張良， 呂家圣， 王永紅， 聶洪巖， 陳禾， 彭翔， 魏新勞

(1.南網(wǎng)超高壓公司檢修試驗中心，廣東廣州 510600;2.哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱 150080)

0 引言

為調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無功功率，在超高壓、大電網(wǎng)變電站的設(shè)計標準中要求串聯(lián)或并聯(lián)一定數(shù)量的電抗器，此外在電網(wǎng)中電抗器也常用于濾波、限流等場合。與傳統(tǒng)的油浸式鐵心電抗器相比，干式空心電抗器具備電抗值線性、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、不易磁飽和等優(yōu)點，因而其投運數(shù)量迅速增加。隨著干式電抗器投運數(shù)量及投運時間的增加，故障也逐步增多［1-4］。線圈受潮、材料缺陷、局部過熱、投切頻繁及局部電弧等故障最終會導致電抗器的匝間短路燒毀電抗器，甚至造成更大的事故［5-7］。為了減少干式空心電抗器的匝間絕緣故障問題，除提高電抗器的制造水平、弄清電抗器的運行環(huán)境外，還要有有效的試驗方法及相應的試驗設(shè)備［8］。

由于干式空心電抗器的磁路開放，傳統(tǒng)用于變壓器、鐵心式電抗器縱絕緣檢測的感應電壓試驗不適用于其匝間絕緣的檢測［9-10］。國際標準IEC60076-6、國家標準GB1094.6、行業(yè)標準JB/T5346及國家電網(wǎng)公司“10～66 kV干式電抗器技術(shù)標準”都推薦，對35kV電壓等級及以下的干式空心電抗器采用匝間過電壓試驗替代雷電沖擊試驗。行業(yè)標準JB/T10775、美國IEEE Std C57.16及IEEE Std C57.21標準直接要求對干式空心并聯(lián)電抗器進行匝間過電壓試驗［11-17］。

只是對干式空心電抗器進行出廠檢驗是不夠的，因為有些新電抗器的匝間絕緣缺陷并不是很明顯，而是由于運行過程中受到多種因素的持續(xù)作用后，逐漸發(fā)展形成的?，F(xiàn)有的預防性試驗規(guī)程中對干式電抗器的試驗項目主要為阻抗測量和紅外測溫，沒有規(guī)定匝間絕緣試驗項目。為了及早的發(fā)現(xiàn)運行中電抗器后發(fā)展成的匝間絕緣缺陷，應該有重點的對運行中的電抗器匝間絕緣進行定期的預防性檢驗［18］。

本文通過對廣西某500 kV變電站15臺35 kV并聯(lián)電抗器及12臺35 kV串聯(lián)電抗器的現(xiàn)場試驗，成功地探索了干式空心電抗器匝間過電壓現(xiàn)場試驗的可行性，并根據(jù)試驗中的現(xiàn)象總結(jié)了現(xiàn)場試驗中應該注意的一些關(guān)鍵問題。

1 匝間過電壓試驗方法

1.1 標準規(guī)定

GB1094.6-2011規(guī)定，脈沖振蕩法匝間過電壓試驗的振蕩頻率小于100 kHz，試驗持續(xù)時間1 min，放電次數(shù)不少于3 000次，且要求幅值穩(wěn)定，每次放電的初始峰值應為■1.332倍(戶外設(shè)備)或■2倍(戶內(nèi)設(shè)備)GB1094.3中表2和表3中給出的額定短時感應或外施耐壓試驗電壓(r.m.s.)，經(jīng)核算試驗電壓水平如表1所示。

表1 國家標準規(guī)定的初始放電電壓(kV)Table 1 Initial discharge voltage in the national standard

1.2 匝間過電壓試驗原理

匝間過電壓試驗是通過重復地對一個電容充電并經(jīng)球隙對電抗器放電來實現(xiàn)，這種放電產(chǎn)生比雷電沖擊更陡的波頭。施加在電抗器上的過電壓類型為一個具有指數(shù)衰減正弦波形的操作沖擊。原理電路如圖1所示。

圖1 匝間過電壓試驗電路Fig.1 Circuit of the turn-to-turn over-voltage test

充電電容為CC，電抗器電感為L，回路電阻為R，根據(jù)電工原理，在放電過程中，電感繞組上的過電壓為

當δ足夠小時，ω=ω0。此時電抗器上的電壓可以近似為式(2)，振蕩頻率可以近似為式(3)。

振蕩波形的頻率僅與充電電容值、電抗器的電感量及回路電阻有關(guān)，與施加電壓的大小無關(guān)。即若電感沒有故障，不同電壓下振蕩波的頻率應該完全相同。

2 試驗條件

2.1 試驗設(shè)備

標準規(guī)定的電路中，球隙開關(guān)采用的是自然放電的方式。1 min完成3 000次的高密度充放電，這會造成球隙自然放電電壓下降，導致電抗器上振蕩電壓幅值迅速降低，且放電次數(shù)不穩(wěn)定。試驗所用設(shè)備采用可控放電技術(shù)解決了這一問題［9］，原理電路如圖2所示，圖中:T1為調(diào)壓器;T2為試驗變壓器;T3為點火變壓器;D為高壓硅堆;R1為充電電阻;RH、RL分別為電阻分壓器的高壓臂和低壓臂;S為球隙開關(guān);CC為主電容;CH、CL分別為電容分壓器的高壓臂和低壓臂;L為被試電抗器。

圖2 試驗設(shè)備電路Fig.2 Circuit of the test equipment

試驗設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 試驗設(shè)備的主要參數(shù)Table 2 Main paramenters of the test equipment

2.2 被試電抗器及系統(tǒng)接線

本次現(xiàn)場試驗電抗器共計27臺，其中15臺并聯(lián)干式空心電抗器，12臺串聯(lián)干式空心電抗器，其主要參數(shù)如表3。

表3 電抗器的主要參數(shù)Table 3 Main paramenters of reactors

列舉一組被試并聯(lián)電抗器及一組被試串聯(lián)電抗器在系統(tǒng)中的接線電路如圖3，圖中:L為單相干式空心電抗器，每組3臺;C為補償電容器組;QF為SF6斷路器;GW為隔離開關(guān);CVT為電壓互感器;MOA為避雷器。所有并聯(lián)電抗器與串聯(lián)電抗器都通過絕緣子支撐，與大地絕緣。并聯(lián)電抗器組的中性點不接地。

圖3 被試電抗器在系統(tǒng)中的接線Fig.3 Wiring circuit of tested reactors in the power system

2.3 試驗電壓確定

按GB1094.6標準規(guī)定，35 kV戶外干式空心電抗器的匝間過電壓試驗電壓為160 kV，考慮到被試電抗器已經(jīng)運行一定年限，試驗電壓幅值應該適當降低。參考一般電力設(shè)備交接試驗電壓值為其80%出廠試驗電壓值，本次預防性試驗電壓選擇干式空心電抗器70%出廠試驗電壓值(112 kV)進行嘗試。

依據(jù)GB1094.6標準，試驗電壓施加過程為:首先施加約30%出廠試驗電壓(33.6 kV)，得到并存儲為參考電壓波形;將電壓升高至112 kV并持續(xù)放電1 min，一直監(jiān)視試驗電壓波形振蕩頻率(過零點)對參考電壓波形的變化，由此判斷電抗器匝間絕緣是否存在缺陷。

3 試驗中遇到問題分析

3.1 遇到的問題

現(xiàn)場首先對并聯(lián)電抗器進行試驗，由于缺乏經(jīng)驗，初始接線方法不正確，試驗不能正常進行。在持續(xù)脈沖振蕩放電電壓下，設(shè)備地電位抬高嚴重，試驗設(shè)備控制系統(tǒng)出現(xiàn)了指示燈頻繁閃爍及直流充電電壓測量數(shù)顯表燒毀的問題。

3.2 問題原理分析

現(xiàn)場干式空心電抗器成品字形布置。試驗時，斷開并聯(lián)電抗器組的斷路器QF及隔離開關(guān)GW，將該并聯(lián)電抗器組退出運行，對3臺電抗器分別試驗?？紤]操作的方便性，在被試電抗器下端的中性點施加高壓，在被試電抗器的斷路器側(cè)接工作地，其余兩臺電抗器首尾短接。按照單點接地原則，工作地與保護地分別布線，保護接大地，放電球隙下端的設(shè)備地為公共地。包括了整個放電回路的接線電路如圖4所示。試驗過程出現(xiàn)了上述的設(shè)備不能正常工作問題，發(fā)現(xiàn)該接線方法錯誤。

圖4 錯誤接線電路Fig.4 The wrong wiring circuit

經(jīng)分析，單點接地方式?jīng)]有錯誤，問題出于存在空間雜散電容和接地線的引線電感，在高頻脈沖振蕩電壓下，它們的影響不能被忽略。

干式電抗器外表面積大，各電抗器的間距小，在電抗器間、電抗器與地(含護欄等設(shè)施)間以及電抗器匝間存在較大的雜散電容。任意兩臺電抗器的雜散電容分布如圖5，其中:C10代表電抗器間單位高度雜散電容，C20代表各電抗器匝間單位高度雜散電容，C30代表各電抗器對地單位高度雜散電容，C4代表各電抗器下星形架對地雜散電容。

圖5 兩臺電抗器的雜散電容分布Fig.5 Stray capacitance distribution of two reactors

各雜散電容分布參數(shù)等效到電抗器兩端，簡化的等值電路如圖6，其中:C1H和C1L代表上下兩端電抗器間雜散電容，C2代表各電抗器匝間雜散電容，C3H和C3L代表各電抗器上下兩端對地雜散電容。

圖6 雜散電容分布簡化電路Fig.6 Simplified circuit of stray capacitance distribution

考慮以上雜散電容和引線電感時，圖4回路的簡化等效電路如圖7，其中:Lg1代表工作地引線電感，Lg2代表保護地引線電感，C5為2C1H(如圖6)，C6為3(C3H+C3L+C4)(如圖6)。

圖7 錯誤接線的等效電路Fig.7 Equivalent Circuit of the wrong wiring

考慮引線電感和雜散電容滿足ω2Lg2C6?1，有

高壓輸出也會經(jīng)雜散電容C2+C5在工作地引線電感上形成壓降，但該壓降不會造成設(shè)備地電位抬高。

由此可知，造成設(shè)備地電位抬高的原因是流過對地雜散電容的電流在保護地引線上形成了電壓降落。

3.3 解決方案

根據(jù)以上分析，解決設(shè)備地電位抬高的方法之一是減小對地雜散電容電流。為此修正了圖4接線，新接線方式如圖8所示，等效電路如圖9所示。

試驗設(shè)備高壓輸出經(jīng)C6與大地連通，經(jīng)保護地線與高壓設(shè)備構(gòu)成回路，在保護地引線電感上形成壓降。按照交流電壓關(guān)系近似，設(shè)備地電位抬高幅值可近似表述為

圖8 正確接線電路Fig.8 The correct wiring circuit

圖9 正確接線的等效電路Fig.9 Equivalent Circuit of the correct wiring

圖9中:C7為2C3H+3(C3L+C4)，C8為C3H，且C7+C8=C6(見圖7)。當 ω2L(C2+C5)?1時，設(shè)備地電位抬高幅值為

對比式(6)與式(5)，由于Lg1?L，正確接線時設(shè)備地電位抬高明顯減小。

如果被試驗電抗器組的中性點直接接大地，同理分析，也會造成設(shè)備地電位抬高嚴重。一般35 kV電網(wǎng)為不接地系統(tǒng)，這種情況不會發(fā)生。如存在直接接地，建議試驗時斷開。串聯(lián)電抗器試驗時與電容器的接線也須解除。

解決設(shè)備地電位抬高的方法之二是減小保護地的電感。應該把設(shè)備放電回路部分盡量靠近被試電抗器，縮短保護地線長度。

設(shè)備接線方法是基于并聯(lián)電抗器討論的，它也適用于串聯(lián)電抗器。修改接線后設(shè)備工作正常，順利完成了試驗任務(wù)。

4 試驗結(jié)果

本次試驗共對27臺干式空心電抗器進行耐壓試驗，共檢測出2臺故障電抗器，故障率7.4%。兩臺故障電抗器均為串聯(lián)電抗器，2004年投運至今已運行8年。通過檢測的設(shè)備投運至今已超過3個月，未出現(xiàn)匝間絕緣故障。

兩組典型的電壓波形對比如圖10與圖11所示。圖10為電抗器無匝間故障波形，圖11為電抗器有匝間故障波形。

圖10 合格電抗器的試驗波形Fig.10 Test waveforms of qualified reactor

圖11 不合格電抗器的試驗波形Fig.11 Test waveforms of unqualified reactor

通過匝間絕緣試驗電抗器的兩個試驗電壓波形的頻率完全相同，未通過匝間絕緣試驗電抗器在出現(xiàn)匝間故障后，振蕩頻率和衰減速度加快。

5 結(jié)論

通過對27臺35 kV干式空心電抗器匝間絕緣過電壓的現(xiàn)場試驗研究，得到如下結(jié)論:

1)用高頻脈沖振蕩法在變電站現(xiàn)場進行干式空心電抗器的匝間絕緣檢測是可行的;

2)現(xiàn)場試驗時，應從被試電抗器的上端引入高壓，下端接工作地線;應將試驗設(shè)備的放電回路盡量接近被試電抗器，縮短保護地線和工作地線的長度。

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