某光伏电站66 kV GIS设备的PT烧毁原因分析

2020-09-01史稼轩李壮东张少甫刘细亮

太阳能 2020年8期

史稼轩，李壮东，田超，张少甫，刘细亮

(西安隆基清洁能源有限公司，西安 710018)

0 引言

随着光伏电站对可靠性的要求越来越高，六氟化硫气体绝缘全封闭组合电器(GIS)设备因其占地面积小、可靠性高，配置灵活、安装方便的特点，被越来越多的光伏电站所采用。GIS设备由断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器(PT)、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等组成。

PT是用来变换线路电压的设备，其工作原理与变压器的类似。由于光伏电站使用的PT二次侧有多个绕组，因此检测过程中除了测量线路三相电压的绕组外，还需要测量零序电压的开口三角绕组。由于PT本身的阻抗很小，一旦二次侧发生短路，电流将急剧增长，从而烧毁绕组，因此，PT二次侧不能出现短路。本文针对某光伏电站66 kV GIS设备的PT烧毁原因进行了分析，并提出了解决方案，以便避免后续同样故障的发生。

1 故障概况

2019年5月12日，某光伏电站66 kV GIS设备的PT发生了烧毁现象，六氟化硫气体喷出，后台监控系统报“PT断线故障”，保护装置未动作。该光伏电站已投运将近3年，故障发生前，GIS设备一直稳定运行；故障当天电网运行正常，无异常情况，经PT生产厂家排查，PT汇控柜未发现问题；而且该电站已运行将近3年，认为外围接线存在问题的可能性不大，因此判断为PT的质量存在问题。6月4日更换PT后，光伏电站再次投运。

在更换PT半个月后，6月20日，该光伏电站66 kV GIS设备的PT又发生烧毁，与之前故障现象类似。经过全面排查后发现，原来是由于从PT二次侧接入到继电保护盘柜的开口三角外接线L线和N线接反导致的。对错误接线进行纠正后，重新更换了PT并投运，光伏电站运行正常。

2 故障原因及原理分析

2.1 故障录波分析

从故障录波来看，在PT烧毁的前几分钟，PT的测量电压出现不稳定现象，但66 kV高压侧电流一直稳定，10 kV低压侧电压和电流也一直正常。

由于PT第一次烧毁和第二次烧毁现象类似，因此故障录波变化较为相似，下文以第二次烧毁的数据进行分析。

6月20日13时30分24秒，66 kV高压侧A相电压升高， C相电压降低，出现电压不平衡的现象，此时的故障录波如图1所示。

图1 66 kV高压侧的故障录波图Fig. 1 Fault data of 66 kV high-voltage side

从图1可以看出，在66 kV高压侧电压发生变化时，66 kV高压侧电流、10 kV低压侧电流和电压均无任何异常波动。

正常运行时，三相交流电压的相角应相差120°，但通过对比图2中同一时间时66 kV和10 kV电压向量可以发现，66 kV高压侧电压的相位角发生异常，而10 kV低压侧电压的相位角正常。

图2 66 kV和10 kV电压向量图Fig. 2 66 kV and 10 kV vector diagram

如果线路发生短路或其他故障，由于变压器的耦合作用，变压器66 kV高压侧电压和10 kV低压侧电压会同时发生波形变化，但此次故障中，仅66 kV高压侧电压的波形发生了变化，10 kV低压侧电压的波形未发生变化；同时，对侧站、厂内各个线路和设备也无任何异常。因此，可以断定在故障瞬间线路是正常的，66 kV高压侧电压发生波动仅是PT本身二次侧及外围线路导致的测量问题。因为已经更换过一次PT，因此故障原因由PT引起的可能性不大，需要对PT的外围进行排查。

2.1.1 PT线路排查分析

经过对所有66 kV GIS设备的PT二次侧接线进行全面排查发现，PT二次侧开口三角绕组的相关回路存在3处接线错误和1处图纸设计错误。

这4处错误主要为：

1) 66 kV电能质量在线监测柜至公共测控柜接线(1YYH-117O)一侧线标(L630/1YYH-117O与N600/1YYH-117O)套反，而施工按照图纸和线标接线，导致L端与N端接反。

2) 66 kV电能质量在线监测柜至故障录波柜接线(1YYH-117B)一侧线标(L630/1YYH-117B与N600/1YYH-117B)套反，而施工按照图纸和线标接线，导致L端与N端接反。

3) PT汇控柜侧，根据竣工蓝图，开口三角引出线N端接在了X16端子排的第55端子上(见图3)，但此接法与PT生产厂家提供的原理图不符。经过与设计院核实后发现，此为设计图纸的设计错误。

4)根据竣工蓝图的要求，PT二次侧绕组所有的N端应是在继电保护盘柜处统一接地，而实际上却未按图纸要求接线，PT二次侧绕组所有的N端是在PT汇控柜侧接地；并且击穿保险未串入回路，其两端的接线直接在其下端的接线柱上短接，如图4所示；开口三角绕组的N端通过X16端子排的第54、55、56端子短接并接地，如图3所示。

图3 电站PT汇控柜错误接线图Fig. 3 Wrong wiring diagram of PT exchange control cabinet

前文提到的1YYH-117O和1YYH-117B的接线错误与此次故障直接相关，错误的接线导致PT二次侧开口三角的L端和N端在继电保护盘柜内接反。按照图纸，PT二次侧所有的N端应短接在一起，但实际上的接线却是利用短接片短接在一起，如图5和图6所示，因此，是由于L端和N端接反才导致二者短接在一起。

图5 电能质量在线监测柜内并联短接片Fig. 5 Parallel short bar in power quality online monitoring cabinet

因为错误的接线，PT二次侧开口三角的L线和N线短接，形成回路，如图7中的蓝线部分所示。

图6 故障录波柜内并联短接片Fig. 6 Parallel short bar in fault recorder

图7 PT二次侧的错误接线示意图Fig. 7 Wrong wiring diagram of PT secondary side

当电网正常，PT二次侧开口三角绕组处于短路状态时，即使电压很小(故障排除后，实测值为0.6 V)，流过PT二次侧开口三角绕组的电流也会很大。开口三角绕组及其二次侧回路一直在发热，长期运行后会造成PT二次侧开口三角绕组绝缘损坏。

PT烧毁故障发生的当天天气晴朗，故障发生在13:35～13:40之间，由于此时间段的环境温度较高，长期的短路运行发热使PT的工作温度突破临界点，最终导致烧毁故障的发生。

再次更换新PT后，对所有接线错误进行了纠正，更改接线后的PT二次侧的正确接线示意图如图8所示。

图8 PT二次侧的正确接线示意图Fig. 8 Correct wiring diagram of PT secondary side

使用继电保护测试仪对PT二次侧施加电压进行实验，各个数据均正常。通电后，66 kV零序电压为0.658 V，其在正常范围内，如图9所示。

图9 继电保护测试仪显示的零序电压Fig. 9 Zero sequence voltage displayed on relay protection tester

使用万用表测量继电保护盘柜处开口三角电压，为0.659 V，如图10所示。该值与继电保护测试仪显示的电压基本一致，这说明PT二次侧开口三角回路接线正常。

图10 继电保护盘柜实测的开口三角电压Fig. 10 Real open triangle voltage measured at relay proteotion cabinet

3 防范措施

本文所述的66 kV GIS设备PT烧毁故障是因为PT二次侧开口三角短路导致的，由于故障潜伏时间长且隐蔽，造成故障原因分析困难重重。该故障起因于设计和施工时的错误，应从设计和施工时加强防范，规避错误的发生；在后期的电站运维过程中，也应做好定期的设备检修和检查，以排除重大隐患。

3.1并网前PT二次侧回路的检查

在并网前设备试验时，一定要保证继电保护试验到位。使用继电保护测试仪在PT汇控柜侧分别对PT的第一绕组、第二绕组和开口三角绕组施加电压信号。可参考以下操作步骤，以排查开路、混接、短路的情况：

1)使用继电保护测试仪对第一绕组的A、B、C三相分别相施加10、20、30 V电压，从监控盘柜对应的信号接线端子测量电压值并与继电保护测试仪上的三相二次电压值比对。正常情况下，A、B、C三相的二次电压应与继电保护测试仪上显示的值一致；若一致，则可排除PT二次侧第一绕组外围线路开路存在问题的情况。该操作最好对PT的接线盒或PT汇控柜内的绕组接线施加电压，以便尽可能多地覆盖接线。对第二绕组采取相同的操作，验证第二绕组外围线路是否正常。

2)对未施加电压的绕组也应从监控系统中进行检查，确保无电压值，以便排除线路混接的情况。

3)对开口三角绕组施加一定的电压值，比如10 V，再从继电保护盘柜对应的信号接线端子测量电压值，并与继电保护测试仪上的外接零序电压值进行比对，三者数据应一致；而其他未施加电压的绕组不应有电压值。