變電站干式空芯電抗器故障原因分析

李 光

(深圳供電局有限公司，廣東深圳518000)

0 引言

電抗器是變電站的重要電氣設(shè)備之一，一般可以分為串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電抗器。串聯(lián)電抗器與電容器組串聯(lián)使用，起到抑制高次諧波和限制合閘涌流，防止諧波對電容器造成危害的作用;并聯(lián)電抗器一般用于補(bǔ)償容性無功，控制無功潮流，穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的無功電壓，以保證電力系統(tǒng)的安全運行。

1 故障原因分析

干式空芯電抗器在長時間運行的過程中故障時有發(fā)生，主要表現(xiàn)為匝間短路、局部過熱和燒毀等問題，以500 kV 某變電站為例，站內(nèi)運行中的電抗器均為干式空芯電抗器，2012 ～2013 年期間站內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了3 起電抗器燒毀故障(見表1)，嚴(yán)重危害到設(shè)備和系統(tǒng)的安全運行。針對這一情況，研究清楚這幾起故障的原因，并制定相應(yīng)的防范措施，以避免故障的再次發(fā)生。

表1 2012 ～2013 年某變電站電抗器故障統(tǒng)計

該站近兩年內(nèi)3 起干式電抗器故障均表現(xiàn)為電抗器起火燒毀，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)故障的直接原因為匝間絕緣老化，在合閘沖擊電壓和涌流作用下導(dǎo)致匝間短路，最終引起電抗器外層包封燒損。引起匝間絕緣老化的原因可以歸納為以下幾點。

1.1 包封受潮導(dǎo)致匝間絕緣強(qiáng)度降低

電抗器在戶外運行一段時間后，其表面一般會有污物附著沉積，其表面絕緣材料也會出現(xiàn)老化、粉化，形成污層。在碰到大霧或雨天天氣時，表面污層受潮后，會導(dǎo)致表面泄漏電流增大，從而在表面產(chǎn)生熱量。由于表面電場集中區(qū)域的熱量高，水分蒸發(fā)快，造成表面污層變干變成干區(qū)，從而使干區(qū)部分表面電阻變大。電流在該中斷處形成很小的電弧。隨著時間的增長，電弧發(fā)展并合并變大，最終形成沿面樹枝狀放電，進(jìn)一步發(fā)展就會造成匝間短路，短路線匝中電流劇增，使溫度進(jìn)一步升高使匝間絕緣強(qiáng)度急劇降低。這一點從500 kV 某變電站2012 ～2013 年發(fā)生電抗器故障時的天氣記錄中也可以看出(見表2)，3 起電抗器故障發(fā)生時都是陰雨或多云的潮濕天氣，潮氣與粉化后的絕緣材料相接觸，就會降低導(dǎo)線匝間絕緣，造成匝間短路。嚴(yán)重時導(dǎo)致電抗器爆炸起火。

由圖1 電抗器故障現(xiàn)場的圖片可以看出，燒毀最嚴(yán)重的部分均為最外層靠頂端的包封，這是由于這部分包封長期暴露在外部環(huán)境中，日曬雨淋，導(dǎo)致絕緣材料粉化、失效、甚至出現(xiàn)裂縫，在雨天時，雨水從裂縫中滲入，加速了環(huán)氧樹脂的老化，使其逐漸喪失機(jī)械強(qiáng)度，不能裹緊導(dǎo)線;當(dāng)雨水多次滲入時，造成匝間短路引起起火燃燒。

表2 2012 ～2013 年某變電站電抗器故障時天氣情況

圖1 電抗器故障現(xiàn)場圖

2.2 合閘涌流和過電壓造成匝間絕緣破壞

3 起電抗器故障均發(fā)生在投入運行后的較短時間內(nèi)，如表3 所示。

表3 某變電站故障電抗器投切情況統(tǒng)計

由表3 可知，開關(guān)投切動作后，電抗器運行很短的時間就發(fā)生了故障，并且在故障前，電抗器已經(jīng)投切了幾百次以上。這說明故障很有可能與投切過程中產(chǎn)生的操作過電壓有關(guān)，開斷電抗器時，其單相等效電路如圖2 所示，圖中US為等效電源電壓，LS為電源側(cè)等效電感，CS為電源側(cè)等效電容，L 為串聯(lián)電抗器電感，CL為電抗器側(cè)對地電容，LP和CP為斷路器等效電感和電容。設(shè)t=t0時斷路器觸頭分開，斷路器的截流值為Ich，此時電容上的電壓為U0。

由于斷路器的滅弧效果較強(qiáng)，在用斷路器開斷電感類的設(shè)備時，如果在電流未過0 時強(qiáng)行將電流切斷，就會在電感類的設(shè)備上產(chǎn)生強(qiáng)大的反電動勢，即截流過電壓。

圖2 電抗器等效電路圖

從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，電抗器被開斷是一個電磁場能全部轉(zhuǎn)化為電場能的過程，電容CL上的電壓最大為Um，即為截流過電壓，滿足下式:

設(shè)U0為基準(zhǔn)電壓，開斷電抗器時最大過電壓倍數(shù)為:

查閱資料可知，當(dāng)電流在接近峰值處被截斷時，過電壓可達(dá)到2 ～3 倍額定電壓。由此可見，斷路器對電抗器每投切一次，電抗器就要承受一次過電壓，同時電抗器的絕緣就要經(jīng)受一次破壞。日積月累就會使電抗器的匝間絕緣遭受嚴(yán)重的損傷，最終導(dǎo)致絕緣失效，造成匝間短路現(xiàn)象。

1.3 漏磁的影響

在電抗器垂直方向的地下存在接地網(wǎng)，橫向位置其他設(shè)備和金屬圍欄等，這些金屬體都可能因構(gòu)成閉環(huán)造成較嚴(yán)重漏磁。若橫向有閉環(huán)回路，則其漏磁將會在金屬閉環(huán)回路中感應(yīng)出很大甚至可達(dá)數(shù)百安培的環(huán)流，該站發(fā)生故障的電抗器周圍存在金屬圍欄(見圖3)，形成了橫向位置的閉環(huán)，漏磁在金屬圍欄中感應(yīng)出的環(huán)流不僅增大損耗，而且其產(chǎn)生的反向磁場會和電抗器的部分繞組耦合，使電抗器繞組過熱或局部過熱。若電抗器下部的接地網(wǎng)存在縱向位置的閉環(huán)，將會使電抗器電流增大和電位分布改變，引起電流分布的改變，導(dǎo)致繞組局部發(fā)熱，在長期熱效應(yīng)的積累下會使局部的匝間絕緣老化。

該站之前圍欄有局部閉合情況出現(xiàn)，經(jīng)紅外測溫，圍欄局部溫度達(dá)到100℃以上，電抗器運行過程中聲音較大且溫度相比于其他電抗器偏高，經(jīng)改造處理后恢復(fù)正常。

圖3 故障電抗器四周圍欄情況

2 建議采取的措施

2.1 針對電抗器包封問題的措施

1)提高電抗器生產(chǎn)工藝條件及水平，保證電抗器的包封絕緣、端絕緣的整體和完整性，同時，改善電抗器上部引線與線圈之間的密封和焊接情況，避免因接線端子和繞組的焊接處由于焊接質(zhì)量問題造成該處溫升過高。

2)現(xiàn)階段運行中的電抗器表面主要涂刷或澆注的是環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂是樹脂類材料，經(jīng)濟(jì)且絕緣效果良好，但因其在金屬表面的附著力不強(qiáng)，經(jīng)過一段時間風(fēng)吹日曬容易開裂及脫落。針對這一情況，可以在電抗器包封表面噴涂憎水性和防污閃性能更好的PRTV 或硅橡膠絕緣涂料，可大幅度抑制表面放電。同時考慮在端部預(yù)埋環(huán)形均流電極，也可以克服下端表面泄漏電流集中的現(xiàn)象，即使表面涂層老化消失，也能防止電極附近干區(qū)電弧的出現(xiàn)。

3)在電抗器頂部裝設(shè)防雨帽，在其外部加裝防雨夾層，即在電抗器帶電包封外加一個不帶線圈的包封，專門用來遮擋陽光中的紫外線和雨水，以減緩繞組絕緣老化的速度。圖4 為該500 kV 變電站帶防雨帽的并聯(lián)干式空心電抗器，從2002 年投產(chǎn)至今從未發(fā)生類似匝間短路導(dǎo)致起火燃燒事件。

圖4 帶防雨帽的干式空心電抗器

4)每年對電抗器進(jìn)行1 ～2 次停電檢修，檢查緊固接線螺栓，清理包封和絕緣子表面污物，做到“逢停必掃”，發(fā)現(xiàn)包封有起皮脫落現(xiàn)象時及時補(bǔ)漆。

2.2 針對操作過電壓和合閘涌流的措施

1)建議在每臺干式空芯電抗器的首尾兩端并聯(lián)上氧化鋅避雷器，因為氧化鋅避雷器具有理想的伏安特性，在正常運行低電場強(qiáng)度下，其電阻率很大，漏電流極小，相當(dāng)于一絕緣體。而當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到一定程度放電擊穿時，其電阻率迅速下降至低電阻狀態(tài)，因而可使截流過程中所產(chǎn)生的操作過電壓能量迅速泄放，另一方面，在電抗器首尾兩端并聯(lián)上氧化鋅避雷器可以增大電抗器的匝間雜散電容值，由式(3)可知，匝間電容CL增大，則過電壓倍數(shù)K 減小，從而降低操作過電壓的大小。

2)由于下雨時電抗器包封表面會出現(xiàn)干區(qū)和濕區(qū)，使電場分布不均勻，在投切過電壓下可能會導(dǎo)致匝間短路，建議在下雨時不進(jìn)行電抗器投切操作。在電抗器投運后，觀察電抗器的狀況，如有冒煙、火光，立刻停運;雨后投入電抗器后對其本體進(jìn)行紅外檢測，觀察投運后幾分鐘內(nèi)本體溫度有無急劇變化，以便及時發(fā)現(xiàn)電抗器故障。

3)優(yōu)化電網(wǎng)運行方式，避免電抗器的頻繁投切。

2.3 針對漏磁方面的處理措施

消除閉合的金屬環(huán)路，如電抗器周圍不使用金屬圍欄，改用其他非鐵磁材料制成的圍欄，可以消除環(huán)流對電抗器的影響。而對于接地網(wǎng)及水泥構(gòu)件中的閉環(huán)回路這一因素，則應(yīng)在安裝電抗器之前，核查安裝點是否存在含金屬閉環(huán)的水泥構(gòu)件或閉環(huán)的接地網(wǎng)，同時使電抗器的接線端子位置及安裝位置更加合理。

3 結(jié)語

電抗器過熱燒毀會威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，并給企業(yè)造成較大的財產(chǎn)損失，所以在今后的日常工作中，我們要做好電抗器等設(shè)備的維護(hù)和檢測工作，并采取相應(yīng)的預(yù)控措施，以避免此類故障的再次發(fā)生。

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