一起電抗器發(fā)熱分析與解決措施

楊 婧，黃智剛

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

0 引 言

隨著近幾年電力飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量越來(lái)越受到廣泛重視。電抗器是變電站常用的電力系統(tǒng)元件，也是重要的基礎(chǔ)元件。電力系統(tǒng)中所采取的電抗器常見的有串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電抗器。串聯(lián)電抗器主要作用是限制短路電流，還可以在濾波器中與電容器一起使用，用串聯(lián)或者并聯(lián)方式限制電網(wǎng)中的高次諧波。

筆者作為設(shè)備管理者，負(fù)責(zé)一起220 kV 某變電站主變串聯(lián)電抗器發(fā)熱問(wèn)題分析，通過(guò)對(duì)串聯(lián)電抗器運(yùn)行情況進(jìn)行研究，查找串聯(lián)電抗器運(yùn)行溫度過(guò)高的可能原因。這對(duì)于運(yùn)行變電站電抗器溫升過(guò)高問(wèn)題的研究與分析有很好參考意義，同時(shí)提出了防止溫升過(guò)高的相關(guān)的建議及措施，大大提高了電抗器運(yùn)行安全穩(wěn)定性。

1 設(shè)備故障狀況

2018 年6 月27 日，運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí)發(fā)現(xiàn)#2 主變10 kV 側(cè)電抗器嚴(yán)重發(fā)熱，發(fā)熱位置是電抗器本體與母排連接處，#2 主變10 kV 側(cè)B 相電抗器溫度133 ℃，A 相電抗器溫度148 ℃，當(dāng)時(shí)負(fù)荷電流為2 622 A（電抗器額定電流是4 000 A)，環(huán)境溫度 30 ℃；當(dāng)負(fù)荷電流在3 120 A 時(shí)，#2 主變10 kV 側(cè)電抗器本體的連接排接近150 ℃；后續(xù)經(jīng)過(guò)負(fù)荷調(diào)整，設(shè)備溫度有所下降，具體測(cè)溫圖片及結(jié)果如圖1 和表1 所示。

圖1 #2 變低電抗器測(cè)溫圖片（負(fù)荷電流2 622 A）

綜合分析可知，#2 主變串聯(lián)電抗器發(fā)熱嚴(yán)重，并且有不斷惡化趨勢(shì)。根據(jù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)DL/T 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》[1]（見表2）中的“電器設(shè)備與金屬部件的連接”熱點(diǎn)溫度＞110 ℃或δ ≥95%，#2 主變串聯(lián)電抗器發(fā)熱判斷為緊急缺陷。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，#2 主變串聯(lián)電抗器是干式空心串聯(lián)電抗器，依據(jù)網(wǎng)公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，電抗器不滿足日常運(yùn)行技術(shù)要求。根據(jù)南方電網(wǎng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范書 《10 kV 干式空心串聯(lián)電抗器》規(guī)定[2]，空心串聯(lián)電抗 器運(yùn)行溫升要求：平均溫升為95 K；熱點(diǎn)溫升為100 K。

2 原因分析

現(xiàn)場(chǎng)檢查，目前電抗器發(fā)熱位置是電抗器本體與母排連接處，此位置2016 年、2017 年均有對(duì)其搭接面進(jìn)行拆卸維護(hù)，按照測(cè)溫圖片顯示，處理效果不佳。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫圖片分析，三相電抗器本體溫度更亮更刺眼（見圖2），電抗器本體也嚴(yán)重發(fā)熱，三相電抗器共用一個(gè)室，室內(nèi)溫度在30 ℃，依據(jù)熱傳遞原理，電抗器本體散熱不佳時(shí)，會(huì)釋放大量熱分子，導(dǎo)致整個(gè)電抗器器室高溫。綜合這些檢查情況，電抗器發(fā)熱問(wèn)題主要集中在電抗器本體和接線掌。

表1 負(fù)荷電流調(diào)整后測(cè)溫結(jié)果

表2 DL/T 664—2008 帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范

圖2 電抗器本體發(fā)熱

電抗器是干式空心串聯(lián)電抗器，主要是繞組、金屬結(jié)構(gòu)件及支柱絕緣子組成一個(gè)整體。繞組是采用聚酯薄膜絕緣的許多并聯(lián)小截面鋁導(dǎo)線繞制而成，在繞組外部用浸漬環(huán)氧樹脂的玻璃纖維纏繞嚴(yán)密包封，并經(jīng)高溫固化，在繞組內(nèi)部沒(méi)有電氣接頭，所有接頭全部焊接到特殊的星形鋁接線板上[3]；現(xiàn)場(chǎng)采用是機(jī)械強(qiáng)度高的鋁質(zhì)星形接線架金屬構(gòu)件；現(xiàn)場(chǎng)安裝方式三相垂直，一字形排布三相，采用支柱絕緣子固定；空心電抗器的整個(gè)內(nèi)外表面上都涂有抗紫外線防老化的特殊防護(hù)層，其附著力強(qiáng)（見圖3）。

圖3 電抗器表面防護(hù)漆

根據(jù)電抗器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行狀況分析，電抗器嚴(yán)重發(fā)熱與負(fù)荷、散熱、渦流及維護(hù)等因素密不可分。本文將對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行詳細(xì)分析，查找故障主要原因、次要原因。

2.1 電抗器過(guò)負(fù)荷

該站地處東莞市長(zhǎng)安鎮(zhèn)中心，附近工業(yè)發(fā)達(dá)，主變變低運(yùn)行負(fù)荷大，易導(dǎo)致電抗器過(guò)負(fù)荷運(yùn)載。當(dāng)負(fù)荷電流逼近其額定值時(shí)，會(huì)引起設(shè)備過(guò)流薄弱處嚴(yán)重發(fā)熱，發(fā)熱處的材料會(huì)發(fā)生變劣化、氧化等物理或化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過(guò)檢查，電抗器負(fù)荷來(lái)源于主變10 kV 輸出負(fù)荷，統(tǒng)計(jì)2018 年迎峰度夏期間主變負(fù)荷變化情況，主變串聯(lián)電抗器并沒(méi)有大于額定電流3 000 A，所以電抗器過(guò)負(fù)荷不是主要原因，如表3 所示。

表3 該站電抗器負(fù)載表

2.2 電抗器散熱不佳

該電抗器為全室內(nèi)設(shè)計(jì)，電抗器在一個(gè)空間很狹窄的小室里，空氣對(duì)流不暢，影響電抗器的散熱性能。檢查繞組表面有大量灰塵和顆粒物，繞組散熱氣道明顯堵塞。經(jīng)過(guò)檢查可知，電抗器散熱不佳和室內(nèi)環(huán)境、繞組散熱通道堵塞有密切關(guān)系，導(dǎo)致電抗器不能及時(shí)散熱，造成其溫升過(guò)高，這是一個(gè)主要原因。

2.3 電抗器渦流和環(huán)流作用

電抗器星臂和連接環(huán)在線圈周圍空間存在較強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，星臂和連接環(huán)處于強(qiáng)磁場(chǎng)中，會(huì)產(chǎn)生較大的渦流，從而使得星臂和連接環(huán)溫度會(huì)升高；星臂中心是匯流排連接環(huán)，除渦流損耗外，還有環(huán)流損耗。當(dāng)電抗器散熱不佳時(shí)，電抗器渦流和環(huán)流損耗會(huì)釋放大量熱量，加速其溫升過(guò)高，這也是一個(gè)主要原因。

2.4 停電維護(hù)不到位

查閱過(guò)往的電抗器維護(hù)記錄發(fā)現(xiàn)，2016 年、2017年均有對(duì)其搭接面進(jìn)行拆卸維護(hù)，對(duì)電抗器本體其他沒(méi)有維護(hù)。從現(xiàn)場(chǎng)檢查可知，電抗器繞組表面有大量灰塵和顆粒物，日常維護(hù)工作不到位，造成電抗器表面散熱氣道堵塞，這也是一個(gè)主要原因。

2.5 長(zhǎng)期高溫條件下，設(shè)備絕緣性能惡化

現(xiàn)場(chǎng)檢查電抗器特殊防護(hù)層已經(jīng)明顯劣化，繞組有明顯的防護(hù)漆脫落。這臺(tái)電抗器運(yùn)行20 多年，始終處于高溫狀態(tài)運(yùn)行。經(jīng)過(guò)2018 年6-8 月份觀察，電抗器平均溫度100 ℃左右。因?yàn)殡娍蛊髦饕牧鲜墙饘俨牧虾徒^緣材料，在高溫條件下，金屬材料影響不大，而絕緣材料的機(jī)械性能和絕緣性能下降很快，在不斷惡性循環(huán)下，絕緣材料使用壽命有很大影響，所以高溫對(duì)電抗器使用壽命有很大影響，這也是其發(fā)熱一個(gè)主要原因。綜合分析可知，電抗器發(fā)熱原因主要有如下4 點(diǎn)。（1）電抗器散熱不佳，電抗器室內(nèi)設(shè)計(jì)不合理，以及電抗器氣道堵塞。

（2）電抗器本體渦流發(fā)熱和環(huán)流發(fā)熱，電抗器在設(shè)計(jì)和工藝上存在問(wèn)題

（3）電抗器運(yùn)行停電維護(hù)不到位，散熱通道存在堵塞物沒(méi)有及時(shí)清除。

（4）電抗器運(yùn)行年限長(zhǎng)，長(zhǎng)期在高溫條件下絕緣性能惡化。

3 處理和措施

3.1 加快老化設(shè)備技術(shù)改造更新

此類電抗器設(shè)備運(yùn)行年限長(zhǎng)，絕緣性能退化嚴(yán)重。而在保有量設(shè)備檢修維護(hù)方面，相應(yīng)廠家不少面臨經(jīng)技術(shù)支持不足、備件供應(yīng)困難等局面，造成檢修效果欠佳。因此，從根本上應(yīng)加快該類設(shè)備的更新改造，提高設(shè)備使用壽命。

3.2 在電抗器室采取一些必要的降溫措施

為改善電抗器室的運(yùn)行環(huán)境，在電抗器室內(nèi)配置空調(diào)、風(fēng)機(jī)等?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員加強(qiáng)設(shè)備巡視和測(cè)溫，一旦出現(xiàn)異常情況溫升或溫度過(guò)高，采取此類降溫措施，可以大大降低室內(nèi)溫升，保護(hù)設(shè)備絕緣性能。

在現(xiàn)有條件下，更換電抗器柜體板門結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)通風(fēng)，使電抗器室內(nèi)空氣對(duì)流。

3.3 電抗器本體停電維護(hù)到位

空心電抗器停電檢修維護(hù)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)電抗器散熱通道灰塵清潔處理，清除異物，特別是采用多層繞組并聯(lián)筒形結(jié)構(gòu)各包封之間通風(fēng)氣道清潔干凈，以確保電抗器氣道通暢，氣體對(duì)流，減少電抗器發(fā)熱風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 處理電抗器渦流發(fā)熱和環(huán)流發(fā)熱措施

電抗器本體連接環(huán)斷口，連接環(huán)斷開后能避免形成環(huán)流，從而降低環(huán)流損耗，進(jìn)而降低溫升，具體處理措施如下。

首先，將切割位置周圍鋪一層塑料膜，防止鋁粉濺落到電抗器本體上。

其次，用鋼鋸將連接環(huán)從上到下做一切口，缺口寬度2 ～3 mm，具體如圖4 所示，使連接環(huán)由之前閉環(huán)改為開環(huán)，從而有效降低連接環(huán)運(yùn)行的溫度。

圖4 連接環(huán)開口

再次，切割完成后使用砂紙對(duì)切口位置進(jìn)行打磨清潔，去除毛刺，使得切口表面光滑。

從次，在切口處填充浸膠的環(huán)氧板，膠液固化后和連接環(huán)形成一個(gè)整體。

最后，縫隙處飽滿填充絕緣鋼化環(huán)氧膩?zhàn)雍蛯訅喊?，外?cè)包覆玻璃鋼層，填充和包料屈服強(qiáng)度不小于120 MPa，和臂環(huán)鋁合金材料屈服強(qiáng)度一致，處理后的開槽覆材臂環(huán)產(chǎn)品和未理后的臂環(huán)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一致，然后表面噴涂與本體顏色一致油漆。

將硅鋼片疊片安裝在連接環(huán)附近的星臂上，每星臂兩側(cè)各有一個(gè)，將穿過(guò)連接環(huán)磁場(chǎng)導(dǎo)出，對(duì)連接環(huán)形成屏蔽（見圖5），從而降低渦流損耗，進(jìn)而降低電抗器溫升，具體處理措施如下。

圖5 加裝硅鋼片磁場(chǎng)分部

首先，硅鋼片（厚度15 mm）疊片先經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹脂繞注，疊片整體在包裹玻璃纖維帶以形成統(tǒng)一的 整體。

其次，采用絕緣栓將星臂的兩側(cè)的繞注的硅鋼片疊片固定在星臂上，上下端部分別用絕緣栓緊固，增加可靠性，可保證長(zhǎng)期安全運(yùn)行（見圖6）。

圖6 硅鋼片屏蔽裝置

采用美國(guó)進(jìn)口絕緣螺栓，玻璃鋼材質(zhì)，拉伸強(qiáng) 度≥14.5 kN，圖7 是幾種螺栓對(duì)比圖。

圖7 絕緣螺栓

采用美國(guó)進(jìn)口絕緣螺栓強(qiáng)度完全符合要求，在其他站已有運(yùn)用，緊固良好，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)定期對(duì)絕緣螺栓進(jìn)行排查，防止出現(xiàn)松動(dòng)。

4 試驗(yàn)測(cè)量

（1）對(duì)電抗器連接環(huán)斷口，加裝硅鋼片屏蔽裝置前后進(jìn)行電感值測(cè)量，前后數(shù)據(jù)有明顯變化，如表4所示。

表4 電抗器加裝硅鋼片前后電感值表

加裝導(dǎo)磁裝置后，由于磁場(chǎng)分布產(chǎn)生了變化，因此電抗器電感值略微增加1.3%，較額定值的偏差為3.6%，滿足電抗器標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。

（2）加裝改進(jìn)的屏蔽裝置后，按照試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，施加電流4 000 A，環(huán)境溫度34 ℃，電抗器試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 電抗器試驗(yàn)結(jié)果

綜合分析溫升情況，電抗器連接環(huán)斷開后，以及加裝硅鋼片屏蔽層，電抗器本體溫升明顯降低，2 600 A 時(shí)連接環(huán)溫升46K，4 000 A 時(shí)連接環(huán)最終溫升86K，效果明顯，滿足技術(shù)規(guī)范要求。對(duì)電抗器試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)匯總可知，電抗器本體溫度隨著電流遞增，電流和溫度成對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成良好曲線圖，沒(méi)有明顯突變，試驗(yàn)效果良好，如圖8 所示。

圖8 電抗器本體溫度隨電流變化

5 結(jié) 論

鑒于本次改造實(shí)例，以后設(shè)備運(yùn)行維護(hù)和新建變電站可以重點(diǎn)考慮這幾方面因素，把故障隱患控制在萌芽狀態(tài)，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。本文為今后新建變電站選擇主變串聯(lián)電抗器提供了明確指導(dǎo)方向。