一起35kV空心電抗器故障原因分析及預(yù)防措施

魏 敏

（泉州億興電力有限公司，福建 泉州 362000）

一起35kV空心電抗器故障原因分析及預(yù)防措施

魏 敏

（泉州億興電力有限公司，福建 泉州 362000）

本文針對(duì)一起35kV空心電抗器運(yùn)行中發(fā)生故障燒毀的情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查和返廠解體并進(jìn)行諧波測(cè)試和分合閘過(guò)電壓測(cè)試分析，得知故障原因?yàn)椋憾啻瓮肚袝r(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓對(duì)電抗器匝間絕緣產(chǎn)生不利影響，由于累積效應(yīng)，造成電抗器匝間絕緣破壞，最終導(dǎo)致電抗器燒毀。針對(duì)本次故障原因分析，提出了相應(yīng)的預(yù)防和處理措施：提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善安裝工藝；加強(qiáng)試驗(yàn)和運(yùn)行監(jiān)測(cè)；降低操作過(guò)電壓值等預(yù)防和處理措施，從而提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

空心電抗器；燒毀；分、合閘過(guò)電壓；預(yù)防和處理措施

干式空心電抗器沒(méi)有鐵心，以空氣作為磁介質(zhì)，沒(méi)有限制性磁回路，由多個(gè)并聯(lián)的線圈包封組成。每個(gè)包封由環(huán)氧樹(shù)脂浸漬過(guò)的玻璃纖維對(duì)線圈進(jìn)行包封絕緣，整體性強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高，不帶任何鐵心，不存在磁飽和問(wèn)題，因此在電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。電抗器與電容器組相串聯(lián)，組成諧振回路，濾除高次諧波，對(duì)其他諧波有抑制作用，降低電力系統(tǒng)的電壓波形畸變，同時(shí)可減少電容器的涌流，達(dá)到保護(hù)電容器的作用；但在運(yùn)行過(guò)程中，常因受絕緣老化、過(guò)電壓、諧波以及環(huán)境影響等因素，導(dǎo)致電抗器匝間絕緣受到破壞，甚至燒毀現(xiàn)象的發(fā)生[1-5]。

1 故障概況

1.1 故障情況

2015年1月20日22時(shí)，局500kV站#2主變中35kV 23L電抗器組過(guò)流Ⅱ保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)23L電抗器組236開(kāi)關(guān)，運(yùn)行人員檢查發(fā)現(xiàn)23L電抗器組A相本體起火燃燒，起火面積超2/3，一側(cè)接頭完全燒毀，現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)無(wú)法對(duì)該相電抗器進(jìn)行相關(guān)電氣試驗(yàn)。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)檢查

事故發(fā)生后，組織專業(yè)技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)A相電抗器燒毀，如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)情況如下。

1）對(duì)站內(nèi)相關(guān)避雷器按國(guó)標(biāo)GB 11032—2010要求做了相關(guān)檢查和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示避雷器外觀完好，計(jì)數(shù)器正常，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合國(guó)標(biāo)要求，避雷器沒(méi)有動(dòng)作情況，且故障期間站內(nèi)沒(méi)有操作記錄，可知23L電抗器組起火之前系統(tǒng)未出現(xiàn)過(guò)電壓。

2）35kV 23L并聯(lián)電抗器組保護(hù)裝置過(guò)流Ⅱ段整定值為0.6A（二次值）、出口時(shí)間0.5s。35kV 23L并聯(lián)電抗器A相本體發(fā)生匝間短路故障后，故障電流為1199.54A（一次值），達(dá)到過(guò)流Ⅱ段整定值，經(jīng)507ms出口跳閘，46ms切除故障點(diǎn)。

3）電抗器組采用單臺(tái)獨(dú)立安裝，相間距離較大，且電抗器組處于變電站的中心地帶，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)飄掛物的痕跡，可排除發(fā)生相間絕緣擊穿故障。電抗器支柱絕緣子良好，電抗器組A相與地面之間沒(méi)有放電痕跡，且最早冒煙燃燒位置在頂部，可排除發(fā)生直接接地故障。

圖1 23L電抗器組A相燒損情況

2 故障原因分析

2.1 設(shè)備解體檢查

1）將發(fā)生故障的35kV 23L并聯(lián)電抗器A相進(jìn)行返廠解體，發(fā)現(xiàn)該電抗器上星形架鋁排已經(jīng)燒熔，防雨帽也被燒毀；第1—19包封的上、下端均被燒壞，燒壞范圍垂直距離在300mm以內(nèi)。

剖開(kāi)線圈第15包封，該包封下端有比較明顯的鋁線熔斷后燒開(kāi)裂的口子、導(dǎo)線熔斷裂口帶，長(zhǎng)約320mm，裂口最寬處約60mm，如圖2（a）所示。剖開(kāi)線圈第16包封（從外往里數(shù)），該包封下端有更加明顯的鋁線熔斷裂口，且與15包封受損處相呼應(yīng)，如圖2（b）所示。

2.2 故障情況分析

通過(guò)解體檢查，可以對(duì)故障原因做以下分析。

1）發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)在電抗器第16包封的下端，直接故障原因?yàn)樵验g短路。匝間短路產(chǎn)生的電弧致使第15和第17包封相應(yīng)位置的匝間遭受絕緣破壞。

圖2 第15、16包封

2）檢查發(fā)現(xiàn)35kV 23L并聯(lián)電抗器額定電壓35kV，額定電流742A，額定電抗值為22.75Ω，額定頻率50Hz；設(shè)置了電流速斷保護(hù)，過(guò)電流保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)。

由1.2節(jié)可知A相電抗器故障電流為Iop= 1199.54A，由以上計(jì)算可知，Iop＜Iop1，故I段保護(hù)未動(dòng)作；而Iop處于Iop2的整定范圍內(nèi)，故Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，切除故障點(diǎn)；由于差動(dòng)保護(hù)反應(yīng)不出電抗器匝間故障（僅能保護(hù)電抗器引下線相間短路），故差動(dòng)保護(hù)也未動(dòng)作；由此可以看出保護(hù)整定值正確，保護(hù)動(dòng)作正確。

3）可以推測(cè)，當(dāng)15、16、17包封發(fā)生匝間短路后，部分線圈的自感抗發(fā)生變化，同時(shí)線圈之間的互感也隨之改變，打破了電抗器運(yùn)行的平衡狀態(tài)，電抗器的電抗值逐漸降低，流過(guò)電抗器的電流由額定值開(kāi)始上升，直至到達(dá)1200A（此時(shí)折算出的電抗值為16.84Ω）。從電抗器開(kāi)始燃燒到保護(hù)跳閘這段過(guò)程中，火勢(shì)慢慢加強(qiáng)，由于煙囪效應(yīng)，電抗器上部產(chǎn)生更高的溫度，使電抗器上端部燃燒起來(lái)。

2.3 試驗(yàn)分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證上一小節(jié)故障情況分析的準(zhǔn)確性，分別對(duì)未燒毀的B、C電抗器做了匝間絕緣缺陷試驗(yàn)，并對(duì)35kV 2M母線進(jìn)行了諧波測(cè)試和過(guò)電壓測(cè)試。

1）B、C相電抗器匝間絕緣測(cè)試

根據(jù)IEEE Std C57.21—2008，采用脈沖電壓法檢驗(yàn)23L電抗器組非故障相是否存在匝間絕緣缺陷問(wèn)題[7]。使用示波器觀察的23L電抗器組B、C相上的電壓波形，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。對(duì)B相電抗器施加35kV電壓時(shí)，電抗器上電壓的衰減周期T=102.6μs；施加電壓為128kV時(shí)，T=102.6μs，在試驗(yàn)過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)電壓波形和全電壓試驗(yàn)時(shí)的電壓波形過(guò)零點(diǎn)重合，振蕩頻率相同；同樣方法測(cè)C相，得到的試驗(yàn)值和B相類似。綜上所述，23L電抗器組B、C相匝間絕緣狀態(tài)良好。

圖3 試驗(yàn)電壓波形

2）母線諧波測(cè)試

為排除電抗器因諧波造成過(guò)熱燒毀，對(duì)35kV 2M母線進(jìn)行了諧波測(cè)試。采用三相四線接線方式，以10周波為基本測(cè)試周期，每30s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)電壓諧波、電流諧波，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 電壓諧波測(cè)試結(jié)果

表2 電流諧波測(cè)試結(jié)果

對(duì)35kV電壓等級(jí)，參考國(guó)標(biāo)《GB/T 14549—93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》，對(duì)本次測(cè)試的結(jié)果（95%概率值）進(jìn)行分析?？梢钥闯?，電壓諧波合格，電流諧波水平較低，電抗器不會(huì)因?yàn)橹C波而產(chǎn)生過(guò)熱燒毀[8]。

3）母線過(guò)電壓測(cè)試

在投切并聯(lián)電抗器時(shí)，多頻次投切產(chǎn)生的過(guò)電壓累積效應(yīng)對(duì)絕緣的損害是極其嚴(yán)重的，造成電抗器匝間絕緣老化，逐步損傷匝間絕緣性能[9-11]。對(duì)35kV 2M母線投切23L并聯(lián)電抗器時(shí)的過(guò)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)接線如圖4所示，測(cè)量點(diǎn)及測(cè)試內(nèi)容見(jiàn)表3。

圖4 過(guò)電壓測(cè)試系統(tǒng)接線

表3 測(cè)量點(diǎn)及測(cè)試內(nèi)容

在試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行多次分合閘操作，合閘過(guò)電壓和分閘過(guò)電壓測(cè)試結(jié)果隨機(jī)抽取10組，分別見(jiàn)表4、表5。

表4 合閘過(guò)電壓測(cè)試結(jié)果

表5 分閘過(guò)電壓測(cè)試結(jié)果

3 預(yù)防措施

針對(duì)本次故障暴露的問(wèn)題，需采取相應(yīng)的預(yù)防措施，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

3.1 提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善安裝工藝

1）選用電抗器線圈質(zhì)量好，工藝水平高，散熱效果好，絕緣材料等級(jí)高（達(dá)到F級(jí)，涂層采用PRTV涂料），符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的電抗器品牌。

2）選擇具有先進(jìn)監(jiān)測(cè)手段的電抗器，例如在電抗器內(nèi)部埋置熱電偶傳感器或埋置Bragg光柵傳感器來(lái)測(cè)量電抗器風(fēng)道溫度，利用無(wú)線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)；也可利用紅外測(cè)溫技術(shù)監(jiān)測(cè)電抗器表面溫度。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)缺陷或異常時(shí)及時(shí)采取措施[13-14]。

3）電抗器采用疊裝結(jié)構(gòu)安裝，可有效防止電抗器由單相故障發(fā)展為相間故障。

3.2 加強(qiáng)試驗(yàn)和運(yùn)行監(jiān)測(cè)

1）加強(qiáng)檢驗(yàn)和試驗(yàn)，例如可采用局部放電監(jiān)測(cè)法診斷干式空心電抗器存在的絕緣缺陷，也可以利用匝間過(guò)電壓試驗(yàn)法對(duì)電抗器的匝間絕緣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)波形對(duì)比方法判斷是否存在絕緣故障[15-19]。

2）運(yùn)行期間應(yīng)增加巡視和監(jiān)測(cè)次數(shù)，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)處理和維護(hù)。

3.3 降低操作過(guò)電壓值

高壓真空斷路器投切電抗器時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，針對(duì)感性負(fù)載操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，可采取如下措施提高電網(wǎng)質(zhì)量。

1）用避雷器保護(hù)，可降低過(guò)電壓幅值，將過(guò)電壓抑制在避雷器殘壓范圍內(nèi)，但相間仍承受較高的過(guò)電壓，過(guò)電壓陡坡不能得到緩解，頻率響應(yīng)也不夠高，且對(duì)復(fù)燃過(guò)電壓抑制效果不好。

2）電抗器兩端并聯(lián)阻容吸收器，增大振蕩回路電容，降低振蕩幅值和振蕩頻率，降低繞組匝間的電位梯度。

3）在電容回路中串聯(lián)電阻器，消耗振蕩能量。

4）在母線上增設(shè)阻容吸收器，抑制母線高頻振蕩的操作過(guò)電壓。在母線側(cè)安裝阻容吸收器效果較好（可選RC參數(shù)為0.05/100Ω），它通常可以將過(guò)電壓水平限制到較低水平。

5）采用組合式保護(hù)方式，即ZnO避雷器和RC保護(hù)裝置結(jié)合，即可抑制分、合閘過(guò)程產(chǎn)生的過(guò)電壓，又可以限制系統(tǒng)故障產(chǎn)生的高幅值切斷過(guò)電壓，效果比前幾種更好[20]。

4 結(jié)論

通過(guò)檢查、解體及試驗(yàn)可以總結(jié)故障原因如下：多次投切時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓對(duì)電抗器匝間絕緣產(chǎn)生不利影響，由于累積效應(yīng)，造成電抗器匝間絕緣破壞，最終導(dǎo)致電抗器燒毀。通過(guò)本次電抗器故障的原因分析，本文提出了相應(yīng)的預(yù)防和處理措施：①提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善安裝工藝；②加強(qiáng)試驗(yàn)和運(yùn)行監(jiān)測(cè)；③降低操作過(guò)電壓值等。通過(guò)以上措施，能保證電抗器安全運(yùn)行，也最大限度的滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行的要求。

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Failure Analysis and Preventive Measures of the 35kV Core Reactor

Wei Min
(Quanzhou Yixing Electric Power Co., Ltd, Quanzhou, Fujian 362000)

According to the 35kV reactor which burned in operation, harmonic test and swithing overvoltage test were adopted based on the on-site inspection and disintegration, cause of issue: multi frequency switching over voltage reactor can produce cumulative effect on reactor, due to the cumulative effect, resulting inter-turn insulation damage, cause burning reactor. For this reason the reactor failure analysis, put forward the corresponding prevention and treatment measures: to improve product quality, improve the installation process; strengthen testing and operation monitoring, reduce operational over-voltage and other prevention and treatment measures to improve the reliability of power grid operation.

core reactor; burned failure; switching overvoltage; prevention and treatment measures

魏 敏（1979-），男，工程師，工程碩士，從事電力、電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和智能化研究工作。