典型风电机组烧毁事故解析

近年来，国内风电机组烧毁事故频发，这与事故分析不够全面、透彻，因此没能采取积极有效的防御措施不无关系。

在分析风电机组烧毁、倒塌事故时，首先，需依据丰富的现场经验及周密的现场勘查，全方位地收集各方面信息，并在现场找出事故的关键现象，从而确定出事故分析的准确方向；其次，关键现象与主控数据之间能相互印证，形成完整的证据链。得出事故结论与现象之间应具有必然的联系；再次，运用多个学科的理论知识对事故进行综合分析，对事发时的某些特殊现象给出合理地解释。这不仅能进一步证实事故的起因，往往还可能分析出事故发生的深层次原因。

只有事故分析结论正确，找到了事发的真正原因后，才可能运用简便易行的方法指导现场，避免类似事故的再次发生。

1 事故简介

1月，内蒙某风电场的1.5MW机组发生了烧毁事故。事故机组变频器布置于塔基，机组在凌晨5:09:49秒出现“瞬时电网故障”报警，5:09:50秒，报“变频器故障”停机。事故机组所在的“10#集电线路” 出现多次震荡。5:11:41秒，集电线路3531开关分、合闸动作，5:11:42秒，两次重合闸没有成功，“10#集电线路”断电。

事发时，箱变的高、低压侧断路器均未跳闸。箱变的高压侧熔断器三相全部熔断。事故后，低压侧断路器手动分闸。箱变高、低压侧断路器，如图1、图2所示。图3为高压侧熔断器其中一相的脱落部分。           

9点30机舱外有白色烟雾出现，10点31分机舱出现黑色浓烟，11点半左右机舱出现大面积明火，于13:15分事故机组机舱火势逐渐熄灭。机舱及轮毂罩壳完全烧毁，三支叶片也不同程度地过火。

2 找出事故的关键现象及起火点，准确把握事故分析的正确方向

图4为事故机组变频器原理图。箱变到变频器的三相电缆接线是穿过塔基变频器接地平台的接线孔后，接到并网开关下端的三根铜排上，每根铜排（截面100×10）下方接有240mm² 多股铜芯电缆4根，中部接小铜排（截面40×5）到主开关Q1。并网开关上端的铜排连接发电机定子电缆。

变频器的接地平台由一根240mm²多股铜芯电缆连接到塔筒上的接地排上。这样，变频器的接地平台，一方面是变频器内各部件的共同接地点。另一方面，变频器的接地平台还与塔筒、双馈发电机的定转子接地电缆以及从箱变过来的接地电缆相连，在塔基整个机组形成共地。

如图5所示，左侧为箱变到变频器的电缆接线，烧毁严重，最左边为C相电缆，C相4根电缆的绝缘层完全烧毁，右侧为变频器到发电机定子的电缆接线。

箱变连接变频器铜排的4根C相电缆，如图6所示。其中一根有两处烧出了大的缺口，如图7、图8所示，C相的4根多股铜芯电缆不仅绝缘皮已全部化为灰烬。在变频器接地平台的进线口处，其中有两根电缆的铜芯损毁严重，剩余部分不到一半，如图9所示。一根电缆的上下两缺口之间的距离正好是C相电缆下移距离，这就是说，C相电缆在下移之前，下缺口位置是与变频器的接地平台齐平的。由此可以推断，C相电缆在下移之前，电缆与接地平台之间应该存在严重打火放电，致使在电缆上烧出了巨大的缺口，如图7所示。

因此，从事故的现场勘查来看，变频器到箱变接线的C相电缆有严重对地短路，这也是事发的直接证据（初步判定此处为事故起因）：箱变到变频器接线电缆C相中一根最下端有一个大的缺口，见图8，此电缆的上端与另一根电缆上端各有一个的缺口，这两个缺口与变频器接地平台的缺口位置齐平，如图9所示。结合主控数据及事故现场实物，初步判定机组报“瞬时电网故障”是箱变到变频器接线的C相电缆对地短路造成（由此确定出事故发生的大致方向，但还需通过主控数据及理论分析进一步证实）

图10为事故前机组的变频器并网开关铜排状况，图11为测量机组、发电机定子电流大小的六个互感器，与图12、13比较可知：事故机组变频器并网柜烧毁严重，A、B、C三相进线电缆的铜排与并网开关Q11上铜排的固定件，以及在机壳上的铜排固定件完全损毁、脱落。A、B两相铜排上端烧毁状况基本一致，C相铜排上端烧毁状况比A、B两相严重，如图12所示。

C相电缆与变频器并网开关相连的铜排，在并网开关烧毁以后脱落，下坠，并掉至变频器接地平台的进线孔位置。因并网开关上的电缆固定螺栓和电缆线鼻子被变频器接地平台卡住，停留在电缆进口处，C相再次与接地平台形成对地短路、拉弧。因此，在两根电缆上分别形成了两个巨大的缺口，接地平台钢板也明显受损，如图9所示。

励磁接触器（主接触器）前端装有主开关Q1和熔断器，图14与图15分别为事故前后的励磁接触器熔断器，比较可知：在C相短路后，熔断器的绝缘部分被击穿，靠外侧机壳方向烧毁相对严重，熔断器上端的机壳及上下端接线已完全烧毁，靠左边的A相烧毁相对严重，如图15所示。

如图16和图17所示，励磁接触器（KM1）处A、B两相外面的机壳和这两相的端子，其烧毁状况较C相严重。

滤波器LCL的电容直接与励磁接触相并联，与励磁接触器状况类似，A、B两相烧毁较C相严重，其中，A相的固定端被烧毁后，A相接线脱落，A相的接线端子也被烧毁。如图18所示。

现场勘查存在以下疑问：

在变频器接地平台的电缆进线口处，箱变到变频器接线电缆C相及其周围烧毁较其他两相严重。然而，与C相并联的励磁接触器和LCL滤波器电容，励磁接触器前端的熔断器等则是A、B两相及其周围的机壳部分烧毁相对要严重些。

这些事发的特殊现象，还需通过进一步的理论分析，才能给出合符逻辑的解释。如果能对以上特殊现象给出合理的解释，也就使事故的起因得到了进一步证实。同时，还可能挖掘出事故发生更为深层次的原因。

3 主控信息及关键现象的深入分析

3.1  主控信息分析

3.1.1 主控报警及停机故障分析

事故前，机组一直处于正常发电状态。5:09:48秒，发电功率为251KW转速1273rpm。查看主控数据，在5:09:49秒，C相的电网电压远低于正常值，并出现“瞬时电网故障”报警，此报警通常由电网故障触发。然而，在5:09:49秒，同在“10#集电线路”的其他机组（总共有10台，事发时，还有其他6台处于正常发电状态）均没有此报警。这说明“瞬时电网故障”是由事故机组本身造成。

表1：事故机组故障快照中三相相电流分析

注：表中的有功功率，A、B、C三相的相电流均为瞬时值，也就是每秒时间段内最后一个采样周期的数值，主控的采样周期为20ms。

箱变到变频器接线的C相电缆严重对地短路（见表1主控数据），从而造成了变频器的部件损坏，在5:09:50秒触发 “变频器故障”停机。在5:09:53又触发了主控的“变频器报电网故障”，此故障为BP180，电池顺桨。由故障快照数据可知，机组顺桨正常，叶片顺利收桨到92°，与现场实际吻合。

事发时的严重拉弧打火，还造成了三相电流不平衡超过设定值，此故障前后的三相电流值参见表1。因此，在5:09:58机组报“电网电流不对称”故障。

3.1.2  主控关键数据分析

5:09:50～5:09:59主控得到的A、B、C三相相电流值，由表1可知：

第一，报停机故障两秒后，即：5:09:52，机组的A、B、C三相相电流分别为：13.8A，12.6A，13A。这与在正常情况下机组停机的电力消耗基本一致。

这说明机组在报故障停机后，功率迅速为降低，机组及时停机脱网。其后的有功功率和三相电流值与机组并网无关。在5:09:52，C相电流仅为13A，该电流远小于5:09:51和5:09:53的C相电流值，这说明C相对地短路为间歇性弧光接地。

第二，当机组报“变频器故障”停机后，A相的相电流仅有一秒（即5:09:50秒）电流为3118.2A，在其后的时间，A相的相电流为100A以下，或100A左右，而C相的相电流，则普遍在1000A以上。这说明机组在停机时，并网开关顺利脱网，A相没有出现严重的对地或相间短路。

第三，在5:09:50秒，A、B两相电流均在3000安以上， C相的相电流则为2921.8A，当C相对地短路时，从理论上讲，C相的电容电流应是其他两相之和，见图20，而实际C相的相电流值低于其他两相。

箱变到变频器接线电缆在变频器接地平台处短路时，C相的很大一部分相电流是通过短路电缆直接与变频器接地平台接通，而没有流经电流互感器计入主控；A、B、C三相的相电流值均很大，远超过额定电流值。仅出现了一次，因快照采样的时间间隔为1秒，取值为主控的最后一个采样周期值，而不是1秒内的平均值。从此时间前后的相电流数据来看，此电流的时间应小于1秒。在初始短路瞬间，三相分布电容上的电荷变化很大，因此，三相的电容电流值均很大。

第四，在5:09:51，5:09:53，5:09:54，在这3秒的采样值，B、C两相的相电流均在1000A以上，且B相相电流远高于C相。

因C相弧光接地时，C相距B相的距离较A相近，B相可与地之间形成弧光接地，B、C两相之间还可形成相间弧光放电，因此， B、C两相的相电流均很高。C相的很大一部分相电流是通过短路电缆直接与接地平台接通，没有通过铜排上的电流互感器。所以，C相的相电流值低于B相。

第五，在5:09:55秒以后则仅有C相的相电流在1000安以上，其他两相都较低。

C相在并网开关的铜排等处拉弧打火产生较大的电流，而其他两相则主要是在变频器柜内出现对地拉弧。

第六，机组脱网后，有时A、B两相的相电流虽然较低，但高出正常停机时的电流值。如：5:09:57秒时，B相相电流为51.2A；5:09:58秒时，A相的相电流为90.2，B相的相电流为90.8；5:09:59秒时，A相的相电流为106.8A，B相的相电流为122.2A。

箱变进线电缆的C相与变频器接地平台弧光接地时，变频器柜内的A、B相对地绝缘值大大降低，造成A、B两相在变频器柜内的其他部位出现弧光接地，或相间短路。

第七、箱变到变频器的进线电缆故障后，潮流的方向与发电时方向相反，故功率为负值。

由以上分析和推理可知：箱变到变频器进线电缆的C相在变频器平台处对地短路应是众多事故现象产生的原因，而变频器多个部件的损坏以及机组报的“变频器故障”等也因此而产生。

然而，箱变到变频器的C相进线电缆对地短路，又是如何使变频器报故障停机，造成变频器部件损坏的？

3.2  解释特殊现象，找出深层次问题

3.2.1 箱变安装埋下安全隐患

首先，箱变到变频器的接线电缆选用的是4根3芯电缆，而不是12根单芯电缆。按照要求，箱变到变频器的接线电缆，每相需要接电缆的4根芯。由4根粗电缆分出来12芯的小电缆，在现场安装时很容易与变频器接地平台的进线口发生挤压、干涉。在变频器接地平台上，长期的人为走动以及大功率变频器风扇等部件的振动，会造成电缆芯线绝缘层的破坏，引发对地短路。因此，在机组运行多年以后，出现了箱变到变频器接线电缆的对地短路问题。

其次，事故机组箱变为35KV/0.69KV，箱变高压侧为三角形接法；低压侧为星形接法，按箱变的安装要求，低压侧的中性线应在箱变处良好接地，箱变接地线应在塔筒内与机组塔筒、双馈发电机定转子接地线，以及变频器接地平台共地。然而，在现场勘查时发现，在现场安装时，事故机组箱变低压侧的中性线没有与箱变接地线相接，处于悬空状态。因此，属于中性点不接地系统，如图19所示。这样，当出现负载对地短路时，就不能促成箱变低压侧断路器迅速跳闸断开。

在实际的小电流接地系统运行中，单相接地故障占到总故障的70%左右，而单纯的金属性完全接地故障是很少的，更多的是不完全接地故障^[1]。

当事故机组箱变到变频器接线电缆的C相与地直接接通时，A、B相对地电压是原来的1.73倍左右，C相与变频器接地平台之间弧光接地时，A、B两相对地的电压将更高，会损坏变频器的电子元件。在机组报“瞬时电网故障”后，因变频器器件损坏，5:09:50秒，机组报“变频器故障”停机。

在5:09:53秒，主控报“变频器报电网故障”，从该故障的触发条件来看，非实际触发，而是变频器的电网检测模块故障、烧毁所致，事故现场的实物并得到证实。

3.2.2 特殊现象分析

无论是地下电缆还是架空导线，电容广泛存在于每相与大地之间，也存在于各相导线间，当系统正常运行时，线路对大地都保持一定电压，这是由于每条导线对地间都有一个电容，这些电容处于充电状态。三相的对地电容相等，系统对地回路是三相对称的，所以也就没有零序电流流过。

当C相接地时，如图19所示，原本对称的三相，这时对地通路不再对称。由于中性点浮置，此时的中性点电位将较原来发生偏移^[2]。

箱变的690V端有多个线路存在。并且，箱变到变频器接线以及变频器负载的每条线路都存在对地电容，若线路II(如图20所示)的C相接地后，可以视负载电流、电容电流流经线路阻抗上的电压降为零，则整个系统中C相对地电压均为零，因此，各组件的C相对地电容电流也就等于零，与此同时，A相、B相的电容电流和对地电压也随之升高，理论上升高约为1.73倍。

首先，不妨看下线路I，作为非故障线路上的C相，它的电流为零，B、A两相都有自身电流，该电流为电容电流。所以，在该线路始端所反应的零序电流。

在箱变上，有它自身A相、B相的对地电容电流I_AG、I_BG，但由于它依然是其他电容电流产生的唯一电源，所以，在C相上要流回从故障点所流上来的全部电容电流；根据基尔霍夫定律，有流入就要有流出。在B、A两相中，又要分别流出各线路上相应的对地电容电流，此时从箱变出线侧所产生的零序电流仍是三相电流之和。由图20可以看出，从C相流入的各线路的电容电流，又分别从B、A两相流出了，因此这部分相加后互相抵消为零，只剩下箱变自身的电容电流。

在故障的线路II上，对于A、B两相，与非故障线路的相似之处在于都存在有它自身的电容电流I_AG和I_BG，而不同之处也很明显：在接地点要流回全系统B、A两相对地电容电流之总和，此电流经C相流回母线^[2]。

接地点通过的电流为电容性的，其大小为原来相对地电容电流的3倍，这种电容电流不容易熄灭，可能会在接地点引起弧光解析，周期性的熄灭和重新发生电弧。弧光接地的持续间歇性电弧较危险，可能引起线路的谐振而产生过电压，损坏电气设备或发展成相间短路。

以上分析可知，箱变到变频器电缆的C相对地短路时，如图20中的线路Ⅱ，流过C相接地点的电容电流是B、A两相对地电容电流之和；而励磁接触器、主开关回路、LCL电路电容等，正如图20中的线路Ⅰ， A相、B相有电容电流，C相的电容电流为零。

在电缆进线、变频器铜排处，C相对地短路的时间远超过A、B相，因电流大，发热大，部件烧毁越严重。所以，箱变到变频器接线电缆的C相变频器铜排（接地点）处烧毁程度比其他两相严重；而与它并联的其他负载线路，则是C相烧毁程度比其他两相轻。从另一个侧面说明了：箱变到变频器接线的接线铜排在变频器接线进口平台处发生短路是造成此次事故的原因。

事故机组对地短路引发的谐振使集电线路产生振荡。2#主变的集电线路状态监控显示，在5:11:41:000，该集电线路35kV的断路器分、合闸动作，5:11:42：232和5:42:28：354毫秒，集电线路两次重合闸，但没有成功，集电线路断电。因重合闸过程中对事故机组的冲击，事故机组箱变高压侧A相熔断器被熔断，2#主变35KV 侧的A相电流产生突变，至此，事故机组三相保险全部熔断，机组断电。

3.3 本事故的成因及防范措施

3.3.1现场处理不当造成事故不断扩大、机组烧毁

因该机组的变频器布置在塔基，箱变到变频器的进线电缆在变频器处短路，产生大量的热量，把变频器平台下的通讯、控制电缆，机舱、轮毂供电电缆，塔筒灯线等的绝缘层点燃，并顺着电缆向塔筒上部缓慢烧燃起来。在燃烧的早期阶段，如处理得当，本次事故是完全可以避免的。

在事发时，仅有事故机组在5:09:49秒报 “瞬时电网故障”，接着在两分钟左右后，事故机组所在的“10#风机集电线路”分闸，对于有经验的维修人员根据以上信息很容易锁定事故机组及事发原因。遗憾的是在检查和分析事故点时，费时过多，贻误时机。

在处理事故时，又缺乏经验和技术指导。当业主巡视人员在9点左右发现塔筒内有明火时，采取了塔筒封堵措施。从风电场灭火实践来看，火势在离顶部机舱有足够距离时，塔筒封堵也是处理这类火灾事故较好的方案，既能起到灭火作用，更能保证现场人员的人身安全。

然而，在封堵塔筒门时，封堵不够严实，没能迅速灭火。并且在9点26分，又再次打开塔筒门，导致使大量的新鲜空气进入，燃烧加速。9点41燃至塔筒上部的U型电缆处，10点31分机舱出现黑色浓烟，明火接近机舱，11点半左右机舱出现大面积明火，从而宣告塔筒封堵方案彻底失败。

3.3.2 众多的安全隐患和失误才促成了事故的发生

首先，在机组安装时，箱变到变频器的接线电缆的选型和安装就存在问题。而且，在机组维护时，没有注意对箱变进线电缆的损坏状况的检查，电缆绝缘层磨破后，最终导致对地短路。

其次，箱变到变频器接线电缆出现短路时，瞬间电流远超过箱变低压侧设定值，在正常情况下，断路器会自动跳闸，完全可以避免事故的发生。然而，事故机组的箱变低压侧断路器因故不能跳闸。

第三，箱变低压侧中性线应当在箱变处良好接地，并且，箱变接地线应在塔筒内与变频器接地平台共地，促使箱变低压侧断路器对地短路瞬间跳闸，然而，从现场实际勘查来看，箱变的低压侧中性线处于悬空状态。

第四，因事故机组的箱变高压侧熔断器方向三相均装反，从而造成不能因一相熔断器熔断促成箱变高压侧断路器跳闸。

第五，在出现对地短路停机后，没能及时、准确地找到事故机组；在找到事故机组后，没有及时采取正确、有效的灭火方法，失去了灭火的最佳时机。

这一连串本不该发生的事件都一一发生过后，最后就促成了机组烧毁事故的发生。

3.4  类似事故的预防措施

本次事故的发生，与箱变到变频器的接线电缆的安装，箱变的安装、定期维护有密切的关系。为充分发挥箱变对风电机组的保护作用，应定期对箱变进行维护，对箱变到变频器接线电缆进行检查。

为避免类似事故的再次发生，在风电场安装时，应按照国家相关设备技术标准与生产厂家提供的箱变技术规范选配合适的箱变及参数设置；保证箱变低压侧断路器具备应有的保护功能，箱变高压侧熔断器的选配、安装方式正确等；保证箱变到变频器接线电缆的安装质量；确保箱变低压侧中性线应按要求接地，完善低压侧的零序保护。

为了保证箱变在必要时候及时分闸，箱变定期维护应包括：低压侧断路器参数设置的检查，以及低压侧断路器的自动分闸测试等；高压侧熔断器的安装及跳闸机构的检查。

目前，有的风电企业，其公司机构设置完备，工作审批程序繁琐，而对风电场有用，并能真正激励现场人员积极性的方针和政策并不多；公司的管理和研发人员等一系列辅助人员众多，而能真正服务于风电场、能解决现场问题、指导现场的人员不多；当重大事故发生以后，没有深入分析，没能找出事故的真实原因；公司与风电场严重脱节，没有建立起与风电场实际相吻合的管理模式，这是我国风电机组烧毁事故频发的重要原因。

4 结语

风电企业应结合风电场实际，建立适合风电场的运作体系。避免类似事故的再次发生，应综合考虑各种因素。不仅要考虑机组本身，还要考虑其相关部件及附属设施，如：箱变、风况、电网、线路、升压站等。

参考文献：

[1] 刘连凯.中性点不接地系统故障分析.科技与企业[J].2013(7):364

[2] 陈乾龙，邓宏伟. 中性点不接地系统单相接地故障分析与仿真.电子质量[J].2014(10):25-29