（6）：32-35.

[7] 李 哲.35kV中性点非直接接地系统避雷器的选择[J].山东电力高等专科学校学报，2001，（2）：39-40.

[8] 邓雨荣.金属氧化物避雷器泄漏电流的现场测试[C].广西电机工程学会第七届青年学术交流会论文集，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.