干式空心電抗器匝間絕緣試驗關鍵技術及裝置研究

戴瑞海，夏曉波，林 堅，季凌武，江少成

（溫州電力局，浙江 溫州 325000）

0 引言

根據(jù)近年統(tǒng)計分析干式空心電抗器（以下簡稱電抗器）故障資料，發(fā)現(xiàn)造成其燒毀的主要原因是匝間絕緣短路故障[1-3]，而目前國內缺乏有效的試驗設備，進口的試驗設備又非常昂貴。因此，研制一種能夠有效檢測電抗器匝間絕緣故障的廉價設備顯得十分迫切。

理論研究發(fā)現(xiàn)當電抗器存在匝間絕緣缺陷時，施加于電抗器兩端電源頻率越高，其電感改變越大[4-5]。根據(jù)這一原理，目前國內外已研制、生產(chǎn)了一些不同類型電抗器匝間絕緣故障檢測裝置，但其性能往往達不到相關標準的要求，主要表現(xiàn)在：試驗電壓不夠高、每秒放電次數(shù)和振蕩頻率達不到IEEE標準要求；試驗設備超重及體積超大；試驗數(shù)據(jù)可信度不高，容易造成電抗器匝間絕緣狀況判斷不正確；不能進變電所現(xiàn)場試驗，尤其室內電抗器根本無法試驗。

在分析這些不成熟的試驗裝置基礎上，用倍壓塔、限流電阻及觸發(fā)球隙實現(xiàn)對放電頻率的控制，突破了電抗器匝間絕緣檢測試驗關鍵技術。

1 電抗器匝間絕緣試驗方法分析

對于電抗器匝間絕緣檢測的試驗，國家標準和IEEE標準都作了規(guī)定，其基本方法可歸納為以下幾種：

（1）感應電壓法。與變壓器匝間絕緣試驗的方法相同，用感應電壓法間接地對被試線圈施加電壓，達到匝間耐壓檢查的目的。

（2）直接施加工頻電壓法。用試驗變壓器對電抗器施加工頻電壓，考核電抗器匝間絕緣耐受過電壓的能力。

（3）若方法（2）所要求的試驗容量和電壓超出了試驗能力，可用雷電沖擊電壓試驗代替。目前西安中揚電氣公司就采用雷電沖擊電壓試驗考核匝間絕緣。

（4）高頻振蕩能量吸收法。這是一種基于能量吸收原理，檢測繞組匝間故障的方法。

（5）高頻振蕩電壓法。當電抗器存在匝間絕緣缺陷時，施加于電抗器兩端電源頻率越高，其電感改變越大。根據(jù)這一原理，通過對電抗器施加高頻振蕩脈沖，記錄電抗器兩端的電壓或電流波形，并與先前數(shù)據(jù)及同型號電抗器試驗數(shù)據(jù)比較，可以判斷其是否存在匝間絕緣缺陷[6]。

前4種試驗方法，存在試驗容量大、靈敏度不高等不足；高頻振蕩電壓法試驗結果較好，但目前缺乏優(yōu)良的試驗設備。

2 幾種基于高頻振蕩電壓法的試驗裝置分析

高頻振蕩電壓法是一種對電抗器直接施加高頻脈沖電壓的方法[6-7]。根據(jù)IEEE C57.21和IEEE C57.26標準推薦電抗器匝間絕緣檢測電路的工作原理，國內一些研究單位設計了多種實現(xiàn)方法。如文獻[8]提出了圖1所示的試驗方案（方案一）；蘇州某電力試驗設備企業(yè)設計了如圖2所示的試驗方案（方案二）。

雖然文獻[8]給出了方案一的試驗波形，但通過仿真和試驗分析，可以發(fā)現(xiàn)只能實現(xiàn)50次/s的放電，只有標準規(guī)定次數(shù)的一半。方案一在球隙擊穿瞬間，由于ωL極大，阻抗接近零，試驗變壓器通過限流電阻短接，存在輸出功率過大的問題，峰值達300 kVA，如圖3所示；方案二也存在類似過載問題，球隙擊穿時電源瞬時輸出功率如圖4所示。

圖1 電抗器絕緣試驗裝置（方案一）原理

圖2 電抗器絕緣試驗裝置（方案二）原理

圖3 球隙擊穿時試驗變壓器輸出功率（方案一）

圖4 球隙擊穿時試驗變壓器輸出功率（方案二）

方案一、二的實現(xiàn)需要容量很大的試驗變壓器，成本高、運輸困難，不能在電抗器運行現(xiàn)場使用。另外，方案一、二均存在球隙擊穿過程中試驗變壓器亦參與脈沖電容器和試驗電抗器LC振蕩的情況，振蕩頻率不能真實反映電抗器電感變化。

通過對以上兩種試驗裝置的仿真和試驗，發(fā)現(xiàn)其不成熟的主要原因在于球隙擊穿后形成通路，流過球隙電流較大，電弧呈紅色，不能及時熄滅。

在經(jīng)過多次仿真和試驗探索之后，提出用旋轉電極實現(xiàn)的電抗器匝間絕緣檢測裝置（方案三），如圖5所示，同步電機帶動的兩旋轉電極相位差90°。應用高速旋轉的電極在電容與電抗器諧振時，強行切斷變壓器輸出，從而保證變壓器輸出不會通過球隙直接形成回路，也確保了其輸出不會過流。

圖5 電抗器絕緣試驗裝置（方案三）原理

該方案的工作原理：變壓器輸出通過高壓硅堆整流橋整流給穩(wěn)壓濾波電容C1充電，C1電壓保持在一穩(wěn)定值。旋轉電極1、旋轉電極2互相垂直，以3 000 r/min恒定速度轉動。當旋轉電極1導通時，C2被充電至試驗電壓，此時旋轉電極2處于關斷狀態(tài)；5 ms后，電極2導通，C2對電抗器放電，LC諧振開始，此時電極1處電弧已被強行拉開，處于關斷狀態(tài)，變壓器輸出不會經(jīng)電極形成回路。

對方案三仿真計算得到電抗器兩端電壓波形（見圖6），電源輸出功率不到15 kVA，相比方案一、二要小得多。

運用旋轉電極方案組成試驗裝置對電抗器進行試驗，測得電壓波形如圖7所示（分壓比2000）。

圖6 電抗器兩端電壓仿真試驗波形（方案三）

圖7 電抗器試驗電壓波形（方案三）

在額定電壓下對電抗器試驗時，電源功率不到20 kVA，較之前述兩方案有實質性的突破，解決了球隙擊穿瞬間試驗變壓器輸出功率過大的問題，而且能實現(xiàn)對電抗器放電60次/s，達到IEEE有關標準的要求。

但該方案使用了旋轉電極，放電時兩間隙同時擊穿，電波在兩間隙、多種波阻抗不同導體中不斷地被折射、發(fā)射，產(chǎn)生頻率和幅值均很高的干擾信號，嚴重影響試驗測量及結果分析的準確性。另外電極高速旋轉，可能造成裝置本身震動，也影響裝置的穩(wěn)定工作。

3 新型試驗裝置的研究

方案三雖然很好地解決了方案一、二球隙擊穿時變壓器輸出功率過大，球隙間電弧不易熄滅的問題，但同時帶來了嚴重的干擾。可以發(fā)現(xiàn)電抗器匝間絕緣檢測的關鍵技術在于滿足放電次數(shù)和振蕩頻率的前提下，控制電容對電抗器放電時變壓器輸出功率不過載，電容與電抗器組成LC振蕩回路應盡量排除各種干擾。

充分比較前述三種方案的特性，在進一步試驗和仿真的基礎上，提出了采用大電阻限流、觸發(fā)點火的試驗方案（方案四），如圖8所示。

圖8 電抗器絕緣試驗裝置（方案四）

該方案的工作原理：變壓器輸出電壓通過倍壓塔升至額定試驗電壓，倍壓塔兼具有穩(wěn)壓濾波功能。倍壓塔通過電阻R給電容C充電至額定試驗電壓U；每隔10 ms球隙在點火裝置觸發(fā)下?lián)舸┓烹?次（即放電頻率為100 Hz），實現(xiàn)脈沖電容C對電抗器L放電，LC諧振開始。由于限流電阻R阻值達10 MΩ，倍壓塔對LC振蕩頻率影響可以忽略；LC諧振期間，通過R流向脈沖電容C的電流非常小，不影響球隙間電弧熄滅。LC諧振結束后，球隙間電弧熄滅。脈沖電容C重新充電近10 ms至額定試驗電壓，球隙在點火裝置觸發(fā)下再次擊穿，新的LC振蕩開始……如此循環(huán)，直至試驗停止。

方案四克服了前述三種方案的缺點，變壓器輸出功率不過載，不會出現(xiàn)方案三中那樣的干擾信號，能實現(xiàn)對電抗器60次/s匝間耐壓試驗，同時變壓器輸出功率小于15 kVA，又能得到比較準確的測量波形。裝置由于采用倍壓塔升壓，要求升壓變壓器輸出電壓可以較低，整套裝置所需設備體積、重量均較小，容易進入變電所無功補償室使用。

4 電抗器匝間絕緣試驗數(shù)據(jù)分析

對電感值分別為180 mH，280 mH的2只電抗器進行試驗，在電抗器正常和存在匝間短路的情況下，按相關標準分別施加80 kV，180 kV試驗電壓，測出電壓、電流波形。

電感值約為180 mH的電抗器匝間絕緣試驗結果如圖9，10所示；電感值280 mH的電抗器匝間絕緣試驗結果如圖11，12所示。試驗分壓比1000；圖中實線是電抗器完好狀態(tài)下試驗波形；虛線是電抗器存在匝間短路狀態(tài)下試驗波形。

圖9 180 mH的電抗器匝間絕緣80 kV試驗電壓波形（分壓比1000）

圖10 180 mH的電抗器匝間絕緣180 kV試驗電壓波形（分壓比1000）

圖11 280 mH的電抗器匝間絕緣80 kV試驗電壓波形（分壓比1000）

從試驗波形中可以直觀明顯地看到存在匝間短路時，電抗器兩端的電壓和流經(jīng)電抗器兩端電流的振蕩頻率比電抗器完好時的頻率要高，衰減速度要快。這表明大量能量消耗在短路環(huán)上，即渦流損耗和環(huán)流損耗。1 min試驗結束后，發(fā)現(xiàn)短路環(huán)附近線圈溫度比電抗器上其他位置溫度高出10℃，這也表明短路環(huán)在試驗中消耗了大量能量。對未知匝間絕緣故障位置的電抗器，亦可由此變化來確定故障位置。

實際使用過程中，可以對比A，B，C三相電抗器的試驗波形，也可以將試驗波形與先期的試驗波形進行對比。當2次波形差異不大的時，可將試驗數(shù)據(jù)進行傅立葉變換，查看其頻譜分布曲線，以判斷電抗器是否存在匝間絕緣缺陷。如圖13為圖12所示的電感值為180 mH的電抗器匝間絕緣180 kV試驗電壓波形頻譜。

圖12 180 mH的電抗器匝間絕緣180 kV試驗電壓波形（分壓比 1000）

圖13 180 mH的電抗器匝間絕緣180 kV試驗電壓波形頻譜

5 結語

通過比較幾種不成熟的電抗器匝間絕緣檢測裝置，發(fā)現(xiàn)其不成熟的原因后，提出了采用倍壓、大電阻限流、觸發(fā)點火的試驗方案，研制了一套體積小、重量輕的試驗裝置。

利用該試驗裝置對電抗器的匝間絕緣試驗證明，用脈沖振蕩電壓法并利用比較電抗器線圈兩端的電壓（或流過線圈的電流）波形變化情況來判斷電抗器的匝間絕緣狀態(tài)是可行、有效的。同時也證明所設計的電抗器匝間絕緣度試驗裝置能滿足有關IEEE標準的各項指標要求，并對檢測電抗器匝間絕緣具有較高的靈敏度，能滿足現(xiàn)場試驗的要求。

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