李繪妍，趙明淑，魏 曄，湯思涵，王禹霏

(國(guó)網(wǎng)撫順供電公司，遼寧 撫順 113008)

66kV相控電抗器燒毀故障分析

李繪妍，趙明淑，魏 曄，湯思涵，王禹霏

(國(guó)網(wǎng)撫順供電公司，遼寧 撫順 113008)

簡(jiǎn)述了干式空芯電抗器的結(jié)構(gòu)原理和用途，以及干式空芯電抗器在運(yùn)行中常見的幾種故障。詳細(xì)介紹了李石寨變電站66 kV SVC用相控干式空芯電抗器燒毀事故的經(jīng)過，對(duì)干式空芯電抗器燒毀事故的原因進(jìn)行了論證、分析，找到設(shè)計(jì)、制造過程中，由于線圈的絕緣存在質(zhì)量問題，覆膜絕緣制造工藝存在先天缺陷，導(dǎo)致匝間短路，致使大面積燒毀。提出了為避免此類事故再次發(fā)生，應(yīng)該加強(qiáng)出廠及交接感應(yīng)耐壓試驗(yàn)。

電抗器；漏磁；局部過熱；匝間擊穿；污閃

Abstract:This paper describes the dry air core reactor structural principle and purpose, while briefly dry air core reactors in operation several common faults. It says in detail the substation 66 kV SVC with phased-dry type air core reactor burn accidents through .The dry type air core reason reactors burn accidents are demonstrated, analysis and using the popular elimination.Finally it finds the design, manufacture process.Due to quality problems insulated coil, the inter-turn short circuit, resulting in a large area burned. To avoid such accident happen again, we should strengthen the factory and handover induced overvoltage with stand test.

Keywords：reactor；leakage flux；local overheating；breakdown；pollution flashover

電抗器又稱電感線圈(L)，在電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，是能在電路中起阻抗(XL)作用的電氣設(shè)備。電力系統(tǒng)中采用的電抗器，按其繞組內(nèi)有無鐵芯分為鐵芯式電抗器和空心式電抗器2種形式，油浸鐵芯式電抗器的結(jié)構(gòu)與變壓器相似，主要由線圈、鐵芯和油箱等部件組成,干式空芯式電抗器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)無導(dǎo)磁材料的空芯線圈[1]。

干式空芯電抗器的繞組，是用聚脂薄膜絕緣的鋁導(dǎo)線繞成的多個(gè)單層線圈，其首尾端是分別并聯(lián)的。層間用聚脂薄膜或間隔放入空氣氣道作為絕緣或散熱，實(shí)際上相鄰間接近同電位，故層間絕緣較可靠[2]。繞組繞成后干燥浸漬聚脂并固化，在其上下放置類似蜘蛛網(wǎng)狀防磁材料支架夾緊，支架下用絕緣子和撐腳固定于地面基礎(chǔ)，基礎(chǔ)混凝土的各鋼筋間需相互絕緣，不能構(gòu)成回路，以防止漏磁引起渦流損耗[3]。干式電抗器是空芯的單相結(jié)構(gòu)，三相組可以疊放在一起，或水平排列或三角形排列。

由于設(shè)計(jì)和制造存在先天缺陷，近幾年干式空芯電抗器事故率很高。2012年9月14日，李石寨變電站僅僅運(yùn)行3天的66 kV SVC用相控干式空芯電抗器就發(fā)生燒毀事故。

1 電抗器在電力系統(tǒng)中的作用

電抗器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)隨著負(fù)荷的不斷增大，系統(tǒng)的短路電流也越來越大，如果不加以限制，要保持電氣設(shè)備的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定是非常困難的。為了滿足某些斷路器遮斷容量的要求，常在出線斷路器處串聯(lián)電抗器，增大短路阻抗，限制短路電流；在濾波器中與電容器串聯(lián)或并聯(lián)用來限制電網(wǎng)中的諧波；還可以通過調(diào)整并聯(lián)電抗器的數(shù)量來調(diào)整運(yùn)行電壓；另外在SVC中為保證TCR調(diào)節(jié)控制性能準(zhǔn)確采用的相控電抗器等。

2 干式空芯電抗器常見故障及原因

2.1相間短路

由于干式空芯電抗器沒有外殼遮蔽，特別是疊裝結(jié)構(gòu)的電抗器，由于其相間距離較近，如小動(dòng)物或較大的鳥類竄入電抗器內(nèi)，會(huì)造成相間短路故障，不但損壞電抗器，而且會(huì)引起主變壓器跳閘，造成大面積停電。

2.2匝間短路

電抗器匝間絕緣擊穿短路是引起干式空芯電抗器損壞的重要原因。由于制造工藝問題，電抗器繞組如果在某處有夾渣、毛刺等缺陷，絕緣用的聚脂薄膜就可能損壞，導(dǎo)致該處在運(yùn)行過程中發(fā)生匝間短路，產(chǎn)生局部過熱，在長(zhǎng)期的熱累積效應(yīng)下，造成局部溫度過高, 產(chǎn)生絕緣老化，匝間短路范圍不斷擴(kuò)大，使得電抗器包封電流不斷增大，最終造成從下至上貫穿性燒毀，鋁導(dǎo)線被燒斷，同時(shí)將引起相鄰兩包封的包封絕緣燒損[4]。

另外電抗器的電抗比較大，在運(yùn)行時(shí)隨著負(fù)荷電流的增大而發(fā)熱，時(shí)間長(zhǎng)容易導(dǎo)致絕緣老化引起匝間短路，在匝間短路時(shí)電抗器的相電流變化不大，但是如不及時(shí)切除，由于電抗器漏磁磁場(chǎng)的強(qiáng)烈交感作用，電弧將會(huì)危及整個(gè)線圈，造成全相短路。這時(shí)非故障相的電流達(dá)到額定電流的1.73倍，時(shí)間一長(zhǎng)，這些線圈也會(huì)因過熱發(fā)生絕緣擊穿。

2.3樹枝狀放電

以環(huán)氧樹脂固化外包絕緣的電抗器線圈，其表面的絕緣強(qiáng)度也不能與表面光滑均勻的瓷套相比擬，由于線圈的對(duì)地電容和匝間縱向電容的影響，電壓分布并不均勻。在不均勻電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，受到潮濕和污穢影響，電抗器表面電位梯度偏高的地方，空氣將局部游離形成電暈和迅速移動(dòng)的分支滑閃放電[1]?？諝庥坞x的同時(shí)將分解出臭氧和一氧化氮，這些氣體與絕緣表明的水分結(jié)合而生成亞硝酸或硝酸，它腐蝕絕緣使之炭化，在絕緣表面蝕成深槽，而降低了絕緣強(qiáng)度。久而久之，電抗器運(yùn)行時(shí)的噪聲開始增大，本體開始松動(dòng)，沿?fù)螚l將發(fā)生爬電，最終在電抗器的線圈表面發(fā)生樹枝狀放電現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可使電抗器起火燒毀。因此，除了線圈匝間絕緣燒損事故外，線圈表面樹枝狀放電也是導(dǎo)致干式空芯電抗器事故的主要原因之一。

2.4漏磁

干式空芯電抗器由于沒有鐵芯對(duì)磁通的規(guī)范，也不能采取磁屏蔽的措施，所以電抗器周圍空間存在強(qiáng)大的磁場(chǎng)。為了避免電抗器相互間以及對(duì)臨近的金屬架構(gòu)和接地網(wǎng)電磁感應(yīng)造成影響，制造廠規(guī)定了彼此間應(yīng)保持的距離。

漏磁的危害：在電抗器軸向位置有接地網(wǎng)，徑向位置有設(shè)備、遮攔、構(gòu)架等，都可能因金屬體構(gòu)成閉環(huán)造成嚴(yán)重的漏磁問題，對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。漏磁在閉環(huán)中將感應(yīng)出數(shù)百安培的電流，這不僅增大電抗器的損耗，更因其建立的反向磁場(chǎng)同電抗器的部分繞組耦合而產(chǎn)生嚴(yán)重問題。如徑向位置有閉環(huán)，將使電抗器繞組過熱或局部過熱。如軸向位置有閉環(huán)，將使電抗器電流增大和電位分布改變，故漏磁對(duì)電抗器的危害很大。

2.5污閃

電抗器在戶外的大氣條件下運(yùn)行一段時(shí)間(2～3年)后，其表面會(huì)有污物沉積，同時(shí)表面噴涂的絕緣材料也會(huì)出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，形成另一種污層。在大霧或毛毛雨時(shí)，表面的污層會(huì)受潮，導(dǎo)致表面泄漏電流增大，產(chǎn)生熱量。由于電抗器的表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布不均，在電場(chǎng)集中區(qū)域的水分蒸發(fā)較快，這樣就造成表面部分區(qū)域出現(xiàn)干弧區(qū)。在干弧區(qū)的電壓分布較高，會(huì)產(chǎn)生局部放電。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，電弧將發(fā)展并發(fā)生合并，在表面形成樹枝狀放電，當(dāng)沿面樹狀放電貫穿兩極時(shí),形成沿表污穢閃絡(luò)。

2.6溫升

電抗器有些事故是由于運(yùn)行中線圈某點(diǎn)溫度高，加速了聚酯薄膜老化，使其失去絕緣性能，從而會(huì)縮短電抗器的使用壽命。造成溫升的主要原因如下。

a. 溫升的設(shè)計(jì)裕度取值很小，使設(shè)計(jì)值與國(guó)標(biāo)規(guī)定的溫升限值很接近。

b. 在制造過程中，繞制繞組時(shí)線軸的配重不夠，繞制速度不均，有過快和停機(jī)現(xiàn)象，這樣勢(shì)必造成繞組松緊度不好和繞組電阻的變化。

c. 繞組的線徑選擇接近目標(biāo)限值，則電抗器的電阻值就偏小。因?yàn)殡娍蛊鞯念~定電流較大，所以負(fù)載損耗增大，運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量也可能超標(biāo)。

d. 接線端子與繞組焊接處的焊接電阻是由于焊接質(zhì)量的問題產(chǎn)生的附加電阻，該焊接電阻產(chǎn)生附加損耗使接線端子處溫升過高。

2.7諧波

隨著冶金、煤炭、化工、電氣化鐵路等非線性負(fù)荷不斷入網(wǎng)運(yùn)行，其在用電過程中將產(chǎn)生大量諧波注入電網(wǎng)，造成電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，供電設(shè)備安全運(yùn)行可靠性下降，運(yùn)行壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)可以造成電網(wǎng)事故。對(duì)于電抗器來說，諧波可能造成電抗器與局域網(wǎng)內(nèi)的容性設(shè)備共同引起諧波放大，嚴(yán)重時(shí)局域網(wǎng)甚至發(fā)生諧振，引發(fā)電抗器燒毀事故。

3 干式空芯電抗器故障實(shí)例

3.1李石寨66kVSVC用相控干式空芯電抗器參數(shù)

額定電壓/頻率：66 kV/50 Hz

額定電流：371 A

額定電感：237.7 mH

額定雷電沖擊水平：325 kV

額定工頻耐壓水平：165 kV

導(dǎo)線材料：鋁導(dǎo)線

絕緣等級(jí)：整體F級(jí)，匝間H級(jí)

3.2干式空芯電抗器燒毀的經(jīng)過

2012年9月14日13：40：33—13：41：25，SVC的A相電流開始變化，范圍是600～640 A(峰值)；13：41：26-13:42:04，A相電流繼續(xù)增大范圍640～680 A(峰值)。隨后，電抗器的電流峰值到達(dá)1 500 A，此時(shí)SVC控制器計(jì)算得到的A相電流全波有效值達(dá)到749 A，最終引起速斷保護(hù)動(dòng)作。根據(jù)事故錄波，當(dāng)時(shí)母線電壓A、B、C相沒有變化，B、C相電流均在370 A左右正常運(yùn)行，A、B、C相觸發(fā)角正常(由于現(xiàn)有的電抗器保護(hù)都無法提供快速有效保護(hù)。因此，實(shí)際運(yùn)行中是運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)電抗器冒煙、著火后，由運(yùn)行人員操作跳開斷路器)。故障波形、數(shù)據(jù)如圖1、圖2所示。

圖1 故障波形圖

圖2 故障數(shù)據(jù)

2012年9月15日早到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，AB相電抗器下線圈外部起火，在出線端子的部位，起火點(diǎn)位于第9—11包封處，中間瓷瓶有一支熏黑，對(duì)應(yīng)底部瓷瓶及地面有燒融的鋁氧化物，其他部位未見異常，故障照片如圖3、圖4所示。

圖3 燃燒后熏黑的部位

圖4 燒融的殘?jiān)?/p>

3.3故障原因分析

2012年9月26日，撫順供電公司相關(guān)人員、生產(chǎn)廠家人員會(huì)同相關(guān)專家，對(duì)損壞電抗器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解剖。解剖發(fā)現(xiàn)，第10包封導(dǎo)線已從下到上貫穿性燒毀，包封下部和上部各有一個(gè)大洞出現(xiàn)，有大量導(dǎo)線融化的金屬殘?jiān)５?和11包封也被嚴(yán)重波及，包封絕緣被燒毀，燒損部位焦黑一片，如圖5—圖7所示。

圖5 第9包封燒損情況

圖6 第11包封燒損情況

圖7 第10包封燒損情況

3.4確定事故原因

通過翻閱事故當(dāng)時(shí)記錄可知，僅僅投運(yùn)31 h；事故當(dāng)日即2012年9月14日，天氣晴朗，風(fēng)速2～3級(jí)，溫度18～27 ℃；從外觀檢查，包封絕緣的整體性完好，絕緣材料沒有發(fā)生裂紋和開裂等現(xiàn)象；事故現(xiàn)場(chǎng)沒有發(fā)現(xiàn)小動(dòng)物的尸??；安裝地點(diǎn)不存在金屬閉環(huán)；李石寨變電站諧波測(cè)試沒有超標(biāo)。為進(jìn)一步確定電抗器事故原因，在廠家的配合下從2012年10月7—10日晚，歷時(shí)4天對(duì)返廠的所有相控電抗器進(jìn)行仔細(xì)的外觀檢查，同時(shí)進(jìn)行非常嚴(yán)格的各種電氣試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括：直流電阻試驗(yàn)、負(fù)載損耗試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、紅外測(cè)溫試驗(yàn)、震蕩波感應(yīng)耐壓試驗(yàn)。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、外觀查看和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以判斷該次電抗器燒毀事故與相間短路、樹枝狀放電、漏磁、污閃(污閃的三要素是作用電壓、污穢、潮濕)、溫升和諧波等無關(guān)。此次事故的原因應(yīng)該是導(dǎo)線本身有夾渣、毛刺；或鋁線拉絲過程失誤導(dǎo)致部分導(dǎo)線過細(xì)；或繞包線圈時(shí)施工人員不小心碰破覆膜絕緣(絕緣膜為電工聚酯薄膜，熔點(diǎn)≥256 ℃，電氣強(qiáng)度≥190 V/μm。采用厚度為30 μm的絕緣膜，單層薄膜擊穿電壓≥5 700 V，采用3層半疊包工藝)。

經(jīng)過綜合分析，最后的結(jié)論是：由于覆膜絕緣制造工藝存在先天缺陷，導(dǎo)致在運(yùn)行過程中發(fā)生匝間短路，產(chǎn)生局部過熱，匝間短路范圍不斷擴(kuò)大，最終造成貫穿性燒毀事故。

4 結(jié)論

電抗器匝間絕緣擊穿短路是引起干式空芯電抗器損壞的重要原因。國(guó)家電網(wǎng)公司《十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》條文10.2.4.5提出“干式空芯電抗器出廠應(yīng)進(jìn)行匝間耐壓試驗(yàn)，當(dāng)設(shè)備交接時(shí)，具備條件時(shí)應(yīng)進(jìn)行匝間耐壓試驗(yàn)?！庇忠?yàn)楝F(xiàn)有的電抗器保護(hù)無法提供快速有效的保護(hù)，實(shí)際運(yùn)行中通常是運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)電抗器冒煙、著火后，由運(yùn)行人員操作跳開斷路器。因此，通過匝間耐壓試驗(yàn)嚴(yán)控電抗器制造質(zhì)量，是一項(xiàng)行之有效的質(zhì)量保障措施。需要強(qiáng)調(diào)的是，進(jìn)行匝間耐壓試驗(yàn)的設(shè)備必須能提供足夠的匝間耐壓試驗(yàn)?zāi)芰炕蜃銐虼蟮碾妷憾付取?/p>

以前，通常利用雷電沖擊法進(jìn)行空芯電抗器匝間耐壓試驗(yàn)。鼓勵(lì)采用震蕩波法進(jìn)行空芯電抗器匝間耐壓試驗(yàn)，建議增加鋁線探傷新方法，達(dá)到快速、準(zhǔn)確、及時(shí)檢查出導(dǎo)線損傷及其夾渣的目的，提高電抗器的運(yùn)行可靠性。

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Analysis of 66 kV Phase-controlled Reactor Accident

LI Huiyan，ZHAO Mingshu，WEI Ye，TANG Sihan，WANG Yufei

(State Grid Fushun Power Supply Company，F(xiàn)ushun，Liaoning 113008，China)

TM47

A

1004-7913(2017)07-0055-04

2017-05-20)

李繪妍(1988)，女，碩士，工程師，主要從事人力資源專業(yè)工作。