平原型风电机组用箱变雷击损坏探讨

杨 明，袁乙专，赵 红，袁乐心，毛启武

（明珠电气股份有限公司，广州 511400）

0 引言

中国风电开发初期，由于风机技术经济性较低，平原地区还不具备开发风电的可能性，风电多集中于风资源更好的“三北”地区。然而，三北地区消纳有限，风电送出瓶颈明显。于是，风机厂家通过不断创新技术，寻找新的开发区域。随着高塔技术的应用、风机叶轮直径增大、控制策略和智能化的提升，以及制造成本的降低，使得平原地区、低风速地区具备了风电开发条件，其装机量快速增长。

“十三五”期间，我国风电开发重心向中东南部地区转移逐步加快。起初，中东南部每年新增装机容量只占20%，与“三北”地区相差甚远。如今中东南部地区每年新增装机占比已达60%～70%。从目前已经核准情况来看，平原风电在陆上风电市场占有率约为10%～15%。风力发电用箱变将风力发电机组连接到风电场电力汇集网络，其内有一台升压变压器，是实现风电电能向用户输送功能的重要设备。树脂绝缘干式变压器具有许多优势［1-3］，包括：防火性能好；免维护；无污染；H级绝缘，耐热能力强；机械强度高，抗突发短路能力强；安装方便。因此在新能源领域特别是风力发电用箱变上有较多应用。由于平原型风电场发展较晚而快速，各类电力故障风险防范还在探索之中，其中雷击风险较为突出，严重威胁其安全运行［4-8］。

本文通过对一起平原型风电机组用箱变的雷击故障进行详细分析，找出造成故障的原因，并提出了平原型风力发电系统的雷击损坏的防范和改进措施，以提高平原型风电场的安全运行水平。

1 某风电场雷击损坏情况

1.1 概况

中部地区某风电场位于长江中下游平原，属于低风速风电场。该项目共采用了63台箱变，其变压器均采用干式变压器。项目于2020年9月并网至今，雷雨季节时间段，陆续发生雷击事故3起，5台箱变在遭受外部雷击后均出现变压器高压侧外部放电现象，线路杆塔避雷器有多次动作记录，但箱变内避雷器未发生动作情况。箱变内的干变高压侧端子附近表面发生闪络，局部灼伤，并伴有保险动作。

1.2 现场检查

（1）架空输电线检查

该风场线路采用单塔单回架空输电线，终端杆塔在距离箱变约80 m左右经杆塔跌落保险后通过入地铠装三芯电缆接入箱变，如图1所示。雷电防护上，除杆塔顶端有避雷线保护外，电缆前端还装有避雷器［9-12］。

图1 杆塔结构

（2）一次回路检查

杆塔进线电缆经真空断路器和电流互感器后接入干式变压器的D接高压线圈，变压器低压侧为YN接法，各相经主框架断路器后接入风机，进线避雷器安装在电缆接入处。

（3）跌落保险检查

故障发生时，杆塔上三相跌落保险均发生熔断，箱变监控读得Ia1＝20.40×100＝2 040 A，即2.04 kA（电流互感器变比为100/1A），Ib1次之，Ic1再次之。

（4）干变主体损坏情况检查

经检查：B相线圈Y头引出端子与分接区之间存在明显的闪络放电痕迹；C相线圈Z头引出端子有放电烧黑痕迹；A相正常无损伤。

1.3 现场测量

（1）绝缘电阻测量

对发生故障的箱变进行绝缘电阻测量，环境温度28℃，湿度91%，高压对地大于或等于100 MΩ，低压对高压及地大于或等于50 MΩ，铁心对地大于或等于5 MΩ，均符合相关规程要求，合格。

（2）测量绕组的直流电阻

对故障箱变绕组进行直流电阻测量，高压绕组直流电阻（线）不平衡率0.32%，低压绕组直流电阻（线）不平衡率0.97%（环境温度28℃），均符合标准要求，合格。

（3）箱变接地电阻测量

现场对箱变接地电阻和集电线杆塔进行接地电阻测量，测得箱变接地电阻为0.157 Ω，相关标准要求该接地电阻小于4 Ω（在与风电机组共用接地体时通常要求接地电阻小于1 Ω），符合标准要求，合格。

（4）集电线杆塔接地电阻测量

现场对集电线杆塔进行接地电阻测量，测得集电线杆塔接地电阻为0.608 Ω，相关标准要求该接地电阻小于10 Ω，符合标准要求，合格。

2 故障现象分析

2.1 箱变避雷器不动作原因分析

根据放电箱变对应杆塔的避雷器放电计数器情况，可以判断当雷电发生，杆塔避雷器发生了动作。而杆塔上避雷器型号YH10WZ-51/134，箱变避雷器型号YH5WZ-51/134，二者除了标称电流参数差别外，其余均一致，尤其是动作电压和残压参数均一致。

当杆塔避雷器发生动作，雷电流泄放后，残余电压幅值不足以达到箱变避雷器的动作电压，从绝缘配合的角度，杆塔上避雷器的保护范围是防止集电线过电压进入箱变，而箱变内避雷器保护范围是上级避雷器到箱变进线区间的过电压，如当杆塔发生大电流入地时在电缆中产生的感应过电压，因此，在这种避雷器参数配置下，前级保护动作后，后级保护不动作属于正常情况。

2.2 杆塔避雷器频繁动作现象分析

此次1号集电线上8＃杆塔避雷器放电计数器读数为A相0次，B相7次，C相1次，9＃杆塔读数为A相6次，B相8次，C相5次。另根据项目单位统计，5＃集电线路杆塔上避雷器放电计数器读数如表1所示。

表1 5＃号集电线避雷器计数

通过数据统计可以看出，在投入运行不到一年的情况下，杆塔避雷器上最大动作次数达到21次，在配置避雷线的情况下，出现如此多的雷电直击相线的情况，绕击率非常高，不合常理，说明线路避雷线的布置和线路的防雷系统不正常。

对于雷闪存在一定的闪击距离（是指先导头部距地上目标发生放电的距离），同时，相关研究认为先导头部到达闪击距离前，击中点是不确定的，只有当到达闪击距离时，才会产生放电，闪击距离与先导中的电荷有关，即其与雷电流大小有关，其经验表达式为：

式中：γs为平均闪击距离，m；Ia为雷击电流，kA。

可知，避雷线的防雷效果因雷电流的大小而变化，当雷电流增大时，闪击距离γs增大，绕击率就小；当雷电流减小时，闪击距离γs减小，绕击率就大。因此，对于避雷线设计时需要充分分析现场当地的雷暴情况，结合雷电流大小，选择合适的避雷线保护距离。而该风电场属于平原地区，雷电流幅值一般较小，对应的闪击距离也小，从而增大了绕击概率，导致集电线相线遭受的雷击次数远超正常水平。

2.3 雷击过电压及电弧能量来源分析

雷击是一种空间放电的长距放电过程，形成了一个等离子通道，95%的雷击为负极性雷击。雷击过程中分为首次雷击和后续雷击。而一般雷电过程除了首次雷外，常伴随多次后续雷击脉冲，雷越小，后续雷脉冲越多［13-16］。

参照IEC 62305-1给出了首次雷与后续雷的雷电流参数，后续雷的电流峰值大约为首次雷的25%，波头时间为0.25 μs，而首次雷波头时间为1 μs（负极性），同时也可以看出，后续雷的陡度（di/dt）在标准参数下将是首次雷的2倍。

由于该风电场处于平原地区，其雷电流较小，估计在1～2 kA左右（杆塔避雷器标称电流10 kA，若雷电流大可能导致杆塔避雷器损坏），其峰值情况下可能导致杆塔避雷器动作，但后续雷由于电流峰值较小，所以不足以使得箱变避雷器动作，从而进入变压器高压端子，但是，由于变压器高压线圈为感性元件，其空心电感值在0.5～1 H左右，根据电感元件特性，若所有的后续雷电流施加高压线圈上，则其感应电势：

其数量级为10的9次方左右，因为高压线圈为△接法，并不存在直接接地点，因此该过电压将通过高压线圈内部、高压线圈对邻近外部其他绕组及接地元件之间的电容电感分布情况进行传递。

正是在后续雷击雷电流的作用下，形成了过电压，造成了变压器内的过电压分布，导致空气击穿形成电弧击穿通道。由于变压器仍处于风机与电网电气连接的状态，工频工作电压的叠加和能量供给延长了电弧的熄灭时间，使得电弧短路过程得以持续，最终导致熔断器熔断，真空断路器动作。

同时，线圈外部的B、Y端子及连接杆、分接区等外部裸露端子形成电极。Y头连接杆至分接区最近端子最小空气间隙约为300 mm，由于箱变内湿度较大，线圈表面有轻微污秽，其300 mm沿面空气间隙放电电压大约在100 kV左右（放电场强约0.33 kV/mm），因此在过电压产生时，外部裸露电极间形成电弧放电通道，导致B相上部X端子及连接杆与分接区分接螺栓之间形成放电电弧通道，并形成电弧等离子体，此时，电弧沿着电场方向在凸台表面，线圈有导体部分的表面扩展，形成了电弧灼伤，同时，线圈下部铜排端子下部尖端也与中部分接螺栓形成放电通道。

综上所述，箱变发生的放电是由于后续雷击与箱变处于正常工频工作状态共同作用的结果。

2.4 跌落保险动作分析

安装在线路分支上的跌落保险是一种短路保护开关，出现变压器高压侧外部放电现象时，对地电弧形成对地电弧短路，相间电弧则形成相间电弧短路，此时电弧电流大，由集电线传输的电能流过跌落保险，促使其熔断，形成一个明显的断开点，迅速隔离故障。

本项目的干式变压器高压线圈为“△”连接，任意一相绕组端子放电，其电流都可能来源于其他相绕组，因此，三相跌落保险各种动作组合情况的出现是可能的。本项目发生故障的箱变，其35 kV侧跌落保险动作情况就出现了多种组合，其中三相均发生熔断出现了2次，两相熔断出现了2次，单相熔断仅出现了1次。跌落保险正确动作，可以及时切断故障电流，为电弧熄灭创造条件。

3 故障处理

3.1 现场快速修复的条件

（1）保险正确动作，发挥了保护作用，线圈表面绝缘层受损程度较轻，且要求浇注螺母无明显损伤，因为浇注螺母被树脂固化后，已不能在现场更换。

（2）高压线圈表面绝缘采用了冗余设计，真空浇注树脂层厚度大于2 mm，按树脂绝缘强度16 kV/mm估算，高压线圈内部导体已具有较高绝缘水平；而形成线圈内部导体对外绝缘能力的，还有空气间隙，空气间隙的绝缘强度是可快速恢复的。

（3）高压线圈对低压线圈及地的绝缘状态保持良好。

3.2 主要步骤

清洗灼伤的黑斑，直至表面炭化的黑点完全消失，红色底层清晰可见。对表面被电弧灼伤的连接杆，灼伤严重时予以更换，并更新其护套绝缘件。对已发生动作的熔断器或保险，予以更换。然后进行直流电阻及绝缘电阻测量，也可以附加现场工频耐压试验，判断试验合格后，还要检查变压器电气连接和输电线路，确认正常后转变压器投运流程，恢复其运行。

3.3 处理结果

经处理，发生闪络的产品均重新送电，运行正常。干式变压器发生表面闪络后，受影响的只是外绝缘表层局部区域，其内绝缘并未损伤，处理后可以满足安全运行条件。本项目的故障产品，从开始处理到重新投运送电，最短时长3 h，较快恢复到正常发电状态。

4 分析与讨论

通过统计数据来看，杆塔避雷器动作次数过于频繁，对于设置有避雷线的架空线路，其雷击次数不合理。

平原地区雷电流小，后续雷数量多，而后续雷电流峰值小，其在对地回路产生的过电压不足以使得杆塔及箱变避雷器动作，从而进入变压器。

后续雷虽然电流峰值小，但其波头时间小，陡度大，di/dt高，对于大电感的高压线圈而言，根据电感特性，u＝L·di/dt，其将在线圈上产生极高的过电压，最终形成沿面的电弧放电，同时电弧中的等离子体沿着线圈表面电场方向延伸，形成表面的灼烧痕迹，并在工频电网和风机的作用下，使得电弧得以持续一段工作时间，最终导致跌落保险和高压真空断路器动作；与山地风电雷击通常发生在最高处的风机叶片大不相同，平原型风电场雷电波绕击架空输电线的概率较大，可以通过输电线路传输使变压器等变电设备遭受损坏。

预防措施：（1）建议针对风电场的雷击特点，分析其雷电特性，改善架空线路的防雷设计，避免雷电绕击至相线［17-18］；（2）建议在入地电缆头前端增加电抗器，其主要起到平波作用，以缓解后续雷入侵变压器陡度，降低过电压幅值。

5 结束语

本文对一起平原型风电场雷击损坏的各种故障现象进行了分析，如箱变避雷器不动作是因为前级动作电压和残压参数均一致的避雷器已动作，杆塔避雷器频繁动作是因为雷电绕击集电线次数远超正常水平，变压器在后续雷击雷电流的作用下线圈上产生极高的过电压并有工频电流参与建弧以及跌落保险动作多种组合形式符合高压线圈连接特点。

干式变压器发生表面闪络后现场快速修复需要满足一定条件，如线圈表面绝缘层受损程度较轻且要求浇注螺母无明显损伤、高压线圈表面绝缘采用了冗余设计、高压线圈对低压线圈及地的绝缘状态保持良好等。平原地区雷击特点是雷电流小、后续雷陡度大，建议改善架空线路的防雷设计、并在入地电缆头前端增加电抗器，供研究类似故障参考。