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摘要：针对粤东某电站汇流箱频繁报正极直流电缆绝缘低故障问题，通过对现场情况检查发现：正极直流电缆绝缘下降比负极严重,正负极电缆埋地段的绝缘水平下降比架空段严重。针对直流电缆开展防PID功能投退比对试验、直流耐压试验、绝缘电阻试验并进行解剖检查。结果发现，直流电缆绝缘层存在水侵蚀，导致直流电缆绝缘性能下降，泄漏电流增大，导致局部温升，进而造成绝缘劣化，恶性循环，最终出现直流电缆被击穿。解剖检查结果证实，护埋地电缆的PVC套管非完全防水密封，雨水流入套管，直流电缆长期浸泡于积水中，水分子缓慢侵入至绝缘层，导致频繁出现绝缘阻抗低故障。对此类直流电缆绝缘阻抗低故障提出了纠正建议，为今后同类地面光伏电站项目的直流电缆施工、技改提供了参考。
关键词：正极直流电缆,低绝缘阻抗,防PID功能投退试验,直流耐压试验,绝缘电阻试验
Fault Analysis of Low Frequent Insulation Impedance of Positive DC Cable in Photovoltaic Power Station
Wang Xiaofeng
(Guangzhou Integrated Energy Co．，Ltd．，Guangzhou 510623，China)
Abstract：In view of the low insulation failure of the positive DC cable frequently reported by the bus－box of a power station in eastern Guangdong，it is found that the insulation decline of the positive DC cable is more serious than that of the negative cable through field inspection．The comparison test of anti PID function on／off，DC withstand voltage test，insulation resistance test，and anatomical inspection were carried out for DC cables．The results showed that there was water erosion in the insulation layer of DC cables，which led to a decrease in the insulation performance of DC cables，an increase in leakage current，and a local temperature rise，leading to insulation degradation，a vicious cycle，and ultimately the breakdown of DC cables．The anatomical examination results confirmed that the PVC sleeve protecting the buried cable was not completely waterproof and sealed，and rainwater flowed into the sleeve．The DC cable was soaked in water for a long time，and water molecules slowly penetrated into the insulation layer，leading to frequent low insulation resistance failures．Suggestions for correcting the low insulation impedance faults of such DC cables are proposed，providing a reference for the construction and technical transformation of DC cables in similar ground photovoltaic power station projects in the future．
Key words：positive DC cable；low insulation impedance；anti－PID function drop test；DC withstand voltage test；insulation resistance test
0引言
随着我国经济快速发展，石油、煤炭等化石能源的高消费加重了空气污染，如何有效缓解这方面的问题是发展清洁能源战略的重要步骤，是实施可持续发展国家战略的必然要求，也是实现生态文明的必然要求。合理开发利用发展清洁能源，对完善我国能源结构、调整产业结构，推动节能减排、实现科学转型和可持续发展具有十分重要的现实意义和战略意义[1]。随着光伏电站数量持续上涨，电站的安全问题得到了广泛的关注。然而，光伏电站中的电缆故障给发电带来了严重的危害和损失[2]。
某粤东地区光伏电站于2016年12月并网投运，一期现装机容量20．2 MW。组件型号为阿特斯多晶硅265 MW，开路电压Voc37．7 V。直流汇流箱型号为珠海瓦特WGHX－Z16R，最大输入阵列电压1000 VDC。集中式逆变器型号为阳光电源SG500，防PID方式为负极虚拟中性点接地[3]。光伏直流电缆型号为中天科技PV1－F 0．6／1 kV 1×4 mm2，其用于交流系统时，对地电压等级为600 V，导体间电压等级为1000 V[4]。现场共38台集中式逆变器，每台逆变器接入6台直流汇流箱，每台汇流箱的直流输入数为16路，全电站约3600路直流支路。
2020年现场逆变器偶报绝缘阻抗低告警123次，经排查，几乎全为正极电缆接地故障(组件阵列出线至汇流箱段)[5]，通过与负极电缆对比发现，正极直流电缆绝缘下降比负极严重。另外，通常发现接地支路的近邻正极支路都会伴随有绝缘阻值下降的情况，但下降的程度未达到逆变器绝缘阻值低检测告警的程度，从现场实测情况也得到了验证[6]。总结项目以往运行情况，上述绝缘阻值下降的正极电缆经过一段时间运行，特别是雨天后，会陆续出现接地故障，且埋地段绝缘下降比架空段严重。预测此类接地故障问题所在的原因就是雨后积水，雨水渗透入电缆内部，导致电缆在受潮后电气绝缘性能逐渐下降。
为了发现此类故障具体原因，解决和预防此类故障问题的出现，本文以光伏电站中的电缆故障为对象，通过现场检查、比对试验分析、直流电缆分析的方法，发现此类正极直流电缆绝缘低故障问题的根本原因[7]，并对其根本原因进行研究，提出此类故障的纠正与建议。
1现场检查情况
以近期绝缘阻抗低告警的15区B3汇流箱为检查对象，采取以下措施。
(1)15区B3汇流箱绝缘阻抗低告警，采用万用表测了对地绝缘、用500 V摇表摇了绝缘排查发现，第3支路的正极电缆确实存在接地故障。另测同支路对应的负极电缆绝缘正常。
(2)故障直流电缆埋深约800 mm，由于电缆穿PVC套管，采取将电缆两端头剪断、抽出。发现套管内电缆有潮湿的泥浆附着，抽出过程中电缆断开。外观检查，发现正极直流电缆绝缘确实已破损接地，缆芯存在发黑、断股现象，附带铜绿，绝缘外皮存在鼓包，且有龟裂和白色气泡点。通过观察可知，电缆的缆芯有长期发热迹象，而附着铜绿表明此处接地已发生有一段时间[8]。如图1~4所示。
(3)进一步对同台汇流箱的埋地直流电缆进行开挖检查，检查其余正、负极电缆外护套在远离第3支路故障点的电缆段，均发现不同程度的鼓包，部分电缆段存在连续的鼓包情况。如图5~6所示。
2试验分析
2．1防PID功能投退试验
现场采用一根同规格的直流电缆作为短接线，在正极汇流排模拟正极电缆接地情况[9]。试验情况如下：投入防PID功能的正极(约700 V)接地瞬间，产生火花放电现象，伴有明显的放电声响，瞬间放电后停止。负极(约5V)接地瞬间，未见火花，只有静电般的微弱放电声响，瞬间放电后停止。钳形电流表测短接线，无持续接地电流。退出防PID功能的正负极对地(约±300多V)，放电声响和打火强度介于投入防PID功能的正负极(700 V和0 V)之间，瞬间放电后停止。钳形电流表测短接线，无持续接地电流。
试验结论：投退逆变器负极虚拟中性点接地的防PID功能，在每次逆变器并网时，直流电缆接地点会有对大地放电打火现象，放电强度随电缆对地电压升高而增加，但运行中不会产生持续接地电流[10]。
2．2直流耐压和绝缘电阻试验(依据2PFG 1 169／08．2007德国标准)试验分两组进行。
第一组：截取接地正极电缆2根(已除去击穿段)和对应的负极电缆1根，分别进行直流耐压和绝缘电阻试验(图7)，测试结果如表1所示。试验结果表明，出现接地的正极电缆及对应负极电缆(同套管)均存在不同程度的绝缘下降，正极电缆的绝缘下降比负极严重[11]。
第二组：截取接地正极埋地段电缆1根(已除去击穿段)、正极架空段电缆1根、对应支路负极埋地段电缆1根、对应支路负极架空段1根，分别进行绝缘电阻试验，测试结果如表2所示。试验结果表明，无论正极还是负极，同一支路中，埋地段的绝缘下降比架空段严重。
3直流电缆分析
该电站所用光伏直流电缆结构为：辐照交联无卤阻燃聚烯烃(护套)，辐照交联无卤阻燃聚烯烃(绝缘)，镀锡铜缆线[12]。
对鼓包电缆进行直流耐压试验，个别鼓包点绝缘发生击穿情况，剖开外护套，发现绝缘层与护套间有水迹存在，剥开绝缘层，导体有断丝、氧化现象。如图8~9所示。
截取部分鼓包电缆送原厂家检查，剥开鼓包处外护套，也发现内部绝缘层存在水迹。采用测量电缆结构尺寸的专用放大投影仪，检查剥开水迹的外护套，未见护套有穿孔或开裂，护套内壁有白色沙粒状水渍[13]。如图10所示。
4原因分析
(1)正极电缆频繁被击穿经上述试验分析，与逆变器防PID功能的投入、启动并网过电压、绝缘阻抗检测灵敏度过低等原因无直接关系[14]。
(2)现场电缆产品满足技术采购要求，经厂家确认系正规产品，厂家翻查当年无批次问题记录，出厂试验齐全且合格，产品无质量问题。
(3)从电缆击穿点外观分析，电缆存在热老化(龟裂、气泡、鼓包)现象，击穿点为长期发热最终击穿造成。
(4)根据现场截取的各段电缆样品分析，正、负极电缆的绝缘均有下降，正极电缆绝缘普遍下降比对应的负极电缆要严重，不埋地段的电缆绝缘明显低于架空段[15]。
(5)通过剖开鼓包点(未击穿)，发现内部存在水迹，检查剖开的护套完整、无破损，说明水分是通过微观分子穿透护套的聚烯烃材料缓慢渗入。同理，绝缘层同为聚烯烃材料，电缆外部浸水足够长时间，水分子会穿透绝缘层，进入缆芯[16]。
(6)综合分析：雨天后，保护埋地电缆的PVC套管非完全防水密封，导致雨水流入套管，局部管段存在积水，且积水不易渗入土壤或蒸发(解释了发现1支路绝缘阻抗低故障，测量同汇流箱的其余电缆都会存在一定程度的绝缘下降)，电缆长期浸水导致水分侵入护套，甚至绝缘层。电缆绝缘在受潮后电气绝缘性能逐渐下降，护套、绝缘虽完好(未击穿)，但泄漏电流随水分侵入不断增大，导致局部温升，温升又造成绝缘进一步劣化，恶性循环，当绝缘电阻下降至耐受电压以下后，最终发生击穿现象。由于电缆对地电压越大，泄漏电流越大，所以投入防PID功能后，正极电缆比负极电缆的绝缘下降速度要快。此电站投运4年，经历上述缓慢的绝缘劣化下降过程，最终大量正极电缆绝缘被击穿问题在此时间点集中暴露。
5纠正建议
(1)电缆由光伏背板引出汇集后再引入汇流箱时采用架空方式，在阵列间的檩条间使用电缆托索，将电缆托放置于挂钩内，避免受力。
(2)项目为农光互补，土壤较潮湿，且因地形或施工条件等限制必须埋地穿管的直流电缆，穿管电缆总截面积应不大于管截面积的40％，套管间连接处和套管入土的两端头均应做好密封措施(防水带、防水胶、防火泥等)，防止雨水流入形成积水。
(3)现场涉及埋地敷设的直流电缆数量较多，建议根据电缆接地故障情况，逐步分批将埋地电缆改架空敷设。
(4)现该电站扩建工程与总包提前沟通，在设计和施工阶段做好预防或纠正措施。
6结束语
目前，在光伏电站设计、光伏电缆设计的相关标准中，未明确建议何地区、何气候环境条件下，直流光伏电缆采用埋地还是架空的敷设方式。对埋地光伏电缆所穿套管的防水施工艺也未有明确要求。本文通过防PID功能投退比对试验、电缆直流耐压试验、电缆绝缘电阻试验、电缆鼓包的失效分析，综合分析得出正极直流电缆频繁出现绝缘阻抗低故障的原因，并根据原因分析，提出了将直埋电缆改架空电缆敷设的纠正建议，从源头上解决问题，预防此类问题的出现。提高电缆散热能力且维护更加方便，极大地减少电站运维人员的检修工作量，提高设备运行的安全性和可靠性，减少此类故障带来的经济损失，对其他同类光伏电站光伏区直流电缆的施工、技改提供了借鉴。
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