35 kV干式并聯(lián)電抗器家族缺陷分析及改進(jìn)措施

孟 毅，李凱宇

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

35 kV干式并聯(lián)電抗器家族缺陷分析及改進(jìn)措施

孟 毅，李凱宇

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

介紹了一起35 kV干式并聯(lián)電抗器家族缺陷，分析了缺陷產(chǎn)生的原因。指出電抗器調(diào)匝線圈安裝位置對(duì)其所處附近電場(chǎng)強(qiáng)度有重要影響，當(dāng)調(diào)匝線圈安裝于繞組頂層時(shí)，調(diào)匝線圈附近局部最大電場(chǎng)強(qiáng)度將遠(yuǎn)大于其安裝于繞組底層時(shí)，在電抗器投切操作過(guò)電壓條件下，更易發(fā)生局部放電或擊穿，將導(dǎo)致調(diào)匝線圈起火和燒毀電抗器。同時(shí)指出了家族缺陷電抗器調(diào)匝線圈制造工藝存在的問(wèn)題，介紹了該起家族缺陷的認(rèn)定情況，對(duì)家族缺陷電抗器產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行維護(hù)提出了改進(jìn)措施。

干式并聯(lián)電抗器；家族缺陷；匝線圈；操作過(guò)電壓

0 引言

干式空心電抗器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電抗值線性度好、質(zhì)量輕、設(shè)備成本低、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，自1980年代起在我國(guó)電網(wǎng)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。以湖北為例，目前國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司有大量高壓干式空心電抗器用于變電站（換流站）無(wú)功補(bǔ)償、濾波，變電站（換流站）及輸電線路限流等場(chǎng)所，電壓等級(jí)覆蓋6 kV、10 kV、20 kV、35 kV、66 kV、110 kV以及500 kV，在運(yùn)數(shù)量約為3 303組（交流設(shè)備三相計(jì)1組）。隨著干式空心電抗器運(yùn)行數(shù)量的逐年增多及運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，早期產(chǎn)品由于存在技術(shù)不成熟或工藝控制不到位等因素導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量缺陷逐漸顯現(xiàn)[3-4]，其中少數(shù)廠家型號(hào)產(chǎn)品缺陷故障高發(fā)，呈現(xiàn)明顯的家族缺陷特征。分析設(shè)備運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的批次性或家族性問(wèn)題，采取積極有效的措施進(jìn)行克服，對(duì)提高制造廠家產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造水平，保障同類(lèi)設(shè)備安全可靠運(yùn)行具有重要意義。本文介紹了湖北電網(wǎng)一起35 kV干式并聯(lián)電抗器家族缺陷情況，分析家族缺陷原因，提出了改進(jìn)措施。

1 缺陷及故障介紹

分析湖北電網(wǎng)干式空心電抗器運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)某公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“該公司”）生產(chǎn)的35 kV干式并聯(lián)電抗器產(chǎn)品故障發(fā)生率高，主要表現(xiàn)為運(yùn)行中電抗器頂部起火，導(dǎo)致設(shè)備跳閘，產(chǎn)品燒毀。統(tǒng)計(jì)歷年共計(jì)發(fā)生燒損故障11臺(tái)次，其中幾次典型故障情況如下。

2008年8月31日，玉賢變2-3L電抗器C相頂部出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象并且火勢(shì)向下蔓延[5]，位于頂部的防雨罩及調(diào)匝線圈均燒毀，電抗器上部包封燒毀。該組電抗器為2006年2月出廠，2006年6月投運(yùn)，型號(hào)為BKGL-20000/34.5W。玉賢變2-3L電抗器C相起火初期照片如圖1所示。

圖1 玉賢變2-3L電抗器C相起火Fig.1 The fire of 2-3L C-phase Reactor in Yuxian substation

2010年3月13日，磁湖變2-2L電抗器A相頂部調(diào)匝線圈燃燒，熔渣掉落地面導(dǎo)致草坪起火，該組電抗器為2008年4月出廠，2008年6月投運(yùn)，型號(hào)為BKGKL-20000/34.5W。

2013年2月1日，孝感變1-1L電抗器C相頂部起明火，頂部防雨罩及調(diào)匝線圈完全燒毀，頂部環(huán)氧樹(shù)脂包封燒黑，頂部星形架坍塌。該組電抗器歷史運(yùn)行中時(shí)有故障發(fā)生，2010年8月10日發(fā)現(xiàn)該組電抗器A相上部有兩股引線斷裂，不能投運(yùn)；2011年12月5日該組電抗器C相頂部調(diào)匝線圈多處燒融、燒斷，融化的鋁線渣掉落到地上引起草坪大面積著火，2011年12月17日現(xiàn)場(chǎng)更換了C相調(diào)匝線圈。該組電抗器為2000年12月出廠，2001年12月投運(yùn)，型號(hào)為BKGKL-20000/34.5W。

2013年3月13日，孝感變1-2L電抗器C相頂部起明火，頂部防雨罩及調(diào)匝線圈完全燒毀，頂部環(huán)氧樹(shù)脂包封部分燒黑，頂部星形架坍塌。該組電抗器為2000年12月出廠，2001年12月投運(yùn)，型號(hào)為BKGKL-20000/34.5W。孝感變1-2L電抗器C相燒毀現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 孝感變1-2L電抗器C相頂部燒毀Fig.2 The burned 1-2L C-phase Reactor in Xiaogan substation

2014年10月10日，光谷變4-1L電抗器B相頂部調(diào)匝線圈燒焦，并有輕微冒煙現(xiàn)象。該組電抗器為2008年3月出廠，2008年7月投運(yùn)，型號(hào)為BKG?KL-20000/35W。

2015年2月15日孝感變1-2L電抗器A相頂部起明火，頂部防雨帽及調(diào)匝線圈完全燒毀，地面掉落金屬燒熔物體。該組電抗器為2000年12月出廠，2001年 12月投運(yùn)，型號(hào)為 BKGKL-20000/ 34.5W。上述故障電抗器產(chǎn)品均為該公司生產(chǎn)。

2 缺陷及故障原因

針對(duì)該公司產(chǎn)品多次故障開(kāi)展調(diào)查，綜合分析產(chǎn)品燒損原因如下。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

調(diào)匝線圈是干式空心電抗器主要組成部件。受電磁計(jì)算模型、精確度及制作工藝限制，電抗器制作完成后，各包封間電流密度不均衡，與計(jì)算值存在差異，需加設(shè)調(diào)匝線圈進(jìn)行平衡。電抗器頂部和底部裝設(shè)“米”字形支架，該支架是電抗器各包封電流的匯流回路。對(duì)干式交流并聯(lián)電抗器而言，其頂部支架一般接電源側(cè)進(jìn)線端子，底部支架通常接出線端子，三相交流并聯(lián)電抗器通常接成星形連接，運(yùn)行中中性點(diǎn)不接地。調(diào)匝線圈一般安裝固定于電抗器頂部或底部支架上，以便于調(diào)匝線圈接頭分別與電抗器各包封及支架相連接[6-8]。

華中電網(wǎng)有限公司與武漢大學(xué)針對(duì)玉賢變2-3L電抗器燒毀故障對(duì)調(diào)匝線圈附近電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，當(dāng)電抗器包封表面光滑完好時(shí)，在調(diào)匝線圈安裝于頂部支架與包封繞組頂層相連，或安裝于底部支架與包封繞組底層相連兩種方式下，匝間絕緣和包封端部邊沿倒角處存在較大的電場(chǎng)強(qiáng)度。具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 調(diào)匝線圈局部最大電場(chǎng)強(qiáng)度 （單位：V/mm）Tab.1 The local maximum electric field strength near the regulating coil

由表1可見(jiàn)，調(diào)匝線圈安裝于頂部或底部幾乎不對(duì)匝間絕緣最大電場(chǎng)強(qiáng)度造成影響，但是當(dāng)調(diào)匝線圈安裝于頂部時(shí)，包封端部邊沿倒角局部最大電場(chǎng)強(qiáng)度值遠(yuǎn)大于當(dāng)其安裝于底部時(shí)，是匝間絕緣最大電場(chǎng)強(qiáng)度值的1.9倍。同時(shí)計(jì)算表明，在電抗器包封表面局部破壞、存在裂痕條件下，當(dāng)調(diào)匝線圈安裝于頂部時(shí)，裂痕附近包封外側(cè)表面局部最大電場(chǎng)強(qiáng)度明顯大于其安裝于底部時(shí)。

檢查該公司2010年以前產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)調(diào)匝線圈均安裝于電抗器頂部支架上（電源進(jìn)線側(cè)），此種安裝方式致使調(diào)匝線圈接頭處于局部高電場(chǎng)強(qiáng)度的工作環(huán)境下，如調(diào)匝線圈絕緣強(qiáng)度不足或損傷，電抗器投切操作引起的暫態(tài)過(guò)電壓將造成接頭處因過(guò)高電位梯度發(fā)生局部放電甚至擊穿。上述電抗器故障中即有多起發(fā)生在電抗器投入運(yùn)行數(shù)小時(shí)后，此外，調(diào)匝線圈安裝于頂部支架上，在電抗器制造、搬運(yùn)、安裝過(guò)程中更容易受外力破壞（如踩踏、誤撞等），造成絕緣損傷，因此這對(duì)調(diào)匝線圈絕緣工藝提出了更高的要求。

2.2 調(diào)匝線圈制造工藝問(wèn)題

在例行檢修及故障調(diào)查過(guò)程中，多次發(fā)現(xiàn)該公司35 kV干式并聯(lián)電抗器調(diào)匝線圈與頂部支架及與電抗器包封連接導(dǎo)線接頭的焊接工藝粗糙，電抗器運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)造成個(gè)別連接導(dǎo)線斷裂。同時(shí)振動(dòng)造成了支架對(duì)調(diào)匝線圈產(chǎn)生摩擦，破壞調(diào)匝線圈絕緣。這直接造成了調(diào)匝線圈放電、擊穿或局部過(guò)熱起火。燒損的調(diào)匝線圈外觀如圖3所示。在制造廠繞制工藝方面，調(diào)匝線圈采用手工繞制，所用環(huán)氧樹(shù)脂為常溫固化，其絕緣強(qiáng)度低于采用機(jī)器繞制、高溫固化的本體包封。

圖3 磁湖變2-2L電抗器A相調(diào)匝線圈外觀Fig.3 The appearance of the regulating coil of 2-2L A-phase reactor in Cihu substation

3 家族缺陷的認(rèn)定

家族缺陷管理是電網(wǎng)設(shè)備缺陷管理和電氣設(shè)備性能技術(shù)監(jiān)督的重要環(huán)節(jié)。國(guó)家電網(wǎng)公司電網(wǎng)設(shè)備缺陷管理規(guī)定（國(guó)網(wǎng)（運(yùn)檢/3）297-2014）對(duì)家族缺陷的定義為：經(jīng)確認(rèn)由于制造廠設(shè)計(jì)、材質(zhì)、工藝等同一共性因素導(dǎo)致的設(shè)備缺陷或隱患成為家族缺陷。如某設(shè)備出現(xiàn)家族缺陷，則具有同一設(shè)計(jì)、和/或材質(zhì)、和/或工藝的其它設(shè)備，不論其當(dāng)前是否可檢出同類(lèi)缺陷，在這種缺陷或隱患被消除之前，都成為家族缺陷設(shè)備。根據(jù)該規(guī)定，國(guó)家電網(wǎng)公司和省級(jí)電力公司均可認(rèn)定和發(fā)布家族缺陷。

目前國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司共裝用該公司35 kV干式并聯(lián)電抗器31組，歷年共計(jì)發(fā)生燒損故障11臺(tái)次，燒損率11.83%，燒損產(chǎn)品均為2010年及以前生產(chǎn)。該公司產(chǎn)品燒損故障頻發(fā)，燒損率遠(yuǎn)高于其他公司同類(lèi)產(chǎn)品，呈現(xiàn)家族缺陷特征，經(jīng)分析調(diào)匝線圈存在設(shè)計(jì)與制造工藝問(wèn)題。因此，國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司開(kāi)展了家族缺陷認(rèn)定并進(jìn)行了發(fā)布，認(rèn)定該公司2010年及以前生產(chǎn)的35 kV干式并聯(lián)電抗器存在重大家族缺陷，涉及該公司BKGL-20000/34.5W、BKGKL-20000/34.5W、BKGKL-20000/35W、BK GKL-15000/34.5共4個(gè)型號(hào)產(chǎn)品。

根據(jù)該公司文件，針對(duì)湖北省內(nèi)玉賢變2-3L電抗器、磁湖變2-2L電抗器燒毀及其他省多起故障暴露的問(wèn)題，該公司對(duì)調(diào)匝線圈予以了特別重視和關(guān)注，并于2010年10月起進(jìn)行了設(shè)計(jì)與工藝改進(jìn)，采取了將調(diào)匝線圈移至電抗器底部、對(duì)調(diào)匝線圈穿過(guò)支架的孔上加設(shè)絕緣套等措施。改進(jìn)后產(chǎn)品尚未發(fā)生重大燒損故障，因此未納入本次家族缺陷發(fā)布范圍。

4 改進(jìn)措施

對(duì)該類(lèi)家族缺陷產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝建議的改進(jìn)措施為：一是改變調(diào)匝線圈安裝位置，以避免運(yùn)行中調(diào)匝線圈因電抗器投切操作過(guò)電壓發(fā)生絕緣損傷，同時(shí)減少在制造、搬運(yùn)、安裝過(guò)程中受外力破壞的可能性；二是完善制作工藝，避免因焊接及支架毛刺對(duì)調(diào)匝線圈絕緣造成損傷，改進(jìn)調(diào)匝線圈繞制和絕緣固化工藝，加強(qiáng)調(diào)匝線圈制作工序工藝控制和檢驗(yàn)力度；三是參考或引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法與制造工藝，通過(guò)精確電磁計(jì)算，取消調(diào)匝線圈，在線圈繞制過(guò)程中，從繞組起端開(kāi)始到尾端結(jié)束只采用一根導(dǎo)線。

結(jié)合該類(lèi)產(chǎn)品故障情況、運(yùn)行維護(hù)檢修經(jīng)驗(yàn)及家族缺陷形成原因，對(duì)存在該類(lèi)家族缺陷的35 kV干式并聯(lián)電抗器提出針對(duì)性運(yùn)行維護(hù)措施：一是縮短電抗器狀態(tài)檢修周期，例行紅外測(cè)溫周期縮短為每星期一次，電抗器投入帶電后應(yīng)開(kāi)展紅外測(cè)溫，重點(diǎn)檢查電抗器頂部溫度，適當(dāng)縮短停電檢修試驗(yàn)周期；二是電抗器停運(yùn)后應(yīng)檢查垂直風(fēng)道是否存在堵塞，發(fā)現(xiàn)異物及時(shí)清理，保持空氣流通，檢修時(shí)重點(diǎn)檢查調(diào)匝線圈與支架及與本體包封連接處接頭外觀是否良好，檢查調(diào)匝線圈支架固定處磨損情況；三是對(duì)電抗器基礎(chǔ)下方草坪進(jìn)行硬化改造，避免起火造成故障范圍擴(kuò)大危及其它設(shè)備；四是結(jié)合電抗器狀態(tài)縮短設(shè)備壽命計(jì)劃周期，逐步安排進(jìn)行更換。

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Analysis and Countermeasures of 35 kV Dry-type Shunt Reactor Familial Defect

MENG Yi,LI Kaiyu
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China)

A familial defect of 35 kV dry-type shunt reactors is introduced,and the causes of the defect are analyzed in this paper.It is found that the installation position of the regulating coil has an important influence on the electric field strength nearby.When the regulating coil is installed at the top of the winding,the local maximum electric field strength near the coil is much larger than that at the bottom of the winding.Partial discharge or breakdown of the regulating coil is easy to oc?cur under the condition of the reactor switching overvoltage,which may cause the regulating coil to catch fire and burn the reactor.And the problem existing in the regulating coil manufacturing pro?cess is also pointed out.The identification of the familiar defect is introduced.The countermea?sures are put forward in the product design,manufacture and maintenance aspects.

dry-type shunt reactor；familiar defect；regulating coil；switching overvoltage

TM472

A

1006-3986(2016)07-0013-04

10.19308/j.hep.2016.07.003

2016-06-01

孟 毅（1982），男，湖南益陽(yáng)人，高級(jí)工程師。