干式空心電抗器故障原因及解體試驗分析

王 靜，張 欣，黃榮輝

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001)

干式空心電抗器故障原因及解體試驗分析

王 靜，張 欣，黃榮輝

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001)

干式空心電抗器故障燒毀事故嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行.為了探尋干式空心電抗器在線運行事故原因，結(jié)合現(xiàn)場運行干式空心電抗器典型事故，從理論上分析了包封受潮和過電壓兩方面造成干式空心電抗器故障的機(jī)理；對深圳電網(wǎng)某故障干式空心電抗器進(jìn)行了解體試驗，對相繞組進(jìn)行了直阻、電抗值和脈沖振蕩波試驗.解體試驗結(jié)果顯示，干式空心電抗器均存在三相繞組匝間短路現(xiàn)象，且脈沖振蕩波試驗對檢測電抗器匝間短路缺陷具有較高的靈敏度.最后基于理論分析和試驗數(shù)據(jù)提出了干式空心電抗器故障應(yīng)對措施.

干式空心電抗器；匝間絕緣失效；脈沖振蕩波試驗；電抗器故障

無功補(bǔ)償裝置合理配置是優(yōu)化電壓、降低電網(wǎng)系統(tǒng)損耗的重要手段.為了提高功率因數(shù)，減少電能損耗，增強(qiáng)供電能力，國內(nèi)在500kV系統(tǒng)的變壓器低壓側(cè)安裝了大量低壓電抗器和電容器組，用以調(diào)整系統(tǒng)電壓[1].干式空心電抗器因干式無油、安裝簡單、維護(hù)量小和運行成本低等優(yōu)點被廣泛使用[2]，但在運行中也存在不少問題，如繞組絕緣擊穿引起保護(hù)跳閘甚至燒毀電抗器[3].

深圳地區(qū)處于沿海地帶，空氣濕度大、鹽密大，電抗器材料容易受潮，對電抗器絕緣的破壞威脅較大，近兩年來深圳電網(wǎng)電抗器故障率偏高.本文針對深圳電網(wǎng)故障電抗器進(jìn)行故障統(tǒng)計及理論分析，開展干式空心電抗器解體試驗，總結(jié)干式空心電抗器的絕緣失效規(guī)律，并提出干式空心電抗器運維改善措施，對電力系統(tǒng)干式空心電抗器的運行維護(hù)工作具有一定參考.

1 干式空心電抗器現(xiàn)場故障分析

干式空心電抗器損壞大部分外在表現(xiàn)為電抗器起火燒毀.導(dǎo)致起火燒毀的直接原因是匝間絕緣失效后形成“短路環(huán)”，“短路環(huán)”在漏磁感應(yīng)電勢作用下產(chǎn)生短路環(huán)流，環(huán)流使得短路線匝大量發(fā)熱，絕緣加速老化，引發(fā)繞組匝間短路的“雪崩效應(yīng)”，絕緣材料起火，最終造成電抗器燒毀[4-5].結(jié)合深圳電網(wǎng)電抗器的實際運行情況，電抗器匝間絕緣失效的原因主要包括電抗器包封受潮和過電壓累積效應(yīng)[6].

1.1 過電壓造成繞組匝間絕緣損傷

1.1.1 電抗器截流過電壓形成

電抗器分閘過程的單相等值回路如圖1所示.圖1中，US為系統(tǒng)等效電壓源，LS為系統(tǒng)電源等值電感，CS為系統(tǒng)電源等值電容，L為電抗器單相等值電感，CL為電抗器的等值對地電容，LP和CP為斷路器的等值電感和等值電容.假設(shè)t=t0時，斷路器的兩觸頭分離，采用斷路器的截流值為Ich，此時電抗器等值電容電壓為U0.

圖1 電抗器分閘過程單相等值回路圖Fig.1 Single equivalent circuit of break-brake process of the reactor

(2)從能量的角度闡述，電感負(fù)載被開斷時的振蕩過程是電磁能量相互轉(zhuǎn)換的過程.當(dāng)回路的總電磁場能完全轉(zhuǎn)化為電場能時，電抗器的等值電容CL上的最大電壓值為截流過電壓Um，如公式(1)所示：

(1)

以U0為基準(zhǔn)電壓，電抗器分閘最高過電壓倍數(shù)，如公式(2)所示：

(2)

由公式(2)可知，影響電抗器分閘過電壓的主要因素有：

1)電抗器等值電感量的大小、連接設(shè)備的對地雜散電容量；

2)截斷電流值，當(dāng)電流在接近峰值處被截斷時，過電壓倍數(shù)最大，一般為2～3倍額定電壓.

1.1.2 過電壓導(dǎo)致電抗器現(xiàn)場事故

由1.1.1節(jié)可知，斷路器對電抗器每投切一次，電抗器就要承受一次過電壓，電抗器的絕緣就要經(jīng)受一次破壞.當(dāng)投切足夠次數(shù)后，過電壓對電抗器絕緣累積破壞達(dá)到極限，從而導(dǎo)致電抗器事故.

如表1所示，3起電抗器在投切后較短的時間內(nèi)發(fā)生故障，具體情況統(tǒng)計如表2所示.電抗器在投切后30min以內(nèi)發(fā)生故障，可認(rèn)為是由于投切過電壓造成電抗器匝間絕緣損傷已達(dá)到最大限度，最終導(dǎo)致絕緣失效，造成匝間短路，引起電抗器發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致電抗器故障.

如表1所示，由于故障前電抗器已經(jīng)投切了幾百次甚至上千次，多次投切過電壓對電抗器絕緣損壞具有累積作用，當(dāng)絕緣損壞到達(dá)一定程度時，開關(guān)再一次進(jìn)行投切動作時，電抗器絕緣被完全破壞，電抗器將在投運后短時間內(nèi)產(chǎn)生故障.

表1 故障電抗器投切情況統(tǒng)計
Tab.1 Statistical data of the switching process of the reactor

變電站功能位置動作時間故障前動作次數(shù)運行持續(xù)時間500kV變電站電容器組串聯(lián)電抗器35DK2012-06-227092min10s500kV變電站電容器組串聯(lián)電抗器17DK2013-03-0814933min20s500kV變電站電容器組串聯(lián)電抗器32DK2013-03-2452622s

1.2 包封受潮導(dǎo)致電抗器現(xiàn)場事故

2012年6月22日，某500kV變電站35kV串聯(lián)電抗器35DK燒毀后的電抗器現(xiàn)場圖片如圖2所示.

圖2 電抗器現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.2 Practical picture of the reactor

如圖2所示，該電抗器燒毀最嚴(yán)重的位置是電抗器A相的最外層包封.最外層包封未采取遮擋措施，長時間遭受陽光直射，大大加快包封外層絕緣材料的老化，甚至造成包封表面裂縫，一旦遇到陰雨天，潮氣與粉化后的環(huán)氧樹脂接觸，將危害導(dǎo)線匝間絕緣，造成匝間短路[7].

結(jié)合深圳電網(wǎng)2011年至2013年電抗器故障資料和深圳氣象局網(wǎng)站記錄的電抗器故障時的天氣情況，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示.近年來，除了2012年1月1日22DK電抗器故障時的天氣是晴天外，其余電抗器故障時的天氣均屬于多云、雷雨的潮濕天氣.

現(xiàn)場運行的電抗器長時間暴露于戶外，長時間運行后，電抗器外層絕緣材料將老化，加上外表面污物沉積，將在外層包封形成污層.澆注的環(huán)氧樹脂線包經(jīng)過粉化，有可能發(fā)生斷裂，雨水或潮氣從裂縫中浸入導(dǎo)線，就會造成匝間短路.可見，包封受潮是造成干式空心電抗器故障的直接原因之一.

表2 2011年至2013年電抗器故障統(tǒng)計
Tab.2 Failure statistics of the reactor from 2011 to 2013

變電站發(fā)現(xiàn)時間投運時間天氣狀況功能位置500kV某變電站12011-09-171997-09-19陣雨多云電容器組串聯(lián)電抗器44DK500kV某變電站12011-12-011997-09-19多云電容器組串聯(lián)電抗器46DK500kV某變電站22012-01-012005-11-17晴并聯(lián)電抗器22DK220kV某變電站32013-08-082005-05-01多云10kV1C3電容器組A相串聯(lián)電抗器500kV某變電站42012-06-222004-12-01中雨電容器組串聯(lián)電抗器35DK500kV某變電站42013-03-082004-11-01多云電容器組串聯(lián)電抗器17DK500kV某變電站42013-03-242004-12-01雷雨多云電容器組串聯(lián)電抗器32DK

(a)解體前外觀 (b)第一層繞組 (c)第二層繞組圖3 故障電抗器損傷圖片F(xiàn)ig.3 Pictures of damaged reactors

2 故障電抗器解體試驗結(jié)果分析

2013年3月8日，深圳某變電站35kV串聯(lián)電抗器17DK有異響，設(shè)備停運后，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)C相匝間短路，設(shè)備損毀嚴(yán)重.現(xiàn)場檢查結(jié)果顯示：電抗器本體C相線圈外包封已燒黑.該電抗器于2004年1月投運，額定容量2004kVar，額定電流607A，額定電抗1.888Ω.為深入研究電抗器內(nèi)部故障原因，對電抗器進(jìn)行解體分析.

2.1 電抗器解體結(jié)果分析

電抗器解體照片如圖3所示.從外觀看，C相外包封燒損最嚴(yán)重，初步判斷是外包封繞組匝間短路造成.鋸開C相線圈第一層繞組和第二層繞組，發(fā)現(xiàn)第一層繞組的絕緣玻璃布有兩處燒毀比較嚴(yán)重的黑洞，線匝外包絕緣已基本燒熔；同時發(fā)現(xiàn)第二層繞組和第一層繞組相重合的地方也有明顯燒損痕跡.

2.2 A、B相線圈試驗結(jié)果

A、B兩相線圈外表基本完好，但無法判定是否故障.因此，為了深入研究A、B兩相線圈故障情況，分別對這兩相線圈開展直阻、電抗值和脈沖振蕩波試驗[8].A、B兩相線圈的直流電阻、電抗值測試結(jié)果如表3、表4所示.

表3 A相線圈試驗數(shù)據(jù)
Tab.3 Test data of phase A core

A相繞組直流電阻/Ω電抗/Ω電感/mH電感初值/mH試驗前0.01301.80875.7575.766試驗后0.01301.81065.7635.766

表4 B相線圈試驗數(shù)據(jù)
Tab.4 Test data of phase B core

B相繞組直流電阻/Ω電抗/Ω電感/mH電感初值/mH試驗前0.012691.7325.5155.766試驗后0.012721.7335.5185.766

針對A相繞組開展脈沖振蕩試驗，加20%額定電壓作為參考電壓波形，依次升高到30%額定電壓、40%額定電壓、50%額定電壓，如圖4(a)所示.

(a) A相繞組脈沖振蕩波試驗波形

(b) B相繞組脈沖振蕩波試驗波形圖4 A、B兩相繞組脈沖振蕩試驗電壓波形Fig.4 The applied pulse oscillator voltage waveform of phase A and B

圖4(a)中，縱坐標(biāo)每隔電壓為5000V.由圖4(a)可知，隨著施加電壓幅值的升高，振蕩頻率發(fā)生了變化，說明A相繞組內(nèi)部有絕緣缺陷.針對B相繞組開展脈沖振蕩試驗，加20%額定電壓作為參考電壓波形，依次升高到40%額定電壓、60%額定電壓，如圖4(b)所示.圖5(b)中，縱坐標(biāo)每隔電壓為5000V.由圖5(b)可知，隨著外施電壓幅值的升高，振蕩頻率發(fā)生了變化，特別說明加壓60%額定電壓不到1分鐘的時間內(nèi)，電抗器出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，檢查冒煙的包封發(fā)現(xiàn)存在黑點，說明B相繞組內(nèi)部有絕緣缺陷.

2.3 解體及試驗結(jié)果分析

從電抗器解體結(jié)果來看，C相繞組有兩處明顯的匝間短路放電點，由于C相繞組匝間短路缺陷，導(dǎo)致電抗器繞組電流增大，使絕緣相對薄弱的繞組放電，繼而局部過熱燒損.而造成電抗器絕緣薄弱的原因即為包封受潮和過電壓造成匝間絕緣損傷積累.

從A、B相繞組的試驗結(jié)果來看，一方面，A、B相繞組的匝間絕緣已經(jīng)失效，如果運行人員延遲發(fā)現(xiàn)著火現(xiàn)場，勢必會由匝間短路引起相間短路，A、B相繞組也會起火；另一方面，A、B相繞組被脈沖振蕩波試驗擊穿前后，測得的直流電阻和電抗值基本沒有變化，說明測電抗器的直流電阻值和電抗值很難發(fā)現(xiàn)匝間短路缺陷，所以建議用脈沖振蕩波試驗檢測電抗器匝間短路缺陷.

3 電抗器故障應(yīng)對措施

(1)做好電抗器運行維護(hù)工作.對于在運行的干式空心電抗器，應(yīng)定期檢查RTV涂層的憎水性，當(dāng)RTV涂料憎水性達(dá)到4-5級時，應(yīng)重涂RTV涂料，以保證環(huán)氧絕緣不受潮；利用檢修時間清掃包封表面污物.

(2)做好電抗器絕緣性能檢測工作.停電時進(jìn)行包封引線檢查和直流電阻測試，防范斷線的發(fā)生；運行5年以上的干式空心電抗器推薦均采用脈沖振蕩波試驗；新出廠的干式電抗器應(yīng)進(jìn)行脈沖振蕩波的交接試驗.

(3)干式空心電抗器組采用多個并聯(lián)包封，但受設(shè)計、制造工藝的局限，引起各包封電流密度分布不同，從而造成在線運行電抗器的部分包封出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象.因此，有效控制電流不均勻性對提高電抗器安全運行性能很重要，建議應(yīng)對電抗器均流提出嚴(yán)格要求(如均流控制在5%以內(nèi)) .

4 結(jié)論

本文根據(jù)深圳電網(wǎng)35kV電抗器的故障情況進(jìn)行了理論分析和解體試驗分析，得出如下結(jié)論：

(1)戶外運行環(huán)境影響干式空心電抗器的絕緣性能.干式空心電抗器長期暴露于戶外大氣條件下，長時間運行后絕緣老化，包封受潮是造成電抗器故障的直接原因.

(2)刀閘頻繁操作產(chǎn)生的過電壓威脅干式空心電抗器的絕緣性能.投切干式空心電抗器會在電抗器上產(chǎn)生過電壓，對電抗器絕緣破壞具有累積效應(yīng)，是造成電抗器故障的重要原因.

(3)應(yīng)采用脈沖振蕩波試驗檢測匝間短路缺陷。直流電阻和電抗值測試有時很難發(fā)現(xiàn)匝間短路缺陷，建議用脈沖振蕩波試驗檢測電抗器匝間短路缺陷.

[1]肖輝，周珊.500 kV萬縣變電站一組35 kV電抗器故障繼電保護(hù)動作情況分析[J].繼電器，2004，32( 8)：65- 68.

[2]何東平，孫白.35kV并聯(lián)電抗器故障情況分析[ J ] . 華北電力技術(shù)，2003(4)：48- 51.

[3] 茍烜齊，劉軒東，楊昊，等. 匝間絕緣故障對干式空心電抗器電感參數(shù)影響的仿真研究[J]. 高壓電器，2015，51(10):117-121.

[4]邰彬. 干式空心電抗器匝間過電壓試驗技術(shù)研究[J]. 高壓電器，2012，48(7)：71-75.

[5]劉?，?，魏賓. 干式空心電抗器的運行分析及故障處理[J]. 高壓電器，2004，40(3):239-240.

[6]韓成永. 串聯(lián)電抗器運行常見故障的原因分析[J].電氣制造，2011(10)：76-77.

[7]江少成，戴瑞海，夏曉波，等. 干式空心電抗器匝間絕緣檢測原理及試驗分析[J]. 高壓電器，2011， 47(6):67-71.

[8]廖敏夫，程顯，翟云飛. 干式空心電抗器脈沖振蕩匝間絕緣檢測系統(tǒng)的仿真與試驗[J]. 高電壓技術(shù)，2011,37(6):1343-1348.

Analysisonfailureandbreakupofdry-typeair-corereactors

WANG Jing, ZHANG Xin, HUANG Rong-hui

(Shenzhen Power Supply Company Limited, Shenzhen 518001, China)

The operation accident of dry-type air-core reactor is a serious threat to the safe and stable operation of power system. Lots of work was done to research on the reasons causing operation accident of dry-type air-core reactor. Theoretical analysis was conducted with typical operation accidents of dry-type air-core reactor. Package moisture and overvoltage can cause the operation accident. The disintegration tests of dry-type air-core reactor in Shenzhen power grid were carried out. Tests of conducting direct resistance, reactance value and impulse oscillation wave test were also conducted to the winding. The experiments results provide evidence for the accidents reason in detail. And solutions were proposed to response for the dry-type air-core reactor accident at last. The impulse oscillation wave experiment has a high sensitivity to detect the inter turn short circuit fault. Fault prevention measures are proposed for operation accidents of dry-type air-core reactor.

dry-type air-core reactor;inter-turn insulation failure; pulse oscillation experiment; reactor accidents

2017-01-10

王靜，女，1036828200@qq.com

1672-6197(2018)01-0064-05

TM47

A

(編輯：姚佳良)