干式并聯(lián)電抗器頻繁擊穿原因分析

朱文兵，師偉，朱孟兆，朱慶東

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

真空斷路器具有低噪聲、占地少、維護(hù)量少、高可靠性、檢修頻率低、使用時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外已成為35 kV 及以下電壓等級(jí)中的主流斷路器。真空斷路器的滅弧能力非常強(qiáng)，造成滅弧時(shí)存在截流現(xiàn)象，導(dǎo)致真空斷路器切除并聯(lián)電抗器時(shí)會(huì)引發(fā)截流過電壓。如果設(shè)備參數(shù)匹配不當(dāng)，截流過電壓會(huì)達(dá)到很高的水平，甚至?xí)跀嗦菲鏖_斷時(shí)發(fā)生重燃或復(fù)燃現(xiàn)象，引起并聯(lián)電抗器、母線上產(chǎn)生很高的過電壓，導(dǎo)致運(yùn)行設(shè)備的絕緣擊穿引發(fā)事故［1-2］。

作為無功調(diào)節(jié)裝置，運(yùn)行中電抗器需要經(jīng)常被投切，過電壓?jiǎn)栴}在開合并聯(lián)電抗器組時(shí)會(huì)表現(xiàn)得極其嚴(yán)重。以某安裝并聯(lián)電抗器的變電站為例，該變電站曾多次發(fā)生由于真空斷路器開合并聯(lián)電抗器產(chǎn)生操作過電壓并導(dǎo)致設(shè)備燒毀的事故。實(shí)際測(cè)試了真空斷路器開合并聯(lián)電抗器時(shí)產(chǎn)生的操作過電壓，并分析了并聯(lián)電抗器絕緣擊穿原因，提出更換SF6斷路器的措施，有效避免了事故的發(fā)生，為后續(xù)處理類似問題提供參考。

1 概況

2015 年10 月至2018 年4 月，該站4 組35 kV并聯(lián)電抗器陸續(xù)發(fā)生故障，故障現(xiàn)象均為在投入后數(shù)秒內(nèi)發(fā)生故障，引起斷路器過流Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作。

2 檢查情況

圖1—圖4 為電抗器故障損壞情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況可以看出，幾組電抗器故障現(xiàn)象基本類似，均為繞組首端或尾端對(duì)地電位的鐵芯或夾件產(chǎn)生沿面閃絡(luò)，造成鐵芯、夾件及繞組表面大面積污染。

圖1 甲Ⅰ電抗器故障情況

圖2 甲Ⅱ電抗器故障情況

圖3 乙Ⅰ電抗器故障情況

圖4 乙Ⅱ電抗器故障情況

對(duì)檢查情況進(jìn)行分析，造成多臺(tái)電抗器連續(xù)發(fā)生閃絡(luò)的原因可能有［3］：

1）設(shè)備存在設(shè)計(jì)或制造缺陷，導(dǎo)致設(shè)備絕緣不良，在運(yùn)行電壓下發(fā)生擊穿。將其中一臺(tái)電抗器返廠維修后，重新進(jìn)行全部型式試驗(yàn)及例行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均為合格。同時(shí)，該型號(hào)電抗器屬于成熟設(shè)計(jì)，在其他變電站運(yùn)行情況良好，但在該站卻連續(xù)發(fā)生多次電抗器擊穿情況，初步排除設(shè)計(jì)或制造質(zhì)量不良原因。

2）系統(tǒng)存在過電壓，過電壓超出電抗器絕緣耐受水平導(dǎo)致電抗器擊穿。根據(jù)故障情況分析，電抗器故障均發(fā)生在投入后數(shù)秒內(nèi)，說明電抗器在合閘或上次分閘期間產(chǎn)生過電壓損傷絕緣的可能性較大。

3 過電壓測(cè)試情況

為驗(yàn)證電抗器投切期間是否存在過電壓，現(xiàn)場(chǎng)用斷路器對(duì)更換后的甲Ⅰ電抗器進(jìn)行了5 次投切操作，同時(shí)開展過電壓測(cè)試。實(shí)測(cè)到C 相斷路器出現(xiàn)5次彈跳和4 次重燃現(xiàn)象。

在5 次合閘過程中，C 相斷路器均出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象，產(chǎn)生了較高的過電壓，如圖5 所示。合閘過電壓波形放大后如圖6 所示。

在5 次分閘過程中，有4 次分閘時(shí)C 相斷路器出現(xiàn)重燃現(xiàn)象，產(chǎn)生了較高的過電壓，如圖7 所示。分閘過電壓波形放大后如圖8 所示。

圖5 合閘時(shí)彈跳過電壓波形

圖6 合閘時(shí)彈跳過電壓放大波形

圖7 分閘時(shí)重燃過電壓波形

圖8 分閘時(shí)重燃過電壓放大波形

表1 給出了5 次投切電抗器過程中實(shí)測(cè)的電抗器側(cè)相對(duì)地過電壓數(shù)據(jù)。由表1 可以看出，電抗器C相多次出現(xiàn)幅值較大的過電壓，合閘時(shí)相對(duì)地過電壓最大幅值為211 kV，達(dá)到基準(zhǔn)電壓kV 的約6.4 倍，分閘時(shí)相對(duì)地過電壓最大幅值為201 kV，達(dá)到基準(zhǔn)電壓的約6.1 倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過GB／T 50064—2014 《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的4.0 倍。均超出電抗器沖擊耐受電壓185 kV 的絕緣水平。

在0～2 mm區(qū)域，SMILE組在中間層手術(shù)前后差異界于臨界值（Z=-1.956，P=0.051），其余層次和范圍術(shù)后角膜光密度均比術(shù)前小，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05），見表1。

表1 投切電抗器時(shí)電抗器側(cè)相對(duì)地過電壓倍數(shù)

4 故障原因分析

4.1 過電壓產(chǎn)生原因

真空斷路器合閘過程中，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸后被反作用力推開，然后再接觸又被推開的彈跳現(xiàn)象，造成斷口的電弧發(fā)生重燃、截流現(xiàn)象，回路中產(chǎn)生高頻的電磁振蕩，產(chǎn)生過電壓。分閘過程中，瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升速度超過斷口絕緣強(qiáng)度恢復(fù)速度時(shí)，動(dòng)、靜觸頭間絕緣被擊穿，電弧再次產(chǎn)生，出現(xiàn)重燃（重?fù)舸┈F(xiàn)象，并在重燃相上產(chǎn)生重燃過電壓。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，甲I 電抗器在合閘和分閘過程中均出現(xiàn)幅值較大的過電壓。

4.2 保護(hù)措施作用分析

避雷器是最常用的過電壓保護(hù)方法。該變電站采用避雷器星形接線方式，由于干式空心并聯(lián)電抗產(chǎn)生的投切過電壓為振蕩電壓波形，振蕩頻率非常高，造成避雷器保護(hù)高頻響應(yīng)效果較差［4-5］。

4.3 電抗器擊穿原因分析

由于電抗器在投切過程中均產(chǎn)生了幅值較大的過電壓，該電壓已遠(yuǎn)超出電抗器沖擊耐受電壓185 kV的絕緣水平。在多次過電壓的累積作用下，最終導(dǎo)致電抗器絕緣擊穿。

5 處理措施

為限制真空斷路器投切過程中的過電壓，目前一般有2 種措施：

1）加裝阻容吸收器。通過加裝阻容吸收器，可以改變高頻振蕩回路，抑制過電壓的產(chǎn)生。但由于阻容吸收器運(yùn)行過程中故障率較高，目前已經(jīng)很少采用。

2）更換斷路器。選用截流值低的SF6斷路器，可徹底避免因?yàn)榻亓鳌⒅厝嫉犬a(chǎn)生的操作過電壓?jiǎn)栴}。

現(xiàn)場(chǎng)將真空斷路器更換為SF6斷路器，運(yùn)行至今一切正常，有效避免了事故的發(fā)生。

6 結(jié)語

投切過電壓測(cè)試結(jié)果表明用于投切干式電抗器的真空斷路器在合閘和分閘過程中均會(huì)產(chǎn)生幅值較高的過電壓，該過電壓可能會(huì)超過電抗器的絕緣水平。

將真空斷路器更換為SF6斷路器可以有效地降低投切過程中的過電壓，建議對(duì)于電抗器投切均采用SF6斷路器。