光伏电站箱变电缆井水位安全自动检测及抽排水系统的应用和分析

引言

在全球能源结构向低碳转型的背景下，光伏电站作为清洁能源的核心载体，然而，光伏电站的安全运行始终面临地理环境的制约尤其在矿山修复、尾矿库改造等特殊场景中，地质条件对设备运维的影响更为显著。

某光伏电站作为 “矿山治理 + 新能源开发” 的示范项目，总装机容量达 100MW，每年可提供清洁电力约 6000 万千瓦时，减少二氧化碳排放约 5 万吨。据 2024 年汛期统计，该电站 32 台箱变中，14 台电缆井日均积水深度达 30-80cm，需每日人工排水 2-3 次，不仅耗费大量人力，更存在夜间积水未及时处理引发设备故障的风险。

基于此，本文从安全风险机理出发，结合实际应用案例，深入剖析水位安全自动检测及抽排水系统的技术适配性，为同类光伏电站的积水治理提供技术参考。

1. 箱变电缆井渗水积水的安全风险分析

1.1 特殊地理环境下的积水成因机制

某矿山尾矿库作为百年老矿的遗留设施，其地质结构具有典型的“三层渗透” 特征：表层为 0.3-0.5 米厚的尾矿砂覆盖层，渗透系数大且结构松散；中层为 1-2 米厚的混合黏土层，存在裂隙发育；底层为基岩层，局部有断层构造。这种结构导致降水入渗呈现 “快速补给 - 缓慢排泄” 的特点 —— 当降雨量超过 50mm / 日时，雨水在 1 小时内即可通过表层尾矿砂渗入地下，经中层裂隙汇聚后，沿电缆井预埋管与井壁间隙流入井内。

1.2 电缆长期浸泡的绝缘劣化风险

光伏电站箱变电缆多采用 YJV22-8.7/15kV 型交联聚乙烯绝缘电缆，其设计绝缘电阻应≥ 1000MΩ（25℃时）。但在积水环境中，水分会通过电缆终端头密封缝隙、绝缘层微缺陷侵入，导致绝缘性能随浸泡时间呈指数级下降。

实验室模拟数据显示：在 30cm 水深环境中，电缆绝缘电阻变化呈现“三阶段衰减”特征：

初始阶段（1-7 天）：绝缘电阻从 1500MΩ 降至 800MΩ ，降幅47% ，主要因绝缘层表面吸潮；

中期阶段（8-30 天）：绝缘电阻从 800MΩ 降至 300MΩ ，降幅62% ，水分开始侵入绝缘内部；

劣化阶段（31 天以上）：绝缘电阻跌破 100MΩ 安全阈值，局部出现击穿点。

1.3 箱变湿度超标引发的设备故障链

箱式变压器内部的绝缘材料（如绝缘纸、垫块）对湿度极为敏感。当电缆井积水后，水体在日间受阳光照射升温，形成饱和水蒸气，通过箱变底部通风孔进入柜体内部，导致湿度持续攀升。监测数据显示：当电缆井积水深度达 50cm 时，箱变内部湿度在 24 小时内可从 50% 升至85% ，远超 40%-60% 的安全范围。

湿度超标将引发多重设备故障：

绝缘纸吸潮后介损因数从 0.005 增至 0.03（国标 ⩽0.01 ），导致局部放电量增大；

金属部件锈蚀速率加快，箱变门锁、散热片等构件的腐蚀深度从0.1mm/ 年增至 0.3mm/ 年；

温控器、继电器等电子元件触点氧化，误动率提升3 倍以上。

2. 水位安全自动检测及抽排水系统的技术方案

2.1 系统整体架构设计

该系统采用“监测- 控制- 执行”三级架构，核心组件包括：

监测层：在电缆井底部安装投入式液位变送器（测量范围 0-150cm ，精度 ±0.5cm），实时采集水位数据；配套温湿度传感器同步监测井内环境，避免单一参数误判。

控制层：采用 PLC 控制器（防护等级 IP65）作为核心，预设两级水位阈值：当水位达到 20cm （预警值）时，控制器发送短信告警至运维终端；达到 30cm （动作值）时，自动启动排水程序。

执行层：配置 1.5kW 潜水泵（流量 15m·/h，扬程 10m ），配套Φ 50mm 耐腐排水管，将积水排至厂区雨水管网。系统供电采用箱变低压侧220V 取电，配备12V 备用蓄电池，确保停电时仍能运行4 小时。

2.2 关键技术特性

自适应启停逻辑：设置 5cm 的回差水位（排水至 10cm 时停止），避免水泵频繁启停；根据季节调整动作阈值（雨季降至 25cm，旱季提高至 35cm）。

多重保护机制：水泵内置过热、过流保护，当检测到电机温度超过 85℃或电流异常时自动停机；液位传感器故障时，系统切换至定时

排水模式（每2 小时运行5 分钟）。

3. 系统安装实施与优化过程

3.1 前期调研与点位选择

2024 年 4-5 月（非汛期），运维团队对 32 台箱变电缆井进行了连续监测，采用 “积水频率- 深度- 危害度”三维评估模型确定安装点位：积水频率：统计30 天内积水天数 ⩾20 天的箱变；

积水深度：单次最大积水 ⩾50cm 的箱变；

危害度：靠近集水池（ ⩽200 米）或曾发生绝缘故障的箱变。

最终确定 #2、#3、#7-#12、#17-#20、#27 共 14 台箱变为安装对象，这些点位占全站箱变总数的 51.8% ，但集中了 90% 的积水风险。

3.2 定制化安装方案

针对尾矿库施工条件，采取三项专项措施：

防淤堵设计：在水泵进水口加装 5mm 孔径不锈钢滤网，底部设置10cm 高混凝土基座，避免尾矿砂吸入；

抗沉降安装：电缆井壁预埋 Φ8mm 膨胀螺栓，将控制器固定支架与井壁刚性连接，耐受 0.5mm/m 的沉降变形；

分时施工策略：选择22:00-6:00时段作业（此时段光伏组件不发电），每台箱变施工时间控制在4 小时内，避免影响发电量。

2024 年 6 月 15 日前完成全部安装，经调试后投入试运行。试运行期间（6 月 16-30 日），系统平均启动响应时间 15 秒，排水成功率100% ，未出现因施工导致的发电量损失。

4. 应用效果与经济效益分析

4.1 安全性能提升量化指标

系统投用后（2024 年7-12 月），通过对比历史数据（2023 年同期）发现：

电缆绝缘故障次数从5 次降至1 次，降幅 80% ；

箱变内部湿度超标时长从累计 120 小时降至 15 小时，降幅87.5% ；

因积水导致的非计划停机时长从48 小时降至6 小时，降幅 87.5% 。

2024 年汛期（6-9 月）遭遇 3 次强降雨（日降雨量 ⩾50mm ），系统累计自动启动排水 186 次，夜间排水占比 62% ，有效避免了传统人工巡检的时间盲区。

4.2 经济效益核算

直接成本节约：14 台箱变原需 2 名运维人员每日巡检排水，人工成本约 150 元 / 人・天，系统投用后可减少 1 人专职工作，半年节约人工成本 2.7 万元；水泵日均耗电 2.1kWh，半年电费约 800 元，综合节约成本2.62 万元。

间接收益增加：减少非计划停机 6 小时 / 半年，按上网电价 0.38元 /kWh 计算，增加发电量收益约 0.86 万元；延长电缆、箱变等设备寿命（预计延长1-2 年），年均减少设备更换成本约5 万元。

4.3 技术推广价值

该系统的成功应用验证了三项核心技术价值：

针对尾矿库高渗透环境的 “阈值动态调整” 算法，可直接应用于其他矿山修复光伏项目；

防淤堵、抗沉降的安装工艺，解决了松散土层中设备固定难题；

“监测 - 控制 - 执行”的模块化设计，单套系统造价控制在 8000元以内（含安装），投资回收期约1.5 年，具备经济可行性。

5. 结论与展望

某光伏电站的实践表明，水位安全自动检测及抽排水系统能有效破解特殊地质条件下的电缆井积水难题。通过实时监测、智能决策、自动执行的技术路径，该系统不仅降低了设备安全风险，更通过无人化运维提升了电站管理效率。

本研究证实，针对特殊地理环境的定制化技术方案，是光伏电站安全运维的关键。该系统的应用为“生态修复 + 新能源”项目的设备管理提供了技术范本，具有重要的推广价值。