张欣鹏* 于 琼 谢红恩 李 果 宋碧昊
(平高集团有限公司，河南 平顶山467000)
伴随着社会的不断进步, 人们的社会生活水平和质量得到了逐步改善,社会对能源的需求也不断增加,除了导致不可再生能源的储存量减少, 也对生活坏境产生了极大的污染。因此,国内外学者及研究员寻找新的可再生能源代替之前一直使用的能源,如一些可以无限使用的风能、水能、太阳能、地热能等[1-5]。
目前, 太阳能是当前世界上最清洁并且是开发最有前景的可再生能源之一[6,7]。太阳能作为一种清洁能源,太阳能作为一种清洁能源,具有无限性、普遍性、清洁性和经济性等优势。采用的太阳能光伏发电具有结构简单、方便、清洁、安全、无噪声、价格低、市场好等优点[8,9],当前,全球光伏发电总装机容量约占全球发电总装机容量的1%,预计至2030 年,可提供全球15 %的电能[10,11]。据国家能源局的统计数据显示,截至2016 年底,中国光伏发电新增和累计装机容量均为全球第一[12]。由于光伏电站的建设后电费补助标准直接受国家政策的影响, 这让很多项目的建设方为了抢工期,对于设备的调试消缺时间变短,质量方面必定出现不同的问题。前期的设备管理时间不足,会导致后期的运行问题[13]。光伏电站的后期运维工作不仅关系到光伏电站能否持续可靠的运行, 还关系到电站的后期运维成本以及电站最终收益[14,15]。
本文重点梳理了大型光伏电站存在的质量通病及常见的几种电气故障,并据此提出了简单、快速、有效的处理流程及方法。通过对故障问题的汇总分析, 最终针对施工质量通病提出了合理化的建议及改正措施以减少或规避运维过程中的故障问题。
1 场区电气连接方案及其连接故障
1.1 项目场区电气连接方案
图1 电气连接方案
100 MW 的大型山地光伏发电项目的电气连接方案如图1所示,每路光伏组件串是由22 块光伏组件单元通过组件单元的连接接头串联组成, 其中光伏组件单元选用的为260 Wp 多晶硅。光伏组件串经过汇流箱汇流后由智能防雷汇流箱送至1 MW 一体化逆变器房直流侧, 汇流箱正极进线电缆分别接入逆变器直流断路器进行控制, 负极电缆并入负极汇流母排接入系统。智能防雷汇流箱送入逆变器的直流电分别接入逆变器两侧经逆变器逆变为交流电。经逆变器逆变后的交流电送至35 kV组合式变压器(箱变)低压侧,经箱变的变压器升压至35 kV 后通过集电线路送至升压站内部开关柜。其中电气设备之间通过电缆连接,具体连接规格及方式如表1 所示。
表1 设备之间电缆连接规格方式
1.2 场区电气故障原因初步分析
由于大型山地光伏电站项目的特殊性,工期紧、工作面广、施工难度大等一系列原因,导致施工过程中质量把控困难。容易出现以下几种问题:一是箱变高压电缆接头施工工艺不合格,存在隐患, 且电缆耐压试验未按国家标准要求进行, 导致长时间“带病运行”;二是由于电缆沟回填过程中,部分施工场区取土困难,施工方采用电缆沟附近的大石块回填;三是施工方选用电工不专业,低压电缆剥线连接过程中,刀口过深,对内绝缘层进行损伤,导致下雨或潮湿环境下电缆短路故障,烧毁电缆。以上几个方面是光伏场区故障频发的主要原因。
2 场区电气设备故障处理
2.1 场区电气故障排查
场区电气故障的处理及时与在很大情况上影响着光伏发电项目的发电量,电气故障处理原则为从重到轻、从大到小逐一排查处理。
如图2 所示,为升压站监控后台界面,首先定期对升压站后台的场区监控系统进行核查, 通过升压站监控后台界面可以实时了解到各个设备的故障停机情况, 并且可以及时记录报警信息,汇总编制电气故障清单,再联系运维队伍到现场,按照轻重缓急的原则对故障进行下一步处理。
图2 升压站监控后台界面
2.2 场区电气故障处理
拿到电气故障清单,首先对清单内容进行分析,并依照不同的问题进行分门别类, 分类完毕后依照图3 所示的施工电气故障排查流程进行排查。按照此流程可以首先查看并处理箱变施工过程中存在的电气故障, 再查看分析处理逆变器施工电气故障, 然后处理汇流箱电气接线故障, 最后处理光伏组件支路故障。
图3 施工电气故障排查流程
2.2.1 箱变电气故障处理
箱变施工电气故障主要分为高压电缆接头击穿,35 kV 高压线路电缆外层损伤或中间接头破损导致电缆接地两种情况,以下是两种故障的处理方法。
a. 箱变高压电缆头击穿故障
图4 箱变高压电缆头击穿
如图4 所示,当箱变高压电缆接头击穿时,会产生较大危害,为防止事故进一步扩大,需及时将升压站开关柜断路器断开,对箱变进行停电隔离。若确定故障箱变的高压电缆接头出现故障,首先对该箱变相邻的逆变器交直流侧进行停电操作, 并对箱变高压侧进行验电及放电操作。在确保高压侧不带电之后方可联系专业施工队伍对电缆接头进行更换。更换高压电缆头时需派专业的电气施工队伍进行更换,并按国家标准进行耐压试验,以确保安装质量。对于无法及时联系施工队伍进行更换的情况下,可采取断电后拆除、固定高压电缆接头等有效措施对该箱变及下级箱变进行隔离,以保证上级箱变的正常运行与发电。
b. 箱变高压线路电缆破皮或中间接头损伤的故障
当箱变高压线路电缆破皮或中间接头损伤的故障, 需对相应高压开关柜进行停电操作,若已排除电缆终端接头原因,可进一步查看电缆井内中间接头是否出现问题, 下一步可将箱变处电缆终端接头分段隔离,逐段进行绝缘测试,缩小故障点范围,降低故障排查难度。绝缘测试结束后,可根据测试结果确定故障电缆,并依据电缆标示桩沿电缆沟进行挖掘,排查是否有外观损伤情况,重点对过施工道路的电缆沟进行排查。当发现电缆外表面破皮接地情况,可联系专业电工施工队伍重新制作中间接头,制作完成后,首先测量电缆绝缘电阻,绝缘电阻达到标准要求后再次对电缆中间接头进行耐压试验, 确保无问题后将电缆沟回填送电。送电时需注意核查电缆三相相序,防止相序错误。
2.2.2 逆变器电气施工故障处理
逆变器在电气施工过程中造成的故障主要为电缆接地情况。逆变器显示面板会显示绝缘阻抗异常报警,当发现此报警信号时, 故障原因一般为逆变器直流进线侧存在电缆破损接地等情况。可按以下步骤排查故障电缆支路
(1) 确定逆变器正负极接地:将逆变器正极直流开关关闭,并逐个送直流侧开关,测试逆变器是否报警;直至测出故障正极支路,若全部报警,则为正极接地。
(2) 确定接地故障电缆型号:当负极接地时,需将逆变器交直流侧开关全部断开,并将逆变器连接的汇流箱断路器全部断开。利用万用表确定负极汇流排无电压并放电保证安全后, 拆除逆变器2×70 的负极电缆,利用1000 V 兆欧级电阻表(摇表)逐个测量绝缘电阻,确定故障支路,若全部正常,则为组件至汇流箱2×4 电缆负极电缆接地故障;当正极电缆接地故障时,可关闭所对应的汇流箱及逆变器直流开关, 测试无电压后对该直流2×70 电缆用摇表进行绝缘测试,若正常,则为该汇流箱2×4 直流电缆正极接地,若故障,则为2×70 电缆接地。
(3) 排查2×4 光伏电缆故障电缆支路:当2×4 电缆接地时,可利用万用表测量相应的汇流箱支路正负极电压,若电压异常,或无电压,则是该支路接地故障。
2.2.3 电缆接地处理
电缆接地情况根据施工方对电缆保护程度及施工工艺的不同,一般分2×70 电缆接地和2×4 电缆接地两种情况,上文已经对如何排查出两种电缆接地进行了详细描述, 下面将对两种电缆接地故障排查处理做出详细说明及分析:
a.2×70 电缆接地排查与处理
2×70 电缆由于大部分直埋至地下, 直接排查较为困难,花费人力财力巨大,目前可采用以下方式降低处理成本。
首先依据地面上电缆标识牌及电缆标志桩确定接地电缆走向及电缆沟位置; 然后查看电缆沟附近是否有大型车辆经常通行的道路或有较大石块回填的位置,若有,则优先对此地方进行开挖, 查看是否有外观破皮的电缆并进行处理。如图5 所示,便是施工道路下电缆沟内回填的尖石破坏的电缆。当遇见100 m及以上长度的故障电缆,可对电缆沟中间位置进行开挖,并将电缆从中间截断,分别利用摇表测量单相对地绝缘电阻,并依据此方法最终测出故障点,联系电工进行更换或制作电缆中间接头。
图5 电缆破皮接地
b.2×4 电缆接地排查与处理
2×4 电缆由于位于地上,可以通过目测进行故障排查,故障点一般分为两个部分,汇流箱内部进线处与组件MC4 电缆连接头两个地方故障。
①汇流箱内部进线处故障: 汇流箱内部进线故障存在两个原因,一是2×4 电缆与汇流箱接线不牢靠,导致松动,接触不良,此种情况需重新连接。二是电缆剥线处,部分剥线时刀口过深或硬铜线弯曲半径太小,导致内部进入空气发生潮气侵蚀情况,严重时可导致正负极短路烧毁,且汇流箱无法进行保护。发现汇流箱电缆进线变黑情况需及时重新剥线、接线,防止造成更大的事故,如图6 所示,便是由于汇流箱进线电缆绝缘层破损处理不及时导致的汇流箱内部进线短路烧毁情况。
图6 汇流箱内部进线短路
②MC4 电缆头处故障:MC4 电缆头故障一般有两个原因,一是MC4 电缆接头制作工艺不达标, 接触不良导致支路无电流。二是MC4 电缆头制作位置电缆剥线处,刀口过深,导致绝缘层破坏,长期雨水、潮气侵蚀,导致短路故障。这两种故障情况重新制作MC4 电缆接头便可解决。
图7 MC4 接头烧毁
3 结论
本文以对电气施工故障的处理为切入点, 对出现故障的根本原因进行分析,以求对将来新建项目的质量把控有借鉴意义。处理项目电气故障最简单快捷的方法是做好事前质量把控工作,因此在项目建设前期、中期加强施工质量把控、增强对施工方施工工艺要求便可大大减少后期消缺成本。在本项目的施工电气故障消缺过程中, 发现有以下几点经验可在工程建设前期重点考虑。一是在施工前期注重设计交底工作,严格按照施工图纸进行施工,施工过程中及时报验,防止发生返工情况;二是对施工质量把控点严格要求,单个问题虽小,但是由于光伏组串数量庞大,量变引起质变,必须对施工工艺严格要求,严格按照规范进行电气接线;三是严格按照施工流程进行施工,电缆做完相应试验,保证正常运行后方可进行电缆沟回填;四是招标过程中对电气安装施工队伍严格筛选,并提高施工方电工的素质,选择有责任心的施工方。
