35kV干式空心并聯(lián)電抗器故障簡(jiǎn)析

楊濤 王建偉 周文武

摘要：結(jié)合干式空心并聯(lián)電抗器的結(jié)構(gòu)，介紹了兩起500 kV變電站35 kV干式空心并聯(lián)電抗器故障檢查及處理情況。通過對(duì)干式空心并聯(lián)電抗器的解體檢查、故障錄波圖和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定了兩起干式空心并聯(lián)電抗器故障的原因，并根據(jù)網(wǎng)內(nèi)干式空心電抗器實(shí)際運(yùn)行情況，提出了相應(yīng)的維護(hù)建議。

關(guān)鍵詞：干式空心并聯(lián)電抗器;故障;原因;維護(hù)建議

中圖分類號(hào)：TM472? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）01-0030-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.008

0? ? 引言

隨著電網(wǎng)逐步發(fā)展，人們對(duì)電網(wǎng)供電可靠性及功率因數(shù)的要求越來越高，而并聯(lián)電抗器能夠提供感抗用于抵消輸電線路剩余的容性無功功率[1]，從而有效提高功率因數(shù)，因此并聯(lián)電抗器在500 kV變電站無功補(bǔ)償裝置中占據(jù)著重要地位。

干式空心并聯(lián)電抗器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)成本低、性價(jià)比高等顯著優(yōu)點(diǎn)，在500 kV變電站無功補(bǔ)償裝置中被廣泛使用。近年來，匝間短路造成干式空心電抗器燒損的故障頻發(fā)，已經(jīng)威脅到電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行[2-4]。

同時(shí)，根據(jù)紅河電網(wǎng)對(duì)干式空心并聯(lián)電抗器運(yùn)行情況的分析顯示，誘發(fā)干式空心電抗器故障的主要原因是制造工藝差，絕緣材料耐熱等級(jí)低，尤其干式空心并聯(lián)電抗器斷股的情況需重點(diǎn)關(guān)注。

1? ? 干式空心并聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)

干式空心并聯(lián)電抗器線圈選用截面積較小的鋁導(dǎo)線立式繞制，繞制鋁線呈平行結(jié)構(gòu)，多股鋁線疊加后最終繞制成多層同心式筒形線圈[5]。

紅河電網(wǎng)500 kV變電站采用的干式空心并聯(lián)電抗器從內(nèi)到外共有14個(gè)包封，每個(gè)包封為3層結(jié)構(gòu)，有內(nèi)、外層絕緣包封，中間為鋁線繞制的線圈，內(nèi)、外層絕緣包封為無緯玻璃絲帶及環(huán)氧樹脂膠材質(zhì)。每個(gè)包封由性能良好的絕緣撐條隔開，形成上下通風(fēng)氣道。其所有線圈引出線及調(diào)匝環(huán)與鋁質(zhì)星形接線架連接處全部用氬弧焊焊接。干式空心并聯(lián)電抗器實(shí)質(zhì)為多層鋁線圈并聯(lián)而成。

下面結(jié)合干式空心并聯(lián)電抗器的結(jié)構(gòu)，就近期發(fā)生的兩起電抗器故障進(jìn)行分析。

2? ? 某500 kV變電站35 kV 1-1L電抗器斷股

2.1? ? 斷股情況描述

對(duì)某500 kV變電站35 kV 1-1L電抗器進(jìn)行周期性檢查和常規(guī)試驗(yàn)，其直流電阻測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，并附上該電抗器直流電阻歷史值，如表2所示。

分析以上數(shù)據(jù)可知，電抗器三相直阻不平衡率為1.54%，與歷史值0.76%、0.73%相比，有較大增長(zhǎng)，并且主要表現(xiàn)為B相直阻較A相、C相增大。判斷可能原因?yàn)椋海?）受天氣影響;（2）B相有斷股或虛接。

為了驗(yàn)證天氣對(duì)不平衡率的影響，在不同的時(shí)間進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果沒有多大出入，所以可以排除天氣原因。由于干式空心并聯(lián)電抗器采用多層線圈并聯(lián)繞制，導(dǎo)線斷股必然會(huì)改變?cè)械木€圈直流電阻。經(jīng)反復(fù)查找，發(fā)現(xiàn)電抗器B相一根引出線有斷裂情況，如圖1所示。經(jīng)氬弧焊焊接處理后，再次進(jìn)行了測(cè)試，偏差為0.93%，和三相偏差1.54%相比有顯著降低，和歷史數(shù)據(jù)相比還是有一些偏大。但將A、B兩相進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)A、B兩相之間的偏差和歷史值幾乎相同，經(jīng)過檢修人員反復(fù)查找確認(rèn)，可以判斷斷股情況已處理。

2.2? ? 斷股原因分析

2.2.1? ? 制造工藝的問題

引出線處與鋁線圈焊接時(shí)焊接工藝粗糙，留有大量毛刺，產(chǎn)生了較大的附加電阻，附加損耗使接線端子處溫度過高，導(dǎo)致絕緣劣化，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行致使電抗器斷股。同時(shí)也可能存在虛焊現(xiàn)象。

2.2.2? ? 電壓沖擊

電抗器引出線處易受到操作電壓的沖擊，投入運(yùn)行時(shí)在大電流的作用下發(fā)熱膨脹，斷電退出運(yùn)行后冷卻收縮，如此反復(fù)多次，造成引出線處與包封間的焊接破損松動(dòng)，在電磁振動(dòng)的作用下最終可能導(dǎo)致電抗器斷股。

2.3? ? 斷股發(fā)展機(jī)理

干式空心電抗器采用多層并聯(lián)結(jié)構(gòu)，線圈的軸向電應(yīng)力為零，在穩(wěn)態(tài)工作電壓下，沿線圈高度方向的電壓分布均勻，匝間平均分配相電壓。但是在斷股后，匝間電壓會(huì)局部上升。在少量斷股時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致相關(guān)保護(hù)動(dòng)作，但很可能導(dǎo)致故障擴(kuò)大。長(zhǎng)久運(yùn)行將使絕緣擊穿，造成匝間短路。

3? ? 某500 kV變電站35 kV 1-1L電抗器燒毀

3.1? ? 故障情況描述

某500 kV變電站后臺(tái)機(jī)發(fā)35 kV 1-1L電抗器過流Ⅱ段動(dòng)作信號(hào)，313斷路器跳閘，在主控室看見35 kV 1-1L電抗器B相上部冒出火光。

從現(xiàn)場(chǎng)35 kV Ⅰ段母線電壓錄波波形圖可知，在0時(shí)刻開始出現(xiàn)零序電壓，保護(hù)啟動(dòng)，約在120 ms時(shí)，零序電壓逐漸增大，B相電壓逐漸減小，故障發(fā)展趨勢(shì)明顯，但未達(dá)到過流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)限;約在590 ms時(shí)，零序電壓逐漸減小，B相電壓逐漸恢復(fù)，過流保護(hù)Ⅱ段正確動(dòng)作，故障被切除。

故障時(shí)的三相電流分別為Ia=0.938 A，Ib=1.727 A，Ic=1.110 A，電抗器過流Ⅱ段保護(hù)整定值為0.9 A，時(shí)限為0.5 s，B相電流明顯增大。該電抗器在平常巡視檢查中并未發(fā)現(xiàn)異常狀況，日常巡視測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)顯示，其本體、中心部分及頂端均符合要求。為明確該電抗器故障的具體原因，對(duì)電抗器進(jìn)行了解體檢查分析，情況如下：

（1）電抗器三相本體表面絕緣涂層已出現(xiàn)一定粉化現(xiàn)象，有少量樹狀放電痕跡;B相本體頂部、底部外表面部分有黑灰，底部地面有燒焦的黑渣、燒斷的鋁線、燒熔的鋁渣。

（2）電抗器頂部引出線處無斷股現(xiàn)象，調(diào)匝環(huán)也未出現(xiàn)斷裂情況，故可排除調(diào)匝環(huán)斷裂造成電流分配不均以致起火的可能。

（3）電抗器頂部從內(nèi)數(shù)的第四（從內(nèi)往外數(shù)）包封及其附件的鋁排已燒斷，可判斷第一起火點(diǎn)為第四包封上部，如圖2所示。

（4）解剖發(fā)現(xiàn)第四包封的鋁線已熔化，其余包封鋁線完好，如圖3所示。

根據(jù)電抗器檢查及解體情況分析，可以判斷35 kV 1-1L干式空心電抗器起火原因?yàn)榻^緣擊穿以致匝間短路，起火點(diǎn)為第四包封上部。

3.2? ? 電抗器燒毀原因分析

3.2.1? ? 繞制工藝的問題

干式空心電抗器在用鋁線繞制繞組時(shí)，若線軸的配重不足，鋁線繞制速度過快、受力不均勻或者機(jī)器突然停止等均可能造成鋁線松緊度和粗細(xì)不一，導(dǎo)致各鋁線圈電阻變化，最終造成電流分布不均。同時(shí)，絕緣層的密封性不良會(huì)導(dǎo)致電抗器絕緣受潮，造成絕緣降低，這些均是引起匝間短路的主要因素。

3.2.2? ? 線圈各支路電流不平衡

由干式空心電抗器結(jié)構(gòu)可知，其線圈由近百條并聯(lián)鋁導(dǎo)線組成，個(gè)別鋁導(dǎo)線電流偏差較大時(shí)會(huì)造成其余鋁導(dǎo)線間電流分布不均衡。該鋁導(dǎo)線過流發(fā)熱，最終導(dǎo)致匝間絕緣劣化，長(zhǎng)時(shí)間累積效應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致絕緣劣化，最終演化成匝間短路。

3.2.3? ? 絕緣材料選用不當(dāng)

干式空心電抗器在運(yùn)行時(shí)散熱不良已成為共性問題，尤其電抗器頂部為熱量集中部位。根據(jù)Montsinger絕緣材料壽命定律，對(duì)于B級(jí)絕緣材料，當(dāng)溫度增加10 ℃時(shí)，絕緣材料壽命將減少一半。目前，電抗器選擇的絕緣材料耐熱等級(jí)應(yīng)達(dá)到F級(jí)以上。經(jīng)查閱資料，該電抗器絕緣材料耐熱等級(jí)為B級(jí)，燒毀的35 kV干式空心電抗器額定電流為1 004 A，電阻為19.73 Ω，可知其運(yùn)行時(shí)功率很大，所以電抗器運(yùn)行中將產(chǎn)生很大熱量，最終將導(dǎo)致絕緣材料急劇老化，引起匝間短路。

4? ? 維護(hù)建議

（1）鑒于以往干式空心并聯(lián)電抗器運(yùn)行維護(hù)中發(fā)現(xiàn)的問題，建議試驗(yàn)人員至少應(yīng)每半年對(duì)電抗器進(jìn)行一次直流電阻試驗(yàn)，并與出廠數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可有效發(fā)現(xiàn)電抗器斷股故障。檢修人員應(yīng)檢查電抗器頂部調(diào)匝環(huán)和引流線的焊接處是否有斷裂或松動(dòng)的情況。直阻測(cè)試時(shí)，若是兩組電抗器并排安裝，一組停電、另一組運(yùn)行時(shí)，測(cè)試值會(huì)因運(yùn)行的電抗器產(chǎn)生的磁場(chǎng)而導(dǎo)致測(cè)試不準(zhǔn)確，因此建議兩組同時(shí)停電檢查。

（2）縮短電抗器的紅外測(cè)溫周期，紅外測(cè)溫時(shí)應(yīng)對(duì)電抗器進(jìn)行全面測(cè)溫，尤其應(yīng)注意電抗器頂部的溫度測(cè)量。

（3）對(duì)于運(yùn)行時(shí)間超過5年的35 kV干式電抗器，其外表面有龜裂或爬電痕跡的應(yīng)噴涂性能優(yōu)良的PRTV涂料，噴涂PRTV涂料時(shí)需徹底對(duì)電抗器外表面及通風(fēng)氣道進(jìn)行清理，建議采用最新的注漫技術(shù)對(duì)電抗器外表面和氣道內(nèi)均勻噴涂PRTV涂料。

（4）工藝是保證電抗器可靠運(yùn)行的重要條件，因此應(yīng)規(guī)范供應(yīng)商評(píng)價(jià)體系，選擇電抗器線圈繞制工藝優(yōu)良的制造廠商。

（5）技術(shù)協(xié)議應(yīng)對(duì)絕緣材料性能及耐熱等級(jí)提出相應(yīng)要求，選擇阻燃性較好的電抗器產(chǎn)品。同時(shí)，加強(qiáng)與廠家的技術(shù)交流及合作也是探求解決方案的有效手段。

（6）干式空心并聯(lián)電抗器的散熱問題應(yīng)納入重點(diǎn)研究范疇，通過電抗器在線監(jiān)測(cè)及狀態(tài)感知手段，提前發(fā)現(xiàn)電抗器隱患。

5? ? 結(jié)語

干式空心并聯(lián)電抗器故障類型多種多樣，大部分故障均為廠商制造工藝差，絕緣材料耐熱等級(jí)不滿足要求所致。為保障干式空心并聯(lián)電抗器可靠運(yùn)行，不僅要從源頭出發(fā)，提升電抗器制造工藝，選擇優(yōu)良的絕緣材料，同時(shí)在運(yùn)行維護(hù)過程中還要加強(qiáng)監(jiān)護(hù)，也可通過科技創(chuàng)新等手段改善電抗器的運(yùn)行環(huán)境，最終保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 6 kV～35 kV級(jí)干式并聯(lián)電抗器技術(shù)參數(shù)和要求：JB/T 10775—2007[S].

[2] 楊建立，田程濤，黃小華，等.一起干式空心并聯(lián)電抗器故障原因分析[J].電力電容器與無功補(bǔ)償，2017，38（6）：87-90.

[3] 黃斌，徐姍姍，田國(guó)穩(wěn)，等.干式空心并聯(lián)電抗器故障原因分析及防范措施[J].電力電容器與無功補(bǔ)償，2019，40（4）：76-79.

[4] 蔡林輝.500 kV變電站35 kV母線并聯(lián)電抗器燒損原因分析及處理[J].電工技術(shù)，2019（5）：66-68.

[5] 沈映.干式電抗器繞組直流電阻不平衡率與導(dǎo)線斷股分析[J].云南電力技術(shù)，2012，40（6）：86-88.

收稿日期：2021-09-22

作者簡(jiǎn)介：楊濤（1989—），男，云南嵩明人，工程師，主要從事變電檢修工作。