同相供電裝置串聯(lián)電抗器測(cè)溫放電故障分析

胡明健，林偉宏，余 龍，鄺燦桐，程 鵬

（廣州白云電器設(shè)備股份有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

干式鐵心電抗器作為電力系統(tǒng)中重要的無功補(bǔ)償設(shè)備，其具有體積小、重量輕、外形美觀、接線方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，其主要用來限制短路電流及高次諧波，干式鐵心電抗器作為主要部件應(yīng)用在同相供電裝置，短路故障是常見的破壞性情況之一，直接威脅同相供電裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，干式鐵心電抗器測(cè)溫方式一般分為直接測(cè)溫和非直接測(cè)溫，直接測(cè)溫是通過對(duì)測(cè)溫線進(jìn)行絕緣加強(qiáng)后，將其固定放置于繞組內(nèi)部溫度最高的位置，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的精確測(cè)溫。但是由于繞組內(nèi)部工作溫度及電壓等級(jí)高，絕緣材料容易受高溫老化導(dǎo)致絕緣降低，發(fā)生擊穿后出現(xiàn)短路故障等嚴(yán)重后果。為了實(shí)現(xiàn)干式鐵心電抗器的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，本文依據(jù)一起因測(cè)溫缺陷引起的短路故障案例，對(duì)電抗器測(cè)溫發(fā)生故障全過程進(jìn)行剖析，擬選用非直接測(cè)溫方式進(jìn)行改進(jìn)，通過更換材料、提高絕緣、更換位置、降低定值四種措施，對(duì)改善既有測(cè)溫設(shè)計(jì)運(yùn)行工況所處的高溫環(huán)境，對(duì)提高電抗器運(yùn)行可靠具有重要意義。

1 故障描述

如圖1所示，同相供電裝置的一次回路主要由10 kV母線斷路器QF1，27.5 kV母線斷路器QF2，母線電容C，變流器H橋，牽引匹配變壓器TP，主接觸器KM1，輸入電抗器L組成，電抗器L屬于同相供電裝置中的主要部件，它串聯(lián)在功率單元和電網(wǎng)之間，俗稱串聯(lián)并網(wǎng)電抗器，串聯(lián)電抗器主要用來限制短路電流，同時(shí)限制流入電網(wǎng)的高次諧波，是成功并網(wǎng)的關(guān)鍵器件。

圖1 同相供電裝置一次原理圖

某地鐵線路主變電所，發(fā)生同相供電裝置保護(hù)故障停機(jī)，兩套同相供電裝置的串并聯(lián)側(cè)斷路器編號(hào)為207、208、223、224開關(guān)同時(shí)跳閘，故障告警顯示1＃同相供電裝置變流器報(bào)“串聯(lián)側(cè)3級(jí)過流”故障保護(hù)停機(jī)，2＃同相供電裝置變流器報(bào)“串聯(lián)側(cè)3級(jí)欠壓”故障保護(hù)停機(jī)。故障發(fā)生時(shí)刻，同相供電裝置室有異響及設(shè)備冒煙，經(jīng)檢查設(shè)備故障狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)1＃同相供電裝置柜頂冒煙，柜門處于開啟狀態(tài)。

2 故障檢查

2.1外觀檢查

該電抗器為單相串聯(lián)電抗器，型號(hào)為L(zhǎng)500A6M2－1PH（10 kV），容量487 kVar，采用整體浸漆生產(chǎn)工藝，在啟動(dòng)柜內(nèi)安裝，外殼采用防護(hù)絕緣板隔離。據(jù)值班員描述，在故障發(fā)生時(shí)，有異響及設(shè)備冒煙現(xiàn)象。故針對(duì)啟動(dòng)柜進(jìn)行重點(diǎn)排查，如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)電抗器二次測(cè)溫線的外部絕緣套管出現(xiàn)破損，在測(cè)溫線插入電抗器繞組的位置處嚴(yán)重的熏黑痕跡，判斷此處出現(xiàn)了短路故障。如圖3所示，啟動(dòng)柜前面板溫控儀外殼出現(xiàn)了拉弧跡象，有明顯的燒黑痕跡，判斷主回路上的短路故障與該溫控儀的二次回路有關(guān)聯(lián)。拆除電抗器外部的絕緣防護(hù)絕緣板，將測(cè)溫線及外部絕緣保護(hù)套管取出進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)電抗器其中一個(gè)繞組的溫度檢測(cè)二次測(cè)溫線纜已經(jīng)熔斷，包裹在溫度檢測(cè)二次測(cè)溫線纜外部的絕緣套管已經(jīng)破損，電抗器繞組外表面有明顯拉弧痕跡。

圖2 電抗器二次測(cè)溫線纜燒黑痕跡

2.2 試驗(yàn)檢查

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電抗器二次測(cè)溫線和外部熱縮套管出現(xiàn)破損，是故障的主要短路點(diǎn)，電抗器外觀有明顯的熏黑痕跡，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電抗器進(jìn)行電感量及絕緣電阻測(cè)試，電感測(cè)試結(jié)果為6.29 mH，絕緣電阻為105 GΩ，試驗(yàn)結(jié)果正常，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示電抗器本體電氣參數(shù)正常，初步判定為電抗器線圈絕緣無損壞。

通過獲取電能質(zhì)量屏故障錄波數(shù)據(jù)，如圖4所示，從牽引變M座和T座功率輸出波形圖可以看出故障時(shí)刻1＃同相供電裝置同相供電裝置輸出功率大于5 MW基本處于滿功率運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 牽引變M座和T座功率輸出波形圖

如圖5所示，第一坐標(biāo)波形中綠色為T座電壓，紅色為M座電壓，第二坐標(biāo)波形紅色為1＃串聯(lián)側(cè)電流，故障發(fā)生前同相供電設(shè)備電壓、電流波形及參數(shù)沒有發(fā)現(xiàn)異常情況，設(shè)備內(nèi)部各部位溫濕度處于正常范圍。故障發(fā)生時(shí)串聯(lián)側(cè)電流迅速增大，從波形圖可以看出故障時(shí)刻串聯(lián)側(cè)的電流超過保護(hù)定值，觸發(fā)了1＃裝置的瞬時(shí)過流故障保護(hù)，與故障時(shí)1＃同相供電裝置變流器報(bào)“串聯(lián)側(cè)3級(jí)過流”故障吻合，同時(shí)故障時(shí)T座電壓迅速降低到接近于0，大概持續(xù)50 ms，可以判斷此時(shí)是出現(xiàn)了對(duì)地短路，與2＃同相供電裝置變流器報(bào)“串聯(lián)側(cè)3級(jí)欠壓”故障吻合。

圖5 故障錄波數(shù)據(jù)

3 故障原因分析

電抗器上安裝的測(cè)溫裝置主要包括兩部分，前端測(cè)溫裝置及溫控儀，前端測(cè)溫裝置由感溫線、感溫探頭、二次線纜組成，每條感溫線長(zhǎng)度約5 m，末端裝有1個(gè)感溫探頭，安裝時(shí)將感溫線外部包一層絕緣熱縮管保護(hù)后，與環(huán)氧管套裝布置在電抗器本體鐵心與繞組之間，并在環(huán)氧管底部加入工字撐條，用環(huán)氧膠端封。電抗器布置2條測(cè)溫線，分別對(duì)電抗器A、B柱繞組進(jìn)行測(cè)溫。現(xiàn)場(chǎng)檢查，感溫線采用材質(zhì)為ZR－AVVR聚氯乙烯護(hù)套銅芯阻燃電纜，經(jīng)查閱相關(guān)資料，該種型號(hào)線纜耐熱等級(jí)較低，由于感溫線通過環(huán)氧管布置在電抗器鐵心與線包之間，線圈繞組正常工作電壓等級(jí)10 kV，在額定負(fù)荷電抗器內(nèi)部溫度不低于110℃，感溫線與環(huán)氧管長(zhǎng)期處于高溫高壓環(huán)境，加速了絕緣老化。

為進(jìn)一步明確故障原因，將故障電抗器進(jìn)行了徹底的解體檢查。電抗器解體前對(duì)該電抗器進(jìn)行電感量、絕緣電阻相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，出廠前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。通過對(duì)故障電抗器進(jìn)行解體檢查，解體時(shí)從外層包封向內(nèi)逐層切割，當(dāng)切割到最內(nèi)層包封時(shí)，發(fā)現(xiàn)二次測(cè)溫線的感溫探頭處對(duì)應(yīng)環(huán)氧管位置有擊穿的痕跡，如圖6、7所示，靠近環(huán)氧管封裝處有大面積熏黑的現(xiàn)象，確認(rèn)故障位置為二次感溫線終端對(duì)電抗器本體線圈放電。電抗器外部線圈絕緣完好，只有二次測(cè)溫線終端及環(huán)氧管出現(xiàn)絕緣損壞及放電燒損。

圖6 電抗器拆解環(huán)氧管燒損位置

圖7 電抗器拆解線圈擊穿位置

從電抗器解體情況來看，電抗器各層線圈包封絕緣良好，不存在匝間絕緣老化的現(xiàn)象，排除了異物進(jìn)線圈造成匝間短路的可能。線圈匝間浸漆留有一定的間隙，是作為風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱的氣道，因此不存在制造工藝不良的問題。拆解發(fā)現(xiàn)故障短路點(diǎn)存在于電抗器內(nèi)部，電抗器所采用的環(huán)氧管為F級(jí)，耐溫等級(jí)為155℃，內(nèi)部鐵心常規(guī)工作溫度為110℃，由此可見造成電抗器二次回路內(nèi)部線圈放電的原因是，由于預(yù)埋在電抗器內(nèi)部感溫線及環(huán)氧管長(zhǎng)期處于高溫高電壓環(huán)境，加速了環(huán)氧管老化降低了絕緣強(qiáng)度，導(dǎo)致了二次測(cè)溫線與線圈一次回路放電。當(dāng)一次繞組上的線圈與二次測(cè)溫線之間的絕緣不足時(shí)，就出現(xiàn)了一次線圈對(duì)二次測(cè)溫線的放電，同時(shí)由于二次測(cè)溫線連接到溫控儀，測(cè)溫線的公共信號(hào)點(diǎn)與溫控儀的外殼連通，溫控儀的外殼與接地系統(tǒng)連接，即線圈一次回路對(duì)二次測(cè)溫線，相當(dāng)于線圈一次回路對(duì)地放電，故產(chǎn)生了電感線圈繞組對(duì)地短路故障。

通過以上分析，造成此次電抗器故障的原因，由于二次測(cè)溫采樣回路線纜置于電抗器內(nèi)部，在強(qiáng)磁場(chǎng)下因渦流產(chǎn)生溫升，導(dǎo)致環(huán)氧管老化絕緣破損，破壞了電抗器本體絕緣出現(xiàn)匝間放電，造成了二次測(cè)量回路與線圈一次回路放電導(dǎo)致短路燒損及故障保護(hù)跳閘。衍生的問題為電抗器溫控器出現(xiàn)高壓放電并損壞、通訊管理機(jī)故障。故障原因有以下幾點(diǎn)：（1）電抗器繞組工作溫度較高，選用的測(cè)溫線耐溫等級(jí)不夠，高溫環(huán)境使得測(cè)溫線出現(xiàn)了絕緣老化；（2）測(cè)溫線通過外層包裹絕緣熱縮管加強(qiáng)絕緣，再插入環(huán)氧管內(nèi)部，環(huán)氧管和絕緣熱縮管在長(zhǎng)期的工作環(huán)境下也會(huì)產(chǎn)生絕緣老化；（3）采用直接測(cè)溫的方式，由于測(cè)溫線通過溫控儀與系統(tǒng)的地有連接，當(dāng)出現(xiàn)了繞組線圈對(duì)二次測(cè)溫線放電時(shí)，其實(shí)是在對(duì)地放電，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的故障后果。

4 解決方案

大功率電抗器和變壓器等設(shè)備，由于長(zhǎng)時(shí)間大功率運(yùn)行，繞組和鐵心溫度會(huì)處于一個(gè)比較高的范圍，如果溫度高于所采用的絕緣材料的耐受范圍就會(huì)對(duì)設(shè)備造成絕緣損壞，長(zhǎng)期會(huì)造成絕緣擊穿等嚴(yán)重問題，所以必須對(duì)繞組和鐵心的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)溫度異常時(shí)采取可靠保護(hù)措施。

電抗器和變壓器的測(cè)溫一般分為直接測(cè)溫和非直接測(cè)溫，本文中的電抗器本來采用的是直接測(cè)溫的方式，就是通過對(duì)測(cè)溫線進(jìn)行絕緣加強(qiáng)后，將其固定放置于繞組內(nèi)部溫度最高的位置，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的精確測(cè)溫。但由于內(nèi)部工作電壓等級(jí)高，絕緣材料因高溫老化等原因逐漸降低絕緣能力后，很可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的后果。另一種測(cè)溫方式是非直接測(cè)溫，通過測(cè)量繞組的某一位置的實(shí)時(shí)溫度，結(jié)合整個(gè)繞組的溫度關(guān)系，來間接得出繞組最高溫度，這種方法的測(cè)溫誤差偏大，適用于溫度保護(hù)有足夠余量的場(chǎng)合。

電抗器本體材質(zhì)采用H級(jí)絕緣材料，允許工作溫度為180℃，電抗器正常滿載工作溫度為110℃左右，距離絕緣材料允許溫度裕度較大，溫控的保護(hù)設(shè)定值150℃也距離允許溫度裕度較大，經(jīng)過綜合分析及論證，擬采用另一種可靠的非直接測(cè)溫解決方案：（1）更換溫控儀及測(cè)溫線，測(cè)溫線的保護(hù)套選擇耐高溫材質(zhì)，測(cè)溫線可靠運(yùn)行的最高溫度范圍達(dá)240℃，遠(yuǎn)高于繞組實(shí)際溫度；（2）增加測(cè)溫線的絕緣處理，由單層環(huán)氧管絕緣處理方式改為環(huán)氧管內(nèi)部增加鐵弗龍管，進(jìn)一步加強(qiáng)二次測(cè)溫線回路與一次繞組線圈回路之間的絕緣強(qiáng)度；（3）更換測(cè)溫線預(yù)埋位置，由電抗器內(nèi)部更改為電抗器外部，將二次測(cè)溫線放置到外部，徹底杜絕了二次測(cè)溫線回路與一次繞組之間出現(xiàn)絕緣擊穿的路徑，防止測(cè)溫線再次對(duì)電抗器線圈放電；（4）降低保護(hù)定值有效保護(hù)電抗器，滿載時(shí)新測(cè)溫點(diǎn)溫度為76℃左右，可嘗試將溫控儀超溫告警點(diǎn)由原來130℃調(diào)整為100℃，超溫故障保護(hù)墊由原來150℃調(diào)整為120℃，通過降低保護(hù)定值確保在電抗器運(yùn)行溫度超出設(shè)備運(yùn)行范圍后可以正確采取可靠的保護(hù)措施，以保證適應(yīng)電抗器運(yùn)行過程中的高溫高電壓環(huán)境，并消除運(yùn)行缺陷。

5 結(jié)束語(yǔ)

干式鐵心電抗器屬于同相供電裝置一次回路重要組成部分，其運(yùn)行是否穩(wěn)定將直接影響同相供電裝置對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序及諧波治理、無功補(bǔ)償。電抗器一旦出現(xiàn)了燒毀故障，沒有辦法現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)，必須要停電進(jìn)行整體更換，其檢修時(shí)間和難度也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它故障缺陷，耗費(fèi)大量人力物力，故有必要對(duì)電抗器的故障進(jìn)行研究，以降低運(yùn)行故障率。本文以一起電抗器因測(cè)溫缺陷引起的短路故障案例，按照故障檢查、分析、總結(jié)三個(gè)方面分析了干式鐵心電抗器造成短路故障的經(jīng)過及處理，分析出直接測(cè)溫方式設(shè)計(jì)不合理是造成本次故障的直接原因，并衍生電抗器溫控器、通訊管理機(jī)故障。文末提出了另一種非直接測(cè)溫解決方案，通過更換測(cè)溫線材質(zhì)及優(yōu)化預(yù)埋位置，可以改善運(yùn)行工況所處的高溫環(huán)境，使電抗器測(cè)溫能夠在原來的基礎(chǔ)上穩(wěn)定運(yùn)行，無需擔(dān)心電抗器再次發(fā)生故障影響同相供電設(shè)備停機(jī)，非直接測(cè)溫解決方案優(yōu)化效果有待后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施觀察。