近年來，國內風電機組燒毀事故頻發(fā)，這與事故分析不夠全面、透徹，因此沒能采取積極有效的防御措施不無關系。
在分析風電機組燒毀、倒塌事故時，首先，需依據豐富的現(xiàn)場經驗及現(xiàn)場勘查，全方位地收集各方面信息，并在現(xiàn)場找出事故的關鍵現(xiàn)象，從而確定出事故分析的準確方向；其次，關鍵現(xiàn)象與主控數據之間能相互印證，形成完整的證據鏈。得出事故結論與現(xiàn)象之間應具有必然聯(lián)系；再次，運用多個學科的理論知識對事故進行綜合分析，對事發(fā)時的某些特殊現(xiàn)象給出合理地解釋。這不僅能進一步證實事故的起因，往往還可能分析出事故發(fā)生的深層次原因。
只有事故分析結論正確，找到了事發(fā)的真正原因后，才可能運用簡便易行的方法指導現(xiàn)場，避免類似事故的再次發(fā)生。
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事故簡介
1月，內蒙某風電場的1.5MW機組發(fā)生了燒毀事故。
事故機組變頻器布置于塔基，機組在凌晨5:09:49秒出現(xiàn)“瞬時電網故障”報警，5:09:50秒，報“變頻器故障”停機。事故機組所在的“10#集電線路” 出現(xiàn)多次震蕩。5:11:41秒，集電線路3531開關分、合閘動作，5:11:42秒，兩次重合閘沒有成功，“10#集電線路”斷電。
事發(fā)時，箱變的高、低壓側斷路器均未跳閘。箱變的高壓側熔斷器三相全部熔斷。事故后，低壓側斷路器手動分閘。箱變高、低壓側斷路器，如圖1、圖2所示。圖3為高壓側熔斷器其中一相的脫落部分。
9點30機艙外有白色煙霧出現(xiàn)，10點31分機艙出現(xiàn)黑色濃煙，11點半左右機艙出現(xiàn)大面積明火，于13:15分事故機組機艙火勢逐漸熄滅。機艙及輪轂罩殼完全燒毀，三支葉片也不同程度地過火。
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找出事故的關鍵現(xiàn)象及起火點
準確把握事故分析的正確方向
圖4 事故機組變頻器原理圖
圖4為事故機組變頻器原理圖。箱變到變頻器的三相電纜接線是穿過塔基變頻器接地平臺的接線孔后，接到并網開關下端的三根銅排上，每根銅排（截面100×10）下方接有240mm2 多股銅芯電纜4根，中部接小銅排（截面40×5）到主開關Q1。并網開關上端的銅排連接發(fā)電機定子電纜。
變頻器的接地平臺由一根240mm2 多股銅芯電纜連接到塔筒上的接地排上。這樣，變頻器的接地平臺，一方面是變頻器內各部件的共同接地點。另一方面，變頻器的接地平臺還與塔筒、雙饋發(fā)電機的定轉子接地電纜以及從箱變過來的接地電纜相連，在塔基整個機組形成共地。
如圖5所示，左側為箱變到變頻器的電纜接線，燒毀嚴重，最左邊為C相電纜，C相4根電纜的絕緣層完全燒毀，右側為變頻器到發(fā)電機定子的電纜接線。
圖5 變頻器到箱變和發(fā)電機定子的接線電纜
箱變連接變頻器銅排的4根C相電纜，如圖6所示。其中一根有兩處燒出了大的缺口，如圖7、圖8所示，C相的4根多股銅芯電纜不僅絕緣皮已全部化為灰燼。在變頻器接地平臺的進線口處，其中有兩根電纜的銅芯損毀嚴重，剩余部分不到一半，如圖9所示。一根電纜的上下兩缺口之間的距離正好是C相電纜下移距離，這就是說，C相電纜在下移之前，下缺口位置是與變頻器的接地平臺齊平的。由此可以推斷，C相電纜在下移之前，電纜與接地平臺之間應該存在嚴重打火放電，致使在電纜上燒出了巨大的缺口，如圖7所示。
因此，從事故的現(xiàn)場勘查來看，變頻器到箱變接線的C相電纜有嚴重對地短路，這也是事發(fā)的直接證據（初步判定此處為事故起因）：箱變到變頻器接線電纜C相中一根最下端有一個大的缺口，見圖8，此電纜的上端與另一根電纜上端各有一個的缺口，這兩個缺口與變頻器接地平臺的缺口位置齊平，如圖9所示。結合主控數據及事故現(xiàn)場實物，初步判定機組報“瞬時電網故障”是箱變到變頻器接線的C相電纜對地短路造成（由此確定出事故發(fā)生的大致方向，但還需通過主控數據及理論分析進一步證實）。
圖10為事故前機組的變頻器并網開關銅排狀況，圖11為測量機組、發(fā)電機定子電流大小的六個互感器，與圖12、13比較可知：事故機組變頻器并網柜燒毀嚴重，A、B、C三相進線電纜的銅排與并網開關Q11上銅排的固定件，以及在機殼上的銅排固定件完全損毀、脫落。A、B兩相銅排上端燒毀狀況基本一致，C相銅排上端燒毀狀況比A、B兩相嚴重，如圖12所示。
C相電纜與變頻器并網開關相連的銅排，在并網開關燒毀以后脫落，下墜，并掉至變頻器接地平臺的進線孔位置。因并網開關上的電纜固定螺栓和電纜線鼻子被變頻器接地平臺卡住，停留在電纜進口處，C相再次與接地平臺形成對地短路、拉弧。因此，在兩根電纜上分別形成了兩個巨大的缺口，接地平臺鋼板也明顯受損，如圖9所示。
勵磁接觸器（主接觸器）前端裝有主開關Q1和熔斷器，圖14與圖15分別為事故前后的勵磁接觸器熔斷器，比較可知：在C相短路后，熔斷器的絕緣部分被擊穿，靠外側機殼方向燒毀相對嚴重，熔斷器上端的機殼及上下端接線已完全燒毀，靠左邊的A相燒毀相對嚴重，如圖15所示。
如圖16和圖17所示，勵磁接觸器（KM1）處A、B兩相外面的機殼和這兩相的端子，其燒毀狀況較C相嚴重。
濾波器LCL的電容直接與勵磁接觸相并聯(lián)，與勵磁接觸器狀況類似，A、B兩相燒毀較C相嚴重，其中，A相的固定端被燒毀后，A相接線脫落，A相的接線端子也被燒毀。如圖18所示。
現(xiàn)場勘查存在以下疑問：
在變頻器接地平臺的電纜進線口處，箱變到變頻器接線電纜C相及其周圍燒毀較其他兩相嚴重。然而，與C相并聯(lián)的勵磁接觸器和LCL濾波器電容，勵磁接觸器前端的熔斷器等則是A、B兩相及其周圍的機殼部分燒毀相對要嚴重些。
這些事發(fā)的特殊現(xiàn)象，還需通過進一步的理論分析，才能給出合符邏輯的解釋。如果能對以上特殊現(xiàn)象給出合理的解釋，也就使事故的起因得到了進一步證實。同時，還可能挖掘出事故發(fā)生更為深層次的原因。
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主控信息及關鍵現(xiàn)象的深入分析
主控信息分析
1、主控報警及停機故障分析
事故前，機組一直處于正常發(fā)電狀態(tài)。5:09:48秒，發(fā)電功率為251KW轉速1273rpm。查看主控數據，在5:09:49秒，C相的電網電壓遠低于正常值，并出現(xiàn)“瞬時電網故障”報警，此報警通常由電網故障觸發(fā)。然而，在5:09:49秒，同在“10#集電線路”的其他機組（總共有10臺，事發(fā)時，還有其他6臺處于正常發(fā)電狀態(tài)）均沒有此報警。這說明“瞬時電網故障”是由事故機組本身造成。
表1：事故機組故障快照中三相相電流分析
注：表中的有功功率，A、B、C三相的相電流均為瞬時值，也就是每秒時間段內最后一個采樣周期的數值，主控的采樣周期為20ms。
箱變到變頻器接線的C相電纜嚴重對地短路（見表1主控數據），從而造成了變頻器的部件損壞，在5:09:50秒觸發(fā) “變頻器故障”停機。在5:09:53又觸發(fā)了主控的“變頻器報電網故障”，此故障為BP180，電池順槳。由故障快照數據可知，機組順槳正常，葉片順利收槳到92°，與現(xiàn)場實際吻合。
事發(fā)時的嚴重拉弧打火，還造成了三相電流不平衡超過設定值，此故障前后的三相電流值參見表1。因此，在5:09:58機組報“電網電流不對稱”故障。
2、主控關鍵數據分析
5:09:50～5:09:59主控得到的A、B、C三相相電流值，由表1可知：
第一，報停機故障兩秒后，即：5:09:52，機組的A、B、C三相相電流分別為：13.8A，12.6A，13A。這與在正常情況下機組停機的電力消耗基本一致。
這說明機組在報故障停機后，功率迅速為降低，機組及時停機脫網。其后的有功功率和三相電流值與機組并網無關。在5:09:52，C相電流僅為13A，該電流遠小于5:09:51和5:09:53的C相電流值，這說明C相對地短路為間歇性弧光接地。
第二，當機組報“變頻器故障”停機后，A相的相電流僅有一秒（即5:09:50秒）電流為3118.2A，在其后的時間，A相的相電流為100A以下，或100A左右，而C相的相電流，則普遍在1000A以上。這說明機組在停機時，并網開關順利脫網，A相沒有出現(xiàn)嚴重的對地或相間短路。
第三，在5:09:50秒，A、B兩相電流均在3000安以上， C相的相電流則為2921.8A，當C相對地短路時，從理論上講，C相的電容電流應是其他兩相之和，見圖20，而實際C相的相電流值低于其他兩相。
箱變到變頻器接線電纜在變頻器接地平臺處短路時，C相的很大一部分相電流是通過短路電纜直接與變頻器接地平臺接通，而沒有流經電流互感器計入主控；A、B、C三相的相電流值均很大，遠超過額定電流值。僅出現(xiàn)了一次，因快照采樣的時間間隔為1秒，取值為主控的最后一個采樣周期值，而不是1秒內的平均值。從此時間前后的相電流數據來看，此電流的時間應小于1秒。在初始短路瞬間，三相分布電容上的電荷變化很大，因此，三相的電容電流值均很大。
第四，在5:09:51，5:09:53，5:09:54，在這3秒的采樣值，B、C兩相的相電流均在1000A以上，且B相相電流遠高于C相。
因C相弧光接地時，C相距B相的距離較A相近，B相可與地之間形成弧光接地，B、C兩相之間還可形成相間弧光放電，因此， B、C兩相的相電流均很高。C相的很大一部分相電流是通過短路電纜直接與接地平臺接通，沒有通過銅排上的電流互感器。所以，C相的相電流值低于B相。
第五，在5:09:55秒以后則僅有C相的相電流在1000安以上，其他兩相都較低。
C相在并網開關的銅排等處拉弧打火產生較大的電流，而其他兩相則主要是在變頻器柜內出現(xiàn)對地拉弧。
第六，機組脫網后，有時A、B兩相的相電流雖然較低，但高出正常停機時的電流值。如：5:09:57秒時，B相相電流為51.2A；5:09:58秒時，A相的相電流為90.2，B相的相電流為90.8；5:09:59秒時，A相的相電流為106.8A，B相的相電流為122.2A。
箱變進線電纜的C相與變頻器接地平臺弧光接地時，變頻器柜內的A、B相對地絕緣值大大降低，造成A、B兩相在變頻器柜內的其他部位出現(xiàn)弧光接地，或相間短路。
第七、箱變到變頻器的進線電纜故障后，潮流的方向與發(fā)電時方向相反，故功率為負值。
由以上分析和推理可知：箱變到變頻器進線電纜的C相在變頻器平臺處對地短路應是眾多事故現(xiàn)象產生的原因，而變頻器多個部件的損壞以及機組報的“變頻器故障”等也因此而產生。
然而，箱變到變頻器的C相進線電纜對地短路，又是如何使變頻器報故障停機，造成變頻器部件損壞的？
解釋特殊現(xiàn)象，找出深層次問題
1、箱變安裝埋下安全隱患
首先，箱變到變頻器的接線電纜選用的是4根3芯電纜，而不是12根單芯電纜。按照要求，箱變到變頻器的接線電纜，每相需要接電纜的4根芯。由4根粗電纜分出來12芯的小電纜，在現(xiàn)場安裝時很容易與變頻器接地平臺的進線口發(fā)生擠壓、干涉。在變頻器接地平臺上，長期的人為走動以及大功率變頻器風扇等部件的振動，會造成電纜芯線絕緣層的破壞，引發(fā)對地短路。因此，在機組運行多年以后，出現(xiàn)了箱變到變頻器接線電纜的對地短路問題。
其次，事故機組箱變?yōu)?5KV/0.69KV，箱變高壓側為三角形接法；低壓側為星形接法，按箱變的安裝要求，低壓側的中性線應在箱變處良好接地，箱變接地線應在塔筒內與機組塔筒、雙饋發(fā)電機定轉子接地線，以及變頻器接地平臺共地。然而，在現(xiàn)場勘查時發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場安裝時，事故機組箱變低壓側的中性線沒有與箱變接地線相接，處于懸空狀態(tài)。因此，屬于中性點不接地系統(tǒng)，如圖19所示。這樣，當出現(xiàn)負載對地短路時，就不能促成箱變低壓側斷路器迅速跳閘斷開。
在實際的小電流接地系統(tǒng)運行中，單相接地故障占到總故障的70%左右，而單純的金屬性完全接地故障是很少的，更多的是不完全接地故障[1]。
當事故機組箱變到變頻器接線電纜的C相與地直接接通時，A、B相對地電壓是原來的1.73倍左右，C相與變頻器接地平臺之間弧光接地時，A、B兩相對地的電壓將更高，會損壞變頻器的電子元件。在機組報“瞬時電網故障”后，因變頻器器件損壞，5:09:50秒，機組報“變頻器故障”停機。
在5:09:53秒，主控報“變頻器報電網故障”，從該故障的觸發(fā)條件來看，非實際觸發(fā)，而是變頻器的電網檢測模塊故障、燒毀所致，事故現(xiàn)場的實物并得到證實。
2、特殊現(xiàn)象分析
無論是地下電纜還是架空導線，電容廣泛存在于每相與大地之間，也存在于各相導線間，當系統(tǒng)正常運行時，線路對大地都保持一定電壓，這是由于每條導線對地間都有一個電容，這些電容處于充電狀態(tài)。三相的對地電容相等，系統(tǒng)對地回路是三相對稱的，所以也就沒有零序電流流過。
當C相接地時，如圖19所示，原本對稱的三相，這時對地通路不再對稱。由于中性點浮置，此時的中性點電位將較原來發(fā)生偏移 [2]。
箱變的690V端有多個線路存在。并且，箱變到變頻器接線以及變頻器負載的每條線路都存在對地電容，若線路II(如圖20所示)的C相接地后，可以視負載電流、電容電流流經線路阻抗上的電壓降為零，則整個系統(tǒng)中C相對地電壓均為零，因此，各組件的C相對地電容電流也就等于零，與此同時，A相、B相的電容電流和對地電壓也隨之升高，理論上升高約為1.73倍。
首先，不妨看下線路I，作為非故障線路上的C相，它的電流為零，B、A兩相都有自身電流，該電流為電容電流。所以，在該線路始端所反應的零序電流。
在箱變上，有它自身A相、B相的對地電容電流IAG、IBG，但由于它依然是其他電容電流產生的唯一電源，所以，在C相上要流回從故障點所流上來的全部電容電流；根據基爾霍夫定律，有流入就要有流出。在B、A兩相中，又要分別流出各線路上相應的對地電容電流，此時從箱變出線側所產生的零序電流仍是三相電流之和。由圖20可以看出，從C相流入的各線路的電容電流，又分別從B、A兩相流出了，因此這部分相加后互相抵消為零，只剩下箱變自身的電容電流。
在故障的線路II上，對于A、B兩相，與非故障線路的相似之處在于都存在有它自身的電容電流IAG和IBG，而不同之處也很明顯：在接地點要流回全系統(tǒng)B、A兩相對地電容電流之總和，此電流經C相流回母線[2]。
接地點通過的電流為電容性的，其大小為原來相對地電容電流的3倍，這種電容電流不容易熄滅，可能會在接地點引起弧光解析，周期性的熄滅和重新發(fā)生電弧?；」饨拥氐某掷m(xù)間歇性電弧較危險，可能引起線路的諧振而產生過電壓，損壞電氣設備或發(fā)展成相間短路。
以上分析可知，箱變到變頻器電纜的C相對地短路時，如圖20中的線路Ⅱ，流過C相接地點的電容電流是B、A兩相對地電容電流之和；而勵磁接觸器、主開關回路、LCL電路電容等，正如圖20中的線路Ⅰ， A相、B相有電容電流，C相的電容電流為零。
在電纜進線、變頻器銅排處，C相對地短路的時間遠超過A、B相，因電流大，發(fā)熱大，部件燒毀越嚴重。所以，箱變到變頻器接線電纜的C相變頻器銅排（接地點）處燒毀程度比其他兩相嚴重；而與它并聯(lián)的其他負載線路，則是C相燒毀程度比其他兩相輕。從另一個側面說明了：箱變到變頻器接線的接線銅排在變頻器接線進口平臺處發(fā)生短路是造成此次事故的原因。
事故機組對地短路引發(fā)的諧振使集電線路產生振蕩。2#主變的集電線路狀態(tài)監(jiān)控顯示，在5:11:41:000，該集電線路35kV的斷路器分、合閘動作，5:11:42：232和5:42:28：354毫秒，集電線路兩次重合閘，但沒有成功，集電線路斷電。因重合閘過程中對事故機組的沖擊，事故機組箱變高壓側A相熔斷器被熔斷，2#主變35KV 側的A相電流產生突變，至此，事故機組三相保險全部熔斷，機組斷電。
本事故的成因及防范措施
1、現(xiàn)場處理不當造成事故不斷擴大、機組燒毀
因該機組的變頻器布置在塔基，箱變到變頻器的進線電纜在變頻器處短路，產生大量的熱量，把變頻器平臺下的通訊、控制電纜，機艙、輪轂供電電纜，塔筒燈線等的絕緣層點燃，并順著電纜向塔筒上部緩慢燒燃起來。在燃燒的早期階段，如處理得當，本次事故是完全可以避免的。
圖21 變頻器平臺下的通訊、控制電纜燒毀狀況
在事發(fā)時，僅有事故機組在5:09:49秒報 “瞬時電網故障”，接著在兩分鐘左右后，事故機組所在的“10#風機集電線路”分閘，對于有經驗的維修人員根據以上信息很容易鎖定事故機組及事發(fā)原因。遺憾的是在檢查和分析事故點時，費時過多，貽誤時機。
在處理事故時，又缺乏經驗和技術指導。當業(yè)主巡視人員在9點左右發(fā)現(xiàn)塔筒內有明火時，采取了塔筒封堵措施。從風電場滅火實踐來看，火勢在離頂部機艙有足夠距離時，塔筒封堵也是處理這類火災事故較好的方案，既能起到滅火作用，更能保證現(xiàn)場人員的人身安全。
然而，在封堵塔筒門時，封堵不夠嚴實，沒能迅速滅火。并且在9點26分，又再次打開塔筒門，導致使大量的新鮮空氣進入，燃燒加速。9點41燃至塔筒上部的U型電纜處，10點31分機艙出現(xiàn)黑色濃煙，明火接近機艙，11點半左右機艙出現(xiàn)大面積明火，從而宣告塔筒封堵方案徹底失敗。
2、眾多的安全隱患和失誤才促成了事故的發(fā)生
首先，在機組安裝時，箱變到變頻器的接線電纜的選型和安裝就存在問題。而且，在機組維護時，沒有注意對箱變進線電纜的損壞狀況的檢查，電纜絕緣層磨破后，最終導致對地短路。
其次，箱變到變頻器接線電纜出現(xiàn)短路時，瞬間電流遠超過箱變低壓側設定值，在正常情況下，斷路器會自動跳閘，完全可以避免事故的發(fā)生。然而，事故機組的箱變低壓側斷路器因故不能跳閘。
第三，箱變低壓側中性線應當在箱變處良好接地，并且，箱變接地線應在塔筒內與變頻器接地平臺共地，促使箱變低壓側斷路器對地短路瞬間跳閘，然而，從現(xiàn)場實際勘查來看，箱變的低壓側中性線處于懸空狀態(tài)。
第四，因事故機組的箱變高壓側熔斷器方向三相均裝反，從而造成不能因一相熔斷器熔斷促成箱變高壓側斷路器跳閘。
第五，在出現(xiàn)對地短路停機后，沒能及時、準確地找到事故機組；在找到事故機組后，沒有及時采取正確、有效的滅火方法，失去了滅火的最佳時機。
這一連串本不該發(fā)生的事件都一一發(fā)生過后，最后就促成了機組燒毀事故的發(fā)生。
類似事故的預防措施
本次事故的發(fā)生，與箱變到變頻器的接線電纜的安裝，箱變的安裝、定期維護有密切的關系。為充分發(fā)揮箱變對風電機組的保護作用，應定期對箱變進行維護，對箱變到變頻器接線電纜進行檢查。
為避免類似事故的再次發(fā)生，在風電場安裝時，應按照國家相關設備技術標準與生產廠家提供的箱變技術規(guī)范選配合適的箱變及參數設置；保證箱變低壓側斷路器具備應有的保護功能，箱變高壓側熔斷器的選配、安裝方式正確等；保證箱變到變頻器接線電纜的安裝質量；確保箱變低壓側中性線應按要求接地，完善低壓側的零序保護。
為了保證箱變在必要時候及時分閘，箱變定期維護應包括：低壓側斷路器參數設置的檢查，以及低壓側斷路器的自動分閘測試等；高壓側熔斷器的安裝及跳閘機構的檢查。
目前，有的風電企業(yè)，其公司機構設置完備，工作審批程序繁瑣，而對風電場有用，并能真正激勵現(xiàn)場人員積極性的方針和政策并不多；公司的管理和研發(fā)人員等一系列輔助人員眾多，而能真正服務于風電場、能解決現(xiàn)場問題、指導現(xiàn)場的人員不多；當重大事故發(fā)生以后，沒有深入分析，沒能找出事故的真實原因；公司與風電場嚴重脫節(jié)，沒有建立起與風電場實際相吻合的管理模式，這是我國風電機組燒毀事故頻發(fā)的重要原因。
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結 語
風電企業(yè)應結合風電場實際，建立適合風電場的運作體系。避免類似事故的再次發(fā)生，應綜合考慮各種因素。不僅要考慮機組本身，還要考慮其相關部件及附屬設施，如：箱變、風況、電網、線路、升壓站等。
參考文獻：
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[2] 陳乾龍，鄧宏偉. 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障分析與仿真.電子質量[J]. 2014(10):25-29
圖文來源：北極星風力發(fā)電網
作者：王明軍
編輯：周小彥
注：如需轉載請聯(lián)系作者授權
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