光伏电站箱变低压配电柜短路着火原因分析与处理

杨金勇，贾春梅，范瑞雪

(1.保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071056；2.保定嘉盛光电科技股份有限公司，河北 保定 071000；3.天津安装工程有限公司，天津 300061)

0 引言

随着新能源电源(风力发电、光伏发电)大量接入电网，新能源发电稳定性差、发电效率低、发电设备箱变故障率高等问题日益凸显。下面以一起光伏发电站箱变低压配电柜短路着火故障为例，从光伏电站现场环境、箱变制作工艺、人员操作失误概率方面分析故障原因并制定相应处理措施以供借鉴。

1 事故经过

2022-01-10T00:30，某光伏发电站的箱变测控后台报警，提示某台箱变运行异常，运行数据无法上传。2022-01-11T08:00，两名检修人员至事故箱变现场，一人监护、一人操作，打开箱变低压侧柜门检查箱变。经现场检查及查阅图纸，初步确认测控装置失电，其供电源UPS运行指示灯熄灭，处于关机状态。箱变数据上传功能虽然出现异常，但箱变电气系统的一次回路正常运行，光伏发电单元也处于正常发电状态。

检修人员进一步确认UPS电源输入侧无AC 220 V电压，低压柜内提供控制电源的小干式变压器输入侧无AC 800 V电压，小干式变的控制断路器1DR处于脱扣跳闸状态[1]，柜内环境加热模块电气回路的断路器也处于脱扣状态。

检修人员复位小干变输入侧的断路器，在合闸瞬间，低压柜内发出“砰”的一声，柜内随即出现明火，同时低压侧主断路器及高压侧负荷开关跳闸断开，变压器失电，随即组织有序灭火工作。

2 事故现场分析

事故发生后，电站立即组织相关专业人员对事故现场进行查验，现场确认以下情形。

1) 箱变二次回路电源的小干式变输入侧的断路器1DR处于跳闸脱扣位置；箱变一次回路800 V框架断路器跳闸，A相底部铁托板有短路电弧灼烧的不规则孔洞，柜子整体有油烟熏灼痕迹。

2) 小干式变、UPS外观基本正常。经现场用兆欧表检测，小干式变一、二次绕组无异常。后经返厂再次技术确认，小干式变、UPS未见异常，可以正常使用。

3) 在主控室调取35 kV集电线路故障录波信号记录、一次高压配电室集电线路进线柜微机保护装置事件记录，显示集电线路有过系统过电流导致跳闸的记录，故障录波设备记录的波形曲线有电流突变记录。

3 事故原因分析

3.1 箱变一次框架断路器本体检测分析

经断路器厂家对箱变一次回路800 V框架断路器现场拆解后确认，框架断路器灭弧罩未发生变形、外观颜色正常；现场分合闸试验各动作机构灵活正常，储能装置工作正常；现场调取控制器故障代码(故障代码为1)，确认为A相瞬时保护脱扣动作，与故障录波A相电压变化记录一致。经确认，断路器无明显外观异常、各机构动作正常，不存在质量问题，排除此次短路现象是由框架断路器本体故障引起的可能性。

3.2 铁托板击穿孔洞分析

经现场确认，箱变一次回路800 V框架断路器下口引接铜排正下方的铁托板有明显的放电电弧将铁托板击穿形成的孔洞，其右侧也有短路痕迹(见图1)。

图1 铁托板被击穿形成的孔洞

经分析，图1中①所示位置为导电类异物导致的第一引燃点，②所示位置为第二放电点(主要放电点)。在操作者试合小干变输入侧1DR断路器的同一时刻，有导电类异物掉落至图1所示的①位置，A相铜排与铁托板①位置发生短路引弧[2]，掉落物瞬时搭接A相铜排与①位置后随即断开，A相铜排与①位置不再发生短路放电；随即电弧以最短的距离通过A相铜排与图1所示的②位置发生更大的短路放电，电弧将A相的正下方铁托板烧出孔洞[3]，短路电流使低压侧框架断路器瞬时保护脱扣动作，风机进入孤岛运行状态，逐步退出发电运行；同时，高压侧开关跳闸，切断35 kV集电线侧提供的短路电流，放电现象结束[4]。电弧放电将铁托板击穿形成孔洞，高温金属熔流物飞溅至配电柜内各部位，引发柜内可燃物起火，导致整柜燃烧失火。

3.3 箱变内部环境湿度高影响分析

该光伏发电站位于西北某省，地处黄土高原，昼夜温差大、降雨充沛，环境湿度高，施工过程中由于箱变四周的回填土回填不密实导致四周塌陷，箱变基础坑内常年积水，箱变内部环境湿度较大，增大了发生电弧短路的概率[5]。发生短路电弧放电现象后，较高的环境湿度进一步增强了电弧短路的后果，最终导致箱变爆燃。同时，本次小干式变控制断路器跳闸的原因大概率也是由于柜内环境湿度长时间处于较高状态，而柜内加热干燥器长期处于未工作状态，从而导致控制回路绝缘严重降低、小干式变控制断路器跳闸，致使柜内UPS失电而引发测控装置报警。

3.4 引发短路的导电类异物来源分析

关于导电类异物的来源，考虑以下几种可能性。

一是操作失误，如操作者携带的螺丝刀等金属异物掉落。箱变在厂家装配或者现场安装过程中，有金属异物掉落留置在控制柜某处，操作者检修合闸时突然震动致使异物掉落从而引发此次事故。然而，该箱变已正常运行一年，且具有同样运输、安装、运行条件的箱变还有19台，期间的多次操作也均未发生类似的异常情况，故判断异物来源于柜体内部留置的可能性较小。

二是箱变柜内凝露水滴所致。由于箱变内加热干燥模块失电停止运行，且柜内温、湿度达到了凝露条件，此时A相铜排刚好有水滴凝结，操作者检修试合小干式变输入侧1DR断路器时的震动，使水滴掉落而引发本次事故，如图2所示，A相铜排凝露水滴受振动垂直滴落，引发②位置短路，铁托板烧出孔洞；同时，水滴受振动斜向落至①位置也会引起短路，但短路路径较②位置长，其电弧很快被②位置短路替代而熄灭。

图2 箱变柜内凝露水滴引发短路示意

综上分析得出，引发短路的导电类异物为来自凝露导致水滴滴落的可能性最大。

3.5 铜排对地距离检查分析

经现场确认，A相铜排距离下部铁托板的最短距离为22 mm，此处的额定电压为AC 800 V。GB 50053—2013《20 kV及以下变电所设计规范》规定，1 kV以下配电装置裸露带电部分至接地部分的电气间隙应不小于20 mm。因此，A相铜排距离下部铁托板的最短距离满足上述国家标准的规定，设计不存在缺陷。

4 处理及预防措施

1) 对该箱变的低压柜部分进行整体拆解返厂维修。除800 V框架断路器、UPS、小干式变使用原部件外，其余部件均更换新产品，重新组装，经出厂试验检验合格后，返回现场进行安装。经现场安装、调试，系统恢复正常运行。

2) 对箱变基础的进出电缆孔洞进行封堵，确保箱变基础外部的渗水无法进入到箱变基础内部；对箱变四周的回填土塌陷区域进行处理，确保箱变四周地面区域不积水，从源头上保证箱变基础内不进水；同时，按规定投入柜内加热干燥模块，降低柜内环境湿度，确保不再发生类似事故。

3) 严格执行箱变故障检修程序。检修箱变低压控制部分控制回路时，必须断开箱变高、低压主断路器，退出运行并做好必要安全措施。待全部控制功能试验完成，故障消除并撤除安全措施后，才能重新投运。

5 结束语

采取相关处理措施对箱变低压柜整改完毕后，运行至今已一年有余，该台设备运行正常，且其余19台类似设备也未再发生类似事故。此外，对检修人员消缺操作程序也进行了规范，也未再发生类似操作事故。