干式空心電抗器燒損故障分析

楚金偉, 陳偉民, 張良, 張晉寅, 周海濱

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州510663)

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干式空心電抗器燒損故障分析

楚金偉, 陳偉民, 張良, 張晉寅, 周海濱

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州510663)

針對某500 kV變電站在一個月內(nèi)連續(xù)發(fā)生兩次35 kV干式空心電抗器燒損故障的問題(出現(xiàn)故障的電抗器將被迫停運(yùn)檢修，影響到電力系統(tǒng)的無功功率的調(diào)節(jié))，通過多方面的分析，認(rèn)為連續(xù)發(fā)生故障的電抗器存在絕緣薄弱點(diǎn)，在長期運(yùn)行中受到熱老化和操作過電壓等綜合因素的影響，演化為局部缺陷，并發(fā)展成匝間絕緣短路故障而導(dǎo)致電抗器本體起火燒損。建議從干式空心電抗器壽命周期的首尾兩個節(jié)點(diǎn)采取管控措施，以提高其運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量。

干式空心電抗器；解體分析；匝間絕緣試驗；分層電流測試；溫升試驗；管控措施

干式空心電抗器由線圈、金屬結(jié)構(gòu)件和支柱絕緣子組成一個整體。根據(jù)電抗器的容量大小，將其線圈做成若干個內(nèi)外并聯(lián)的包封，并在每個包封間用玻璃絲制通風(fēng)道撐條進(jìn)行分隔，形成散熱氣道，并保證良好的散熱特性。線圈頂部或底部構(gòu)架上繞制調(diào)匝環(huán)，以調(diào)節(jié)電抗器電流密度，令實際數(shù)值與設(shè)計數(shù)值保持基本一致。在電抗器外表面，通常使用絕緣漆來增加外絕緣強(qiáng)度，大部分設(shè)備還采用室溫硫化硅橡膠 (room temperature vulcanized silicone rubber，RTV)噴涂以抵擋紫外線對絕緣的破壞[1-5]。

干式空心電抗器結(jié)構(gòu)特殊，大多數(shù)故障都是由電抗器外包封開裂，引起內(nèi)部匝絕緣受損所至[6-10]，一般的常規(guī)預(yù)試很難發(fā)現(xiàn)電抗器內(nèi)部絕緣缺陷及發(fā)展趨勢，即使歷年預(yù)試維護(hù)定檢情況均為正常，并不能說明其內(nèi)部絕緣保持完好，微小絕緣缺陷可能處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，存在著安全隱患。

為了加強(qiáng)該類設(shè)備的運(yùn)維管理，有必要通過解體檢查及相應(yīng)試驗來進(jìn)一步查明故障原因，遏制類似缺陷故障的再次發(fā)生，保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1　事故案例

在天氣無雨、電網(wǎng)運(yùn)行正常的情況下，某500 kV變電站35 kV干式空心電抗器的V相、W相在一個月內(nèi)連續(xù)發(fā)生兩次燒損故障，導(dǎo)致電抗器保護(hù)電流Ⅱ段母線動作跳閘。現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)故障電抗器V相7～8號層之間內(nèi)部線圈明顯燒損，W相7～10號層之間內(nèi)部線圈出現(xiàn)燒損痕跡，如圖1所示。

圖1　故障電抗器燒損情況

2　解體檢查

發(fā)生故障的電抗器共有14個包封，每個包封有多層導(dǎo)線，每層由3根軸向平行、線規(guī)相同的三層聚酯薄膜包繞導(dǎo)線并聯(lián)繞制上百匝，且線圈外部均勻纏繞環(huán)氧玻璃絲。具體參數(shù)見表1。

表1電抗器設(shè)計參數(shù)

參數(shù)名稱設(shè)計值額定相電壓/kV34.5/3最高電壓/kV40.5額定電流/A1004單相額定容量/Mvar20額定電抗/Ω19.8額定頻率/Hz50匝間絕緣耐熱等級薄膜B級,環(huán)氧F級整體絕緣耐熱等級F級

第一起故障中，電抗器V相沒有發(fā)生明顯燃燒現(xiàn)象，拆解檢查后，發(fā)現(xiàn)電抗器7號包封外側(cè)端部有多點(diǎn)鋁渣噴濺后的凝固物,如圖2所示。

圖2　V相7號包封外部鋁渣凝固點(diǎn)

圖3　V相8號包封內(nèi)部炸裂噴口

與之相對的8號包封線圈端部內(nèi)側(cè)有多點(diǎn)炸裂噴口，剝開包封后發(fā)現(xiàn)有長約100 cm、寬約9 cm的鋁繞組燒蝕熔斷區(qū)域，距離電抗器頂端約15 cm，如圖3所示。該區(qū)域的包封出現(xiàn)噴口將燒融的鋁噴出，在7號包封外表面上留下了大量熔融鋁的化合物和黑色煙熏痕跡。確定8號包封內(nèi)部為起始故障包封，其上部距離頂端15 cm處燒蝕熔斷最嚴(yán)重，對應(yīng)包封上的噴口最大。

第二起故障中，電抗器W相的調(diào)匝線圈出現(xiàn)燒蝕并熔斷，與調(diào)匝線圈熔斷點(diǎn)對應(yīng)位置的包封存在明顯燒蝕痕跡。將該臺電抗器從外向內(nèi)的包封鋸開后，在8號包封端部發(fā)現(xiàn)貫穿性方形孔洞，其外形尺寸約14 cm×14 cm，如圖4所示，表明該處故障部位出現(xiàn)了較大的過火面積。

圖4　W相8號包封燒蝕貫穿孔洞

檢查后還發(fā)現(xiàn)該電抗器W相的7號、8號、9號包封氣道內(nèi)有較多的熔融鋁渣凝固物，其余包封氣道內(nèi)也有不同程度的熏黑現(xiàn)象。確定8號包封內(nèi)部為起始故障包封，并引發(fā)了相鄰包封出現(xiàn)連帶燒蝕、燒穿現(xiàn)象。

根據(jù)解體檢查情況，2臺電抗器的故障起始點(diǎn)均位于8號包封上端，從設(shè)計結(jié)構(gòu)分析，該包封位于電抗器的中間位置，散熱條件較差，熱空氣沿著各個包封氣道對流向上，使包封上端的溫度最高。干式電抗器需要通過大氣形成磁回路，在電抗器端部的磁漏較大，導(dǎo)致各部位承受的截流過電壓分布不均，使電抗器端部的絕緣薄弱點(diǎn)更容易受到熱和操作過電壓的共同作用而被劣化擊穿。

3　試驗驗證

3.1導(dǎo)線匝間絕緣測試

為進(jìn)一步跟蹤電抗器多年運(yùn)行之后的匝間絕緣老化程度，在兩相故障電抗器拆解檢查完成后，取解體電抗器的完好包封，在上、中、下繞組處各取4匝導(dǎo)線進(jìn)行擊穿電壓試驗，測量導(dǎo)線與相鄰導(dǎo)線(匝間、層間)的工頻擊穿電壓，試驗接線如圖5所示。

圖5　溫升試驗接線

測試結(jié)果：最大、最小擊穿電壓分別為 19 kV、10 kV；各處平均擊穿電壓為 16.3 kV，在15～18 kV的區(qū)域范圍之內(nèi)，電抗器正常運(yùn)行工況下的匝間電壓不大于200 V，表明干式空心電抗器未燒毀部分的匝間絕緣電氣強(qiáng)度遠(yuǎn)高于運(yùn)行時匝間電壓，認(rèn)為故障電抗器并未出現(xiàn)整體老化，發(fā)生短路故障是由于局部缺陷或者存在明顯絕緣薄弱點(diǎn)。

3.2溫升試驗

為考核該批次故障電抗器的溫升設(shè)計是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，選取了某一相干式空心電抗器，施加20 A的總電流，對每一個并繞線圈的電流進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)該相電抗器11號包封電流超過設(shè)計電流值的14%，超過了廠家控制值的10%要求，表明電抗器的設(shè)計狀況與實際情況有一定偏差, 選取該包封，增加測溫探頭，進(jìn)行溫升試驗，如圖6所示。

圖6　溫升試驗現(xiàn)場

參照GB/T 1094.6—2011《電力變壓器 第6部分：電抗器》[11]，在溫升測試前測量電抗器的上部溫度和底部溫度差值為7.5 K。隨后施加23.4 kV電壓，電流達(dá)到1.16 kA，頻率為50 Hz，持續(xù)加壓7 h后溫度穩(wěn)定，繼續(xù)穩(wěn)定2.5 h后進(jìn)行溫升測量，所得結(jié)果如圖7所示。

圖7　溫升試驗曲線趨勢

電抗器包封位置和電抗器分層電流偏差均對包封溫升有影響，越位于中間位置的包封，其溫度越高；分層電流正偏差越大的部位，其溫升越高。

參照直流電阻不同溫度下的換算公式

(1)

則試驗中繞組的溫升為

(2)

式(1)和式(2)中：R1、R2分別為溫度t1、t2下的直流電阻值；T為電阻溫度常數(shù)，干式空心電抗器使用的鋁導(dǎo)線取T=225。

現(xiàn)場測量初始環(huán)境溫度為17 ℃，對應(yīng)的冷態(tài)直流電阻值為37.30 mΩ，可根據(jù)圖7中多組直流電阻測量值進(jìn)行計算，繞組的平均溫升小于45 K，滿足國標(biāo)B級及以上絕緣的溫升要求和技術(shù)規(guī)范書要求，但大于廠家的內(nèi)部控制值43 K，說明生產(chǎn)工藝的控制存在不足。

11號包封處的測溫探頭在最終環(huán)境溫度18.3 ℃下測得包封表面最熱點(diǎn)溫度為81.4 ℃，溫升達(dá)到了63.1 K，位于11號包封的距離上端部15 cm處，與分層電流測試的結(jié)果一致。

4　故障原因分析

4.1原因分析

引起匝間短路的原因主要有4個方面：電抗器開裂受潮；外絕緣爬電；匝間絕緣整體劣化；匝間絕緣局部存在缺陷。通過解體分析、廠家資料檢查、匝間絕緣耐壓試驗、溫升試驗等方面工作得出以下結(jié)論：

a) 2臺故障電抗器均配置防雨罩，包封開裂受潮的可能性較小，可排除開裂受潮的影響。

b) 檢查電抗器各包封表面后，未發(fā)現(xiàn)樹枝放電或滑閃痕跡，表明故障電抗器未發(fā)生外絕緣閃絡(luò)，可排除外絕緣爬電的影響。

c) 檢查燒蝕區(qū)域的包封裂紋較新，判定為故障高溫所形成。除燒蝕區(qū)域外，各包封其他部位外觀較好，引拔棒壓痕處顏色正常，無環(huán)流、過熱跡象。對故障電抗器完好的包封導(dǎo)線匝間進(jìn)行工頻擊穿電壓測試，擊穿電壓均大于廠家內(nèi)部控制值，可排除電抗器運(yùn)行過程中發(fā)生整體過熱劣化的情況。

4.2試驗結(jié)果分析

溫升試驗結(jié)果說明電抗器的平均溫升和熱點(diǎn)溫升滿足B級絕緣的要求，說明該批次產(chǎn)品基于其設(shè)計參數(shù)的要求不存在明顯問題，但要特別指出的是該產(chǎn)品于2011年生產(chǎn)，對應(yīng)的薄膜絕緣耐熱等級為B級要求(對應(yīng)溫度值130 ℃)，已不能滿足現(xiàn)行運(yùn)行的要求。查詢中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司于2015年重新修訂的技術(shù)規(guī)范書，薄膜絕緣耐熱等級應(yīng)達(dá)到H級(對應(yīng)溫度值180 ℃)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于早期設(shè)計的技術(shù)參數(shù)選用標(biāo)準(zhǔn)，即在干式電抗器整體絕緣耐熱等級仍然為F級(對應(yīng)溫度值155 ℃)的要求時，原先設(shè)計、生產(chǎn)的B級薄膜可視為設(shè)備本體的絕緣薄弱點(diǎn)。在長期運(yùn)行后，這些絕緣薄弱點(diǎn)在正常熱老化、電動力和操作過電壓沖擊等綜合因素的累積作用下，演化為局部缺陷，并進(jìn)一步擴(kuò)大，最終造成匝間絕緣擊穿。根據(jù)現(xiàn)場情況，兩起電抗器故障均發(fā)生在投切之后的較短時間內(nèi)，電抗器投切過程的過電壓是造成匝間短路的直接原因。由于投切過電壓一般不超過5倍的峰值運(yùn)行電壓，因此可認(rèn)為電抗器被投切過電壓擊穿前，局部缺陷的絕緣性能已經(jīng)嚴(yán)重劣化，與推論分析一致。

電抗器V相發(fā)生第一次故障時，三相電抗器處于不對稱運(yùn)行的工況，對U、W相電抗器造成沖擊，在一定程度上導(dǎo)致W相電抗器絕緣缺陷部位加速損傷。在之后的投切過程中絕緣薄弱點(diǎn)被擊穿，造成匝間短路，促使在短時間內(nèi)發(fā)生第二次故障。

5　前期工作建議

結(jié)合故障電抗器的資料核查、解體分析、同批次產(chǎn)品的溫升試驗和匝間絕緣材料選用和絕緣等級評價等工作的分析，認(rèn)為此次發(fā)現(xiàn)連續(xù)故障的電抗器在出廠時就存在絕緣薄弱點(diǎn)，并在長期運(yùn)行中受到熱老化、機(jī)械力和操作過電壓等綜合因素的影響，演化為局部缺陷，并進(jìn)一步發(fā)展成匝間絕緣短路故障，形成環(huán)流，產(chǎn)生的熱量使電抗器起火燒損。

由于干式電抗器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一旦發(fā)生匝間絕緣短路故障，缺陷狀況不可被修復(fù)，應(yīng)視為設(shè)備壽命周期結(jié)束。為提高該類設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量，建議從其壽命周期的前期(招標(biāo)和監(jiān)造)和后期(發(fā)生匝間短路故障時刻)首尾兩個節(jié)點(diǎn)采取管控措施。針對尚未入網(wǎng)的干式空心電抗器，建議在前期把控好以下3點(diǎn)：

a) 應(yīng)要求廠家隨設(shè)備提供式空心電抗器匝間絕緣結(jié)構(gòu)的熱老化試驗報告。

b) 在招標(biāo)技術(shù)規(guī)范書中明確電抗器采用的絕緣結(jié)構(gòu)和薄膜材料的耐熱等級，建議最少采用一層聚酰亞胺薄膜，結(jié)合監(jiān)造工作，檢查設(shè)備所用材料和采用的結(jié)構(gòu)是否滿足要求。

c) 在現(xiàn)有出廠試驗報告的基礎(chǔ)上，增加調(diào)匝后的電抗器分層電流測試。

6　后期工作建議

針對在運(yùn)行的干式空心電抗器，尤其是早期設(shè)計、生產(chǎn)的薄膜絕緣耐熱等級僅達(dá)到B級要求的設(shè)備，其特殊的結(jié)構(gòu)型式而無法開展技術(shù)改造。因此，建議在后期開展以下工作：

a) 外觀檢查。檢查有無斷線；檢查調(diào)匝環(huán)外觀是否完好，接線處是否牢固無異常，環(huán)與鋁排接觸處是否有磨損的痕跡。如發(fā)現(xiàn)外絕緣老化，應(yīng)將老化絕緣層清理干凈，重新噴涂 RTV 膠或防紫外線漆。如發(fā)現(xiàn)斷線修復(fù)，應(yīng)安排專業(yè)氬弧焊焊工現(xiàn)場焊接修復(fù)，焊接后復(fù)測直流電阻，合格后再投運(yùn)。

b) 運(yùn)行溫度測量。干式電抗器每次投切后的兩個小時內(nèi)加強(qiáng)巡視和溫度檢測。如發(fā)現(xiàn)溫升異常,對于線包溫升過高的產(chǎn)品，開展直流電阻測量、電感測量、外觀檢查等；對于調(diào)匝環(huán)溫升過高的產(chǎn)品，應(yīng)重新制作調(diào)匝環(huán)。

c) 直流電阻測試。 測試值與現(xiàn)場交接值或預(yù)試值對比，如三相不平衡度超過2%，應(yīng)作進(jìn)一步檢查。測量時應(yīng)避免周圍帶電設(shè)備對測量產(chǎn)生干擾。

d) 噪聲檢查。噪聲檢查作為日常巡檢項目，利用分貝儀判斷聲音是否均勻；是否有高頻噪聲。如發(fā)現(xiàn)設(shè)備噪聲異常，應(yīng)安排停電作進(jìn)一步檢查。

e) 絕緣過電壓試驗。在運(yùn)行的干式空心電抗器還可以結(jié)合停電檢修間隙，電抗器按出廠試驗電壓的80%進(jìn)行匝間絕緣過電壓試驗，提前發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。

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[11] GB/T 1094.6—2011，電力變壓器 第6部分：電抗器[S].

陳偉民(1987), 男, 湖北宜昌人。工程師, 工學(xué)碩士, 主要從事一次設(shè)備缺陷分析工作。

張良(1981), 男, 黑龍江漠河人。工程師, 工學(xué)碩士, 主要從事高壓線圈類設(shè)備技術(shù)監(jiān)督工作。

(編輯王夏慧)

Analysis on Burning Fault of Dry Air-core Reactor

CHU Jinwei, CHEN Weimin, ZHANG Liang, ZHANG Jinyin, ZHOU Haibin

(M & T Center of EHV Power Transmission Company of CSG, Guangzhou, Guangdong 510663, China)

In allusion to problems of twice burning faults of 35 kV dry air-core reactor in one month in 500 kV substation which causes forced shut-down and maintenance of the faulted reactor and affects reactive power regulation of the power system, this paper carries out extensive research analysis and considers there are weak points of insulation in the faulted reactor which may be evolved to partial defects by influence of some comprehensive factors such as thermal aging and switching over-voltage in long-term running, and finally develop into turn-to-turn insulation short-circuit faults causing burning faults. It suggests to adopt control measures in the beginning and the end nodes of life cycle of dry air-core reactor so as to improve operational maintenance qualities.

dry air-core reactor; disassembling analysis; turn-to-turn insulation test; stratified current test; temperature rise test; control measure

2015-12-14

2016-03-03

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.07.023

TM477

B

1007-290X(2016)07-0117-05

楚金偉(1981)，男，河北衡水人。高級工程師，工學(xué)碩士，主要從事高電壓技術(shù)研究及技術(shù)監(jiān)督工作。