戶外干式空心電抗器全絕緣問題探討

毛祥飛++蘇虎山

摘 要：戶外干式空心電抗器是無功補(bǔ)償裝置中重要組成設(shè)備之一。干式空心電抗器常見的故障主要有匝間短路、小動(dòng)物及鳥類引起的相間或相對地短路等。該文對干式空心電抗器的故障的原因進(jìn)行了綜合地闡述，提出了干式空心電抗器全絕緣處理的解決方案，并在絕緣材料和施工工藝方面進(jìn)行了探討，為今后杜絕電抗器發(fā)生絕緣事故提供了有針對性的參考。

關(guān)鍵詞：干式空心電抗器 故障原因 處理方案

中圖分類號(hào)：TM47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（c）-0056-04

該文通過對戶外干式戶外空心電抗器常見事故原因的分析，綜合闡述了事故發(fā)生的原因。從材料的選型到最終確認(rèn)使用的驗(yàn)證過程及經(jīng)過絕緣處理后所能達(dá)到的預(yù)期效果，該文都做了詳細(xì)的敘述。介紹了戶外干式空芯電抗器進(jìn)行全絕緣處理的詳細(xì)施工過程，尤其對電抗器匝間處理工藝進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。

經(jīng)過全絕緣處理，相當(dāng)于在電抗器表面形成了一道堅(jiān)固的防護(hù)外衣。即使出現(xiàn)小動(dòng)物攀爬也不會(huì)發(fā)生絕緣事故，保障了戶外干式空芯電抗器的安全可靠運(yùn)行。

1 戶外干式空心電抗器運(yùn)行中所存在的問題及故障原因分析

在電力系統(tǒng)中，無功補(bǔ)償設(shè)備具有如下作用：（1）提高電網(wǎng)的功率因數(shù)；（2）優(yōu)化電能質(zhì)量；（3）降低線路自損；（4）有效消除電力系統(tǒng)諧波。無功補(bǔ)償設(shè)備是否能夠安全可靠運(yùn)行將影響整個(gè)電力系統(tǒng)的無功平衡和電網(wǎng)的正常運(yùn)行。干式空心電抗器是無功補(bǔ)償設(shè)備的重要組成之一，設(shè)備通常運(yùn)行在戶外環(huán)境中。

1.1 電抗器本身原因造成的故障

（1）由于材料膨脹系數(shù)的不同以及絕緣材料劣化。

干式空心電抗器最突出問題是絕緣材料老化龜裂。電抗器絕緣材料表面開裂，將導(dǎo)致線圈進(jìn)水受潮等問題，引起電抗器匝間絕緣事故。

絕緣材料開裂一方面是由于電抗器生產(chǎn)廠家采用的環(huán)氧樹脂配方存在問題，導(dǎo)致絕緣材料在戶外紫外線、潮濕條件下容易出現(xiàn)老化；另一方面是因?yàn)閷?dǎo)體材料與絕緣材料的膨脹系數(shù)不一致。

當(dāng)電抗器投運(yùn)后，導(dǎo)線會(huì)發(fā)熱并發(fā)生熱膨脹，停電后又會(huì)冷卻收縮。干式空心電抗器頻繁的投切動(dòng)作，易引發(fā)電抗器導(dǎo)線疲勞。如果此時(shí)導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度偏低、蠕變特性不良就容易發(fā)生斷裂，進(jìn)而造成局部過熱、匝間絕緣損傷。導(dǎo)線與絕緣材料的膨脹系數(shù)不一致，干式空心電抗器頻繁的投切，還會(huì)造成包封開裂，將引起匝間線圈進(jìn)水受潮，進(jìn)而導(dǎo)致匝間絕緣事故。

（2）表面污物沉積和絕緣材料老化的共同作用。

干式空心電抗器在戶外復(fù)雜壞境條件下運(yùn)行一段時(shí)間后，其表面會(huì)有污穢物堆積，同時(shí)表面絕緣材料也可能會(huì)出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，形成污穢層。在雨天或大霧天氣，表面污層受潮，導(dǎo)致表面泄漏電流增大，產(chǎn)生電熱效應(yīng)。這使得表面電場集中區(qū)域的水分蒸發(fā)較快，部分區(qū)域出現(xiàn)干區(qū)，引起表面局部電阻改變。電流在該中斷處形成很小的局部電弧，局部放電由此引起。

隨著時(shí)間的增長，電弧將發(fā)展并發(fā)生合并，在表面形成樹枝狀放電燒痕，形成沿面樹枝狀放電。絕大多數(shù)樹枝狀放電產(chǎn)生于電抗器端部表面與星角架相接觸的區(qū)域。匝間短路是樹枝狀放電的進(jìn)一步發(fā)展。即短路線匝中電流劇增，溫度升高到使線匝絕緣損壞，并在高溫下出現(xiàn)導(dǎo)線熔化。

（3）電抗器局部熱量集中。

造成電抗器溫升原因有：焊接質(zhì)量問題，接線端子與繞組焊接處焊接電阻產(chǎn)生附加電阻而發(fā)熱。另外由于溫升的設(shè)計(jì)裕度很小，使設(shè)計(jì)值與國際規(guī)定的溫升限值很接近。除設(shè)計(jì)制造原因外，在運(yùn)行時(shí)，如果電抗器的氣道被異物堵塞，造成散熱不良，也會(huì)引起局部溫度過高引起著火。

1.2 電抗器受外界因素造成的故障

異物引起的短路故障也是電抗器損壞的重要原因。尤其在冬天，室外溫度較低，而戶外干式空心電抗器作為發(fā)熱源，其內(nèi)部發(fā)熱量較大，經(jīng)常有鳥類或小動(dòng)物在電抗器中取暖棲息，容易引起電抗器組的相間或相對地短路故障，見圖1。有造成電抗器損壞，甚至著火的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)國網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力系統(tǒng)每年都會(huì)出現(xiàn)大量因鳥類棲息、小動(dòng)物攀爬或者異物的搭接引起的戶外干式空心電抗器短路事故，給國家造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。見圖1。

2 全絕緣處理方案

2.1 干式空心電抗器全絕緣技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

由于電抗器本身線圈有環(huán)氧樹脂和玻璃纖維等絕緣材料纏繞，干式空心電抗器全絕緣研究與應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)就是采用何種處理工藝對所有外露導(dǎo)電部位進(jìn)行全絕緣處理，同時(shí)采用特殊工藝對電抗器匝間進(jìn)行全絕緣處理，實(shí)現(xiàn)干式空心電抗器整體全絕緣，同時(shí)保證不影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

通過全絕緣處理后，干式空心電抗器在運(yùn)行過程中，即使出現(xiàn)有小動(dòng)物攀爬到電抗器相間，也不會(huì)造成電抗器相間短路，從而避免了設(shè)備事故的發(fā)生。絕緣處理后包封匝間線圈不再出現(xiàn)細(xì)微龜裂，能夠有效的阻止線圈受潮、老化，避免線圈短路燒毀設(shè)備的可能性，杜絕事故的發(fā)生。

根據(jù)對近幾年電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生的疊裝式干式空心電抗器相間短路事故分析，提出以下全絕緣處理方案：優(yōu)選一種可靠優(yōu)良而且常溫下可以自干的絕緣材料對電抗器的外包封（包括上下星角架、連接法蘭、絕緣子金屬件）進(jìn)行噴涂，噴涂可分2～4次，總體厚度不低于0.5 mm。對于匝間應(yīng)使用淋涂特殊工藝以保證匝間經(jīng)處理后絕緣層均勻。對噴后薄弱部分可再次涂刷絕緣涂料。該方案在不需要大幅度改造已投運(yùn)電抗器本身的前提下，耗工小，可行性高。通過優(yōu)選絕緣材料，確定噴涂處理工藝及淋涂工藝，兩種工藝相結(jié)合的方式對電抗器進(jìn)行整體全絕緣處理，已達(dá)到電抗器最佳安全運(yùn)行效果。

2.2 全絕緣處理用絕緣材料應(yīng)滿足的技術(shù)要求

串聯(lián)電抗器、限流電抗器一般情況下安裝在戶外，運(yùn)行時(shí)間久。所使用絕緣材料應(yīng)具備施工簡易、耐污閃、防潮、良好憎水性、阻燃、導(dǎo)熱等特性，為此，制定出全絕緣處理所用絕緣材料必須滿足如下技術(shù)要求。

（1）耐絕緣性能應(yīng)高于電抗器疊放布置時(shí)的相間短路電壓：電壓等級為10 kV的戶外型疊放干式空心電抗器，涂層的耐壓水平應(yīng)該大于12 kV；電壓等級為35 kV的戶外型疊放干式空心電抗器，涂層的耐壓水平應(yīng)大于42 kV。

（2）導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性能優(yōu)良，及時(shí)釋放設(shè)備熱量。

（3）包覆性。高強(qiáng)度、高附著力、與設(shè)備形成一體。

（4）耐老化性。防潮、憎水、耐臭氧、耐輻射、耐紫外線、耐老化，可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)長周期運(yùn)行，使用壽命長。防止外部環(huán)境酸堿鹽等對涂層的腐蝕。

（5）易施工。就地成型，使用方便，施工工期短，適合于異型設(shè)備及構(gòu)件的表面保護(hù)和特殊電氣接點(diǎn)部位的絕緣防護(hù)處理。

（6）安全性。無毒、無污染、無腐蝕。

2.3 全絕緣處理用絕緣材料選型

按照絕緣材料技術(shù)要求對國內(nèi)絕緣材料進(jìn)行調(diào)研，經(jīng)過多方面試驗(yàn)比較，最終確定使用硅橡膠高壓絕緣涂料對電抗器進(jìn)行全絕緣處理。以下對該涂料樣品試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行介紹。

（1）對樣品進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)。

圖2為絕緣材料的試驗(yàn)方案，用于測試涂料完全固化后的耐壓性能。測試方法：取1段鋁排，清潔表面后噴樣品涂料2遍。待涂料固化后，鋁排1端接地，涂料固化表層接高壓，試驗(yàn)涂料干膜的耐壓值。

硅橡膠高壓絕緣涂料在不同厚度干膜條件下的耐壓試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)見表1。

該樣品2次噴涂后可以滿足10 kV電壓等級的干式空心電抗器相間短路要求；通過增加噴涂遍數(shù)后重新做耐壓試驗(yàn)。噴涂5遍后干膜耐壓試驗(yàn)升壓到45 kV絕緣材料才擊穿。通過數(shù)據(jù)我們可以看出硅橡膠高壓絕緣涂料具有優(yōu)良的絕緣性能。

（2）電抗器星角架全絕緣噴涂試驗(yàn)。

使用硅橡膠高壓絕緣涂料對電抗器星角架進(jìn)行絕緣處理，噴涂次數(shù)為5遍，待絕緣材料完全固化。將上星角架和下星角架進(jìn)出線端子分別接高壓和地，并使用一根短接線連接上星角架和下星角架之間的絕緣涂料表面。見圖3。

從圖3中可以看出，跨接于兩層星角架之間的短接線等效于攀爬于電抗器相間的小動(dòng)物。使用100 kVA耐壓試驗(yàn)升壓變壓器對上部星角架施加高壓U后，上下兩星角架干膜絕緣涂料沒有發(fā)生擊穿現(xiàn)象，相與地之間不導(dǎo)通，沒有電流通過短接線。通過此項(xiàng)試驗(yàn)證明，盡管有短接線（小動(dòng)物）的存在，但是電抗器相間沒有發(fā)生接地現(xiàn)象。U值參見表2。

通過試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合產(chǎn)品型式試驗(yàn)報(bào)告、導(dǎo)熱性能試驗(yàn)報(bào)告，確定硅橡膠高壓絕緣涂料為干式空心電抗器全絕緣處理最佳絕緣材料。

2.4 現(xiàn)場施工工藝

采用絕緣材料對干式空心電抗器進(jìn)行全絕緣處理，可以實(shí)現(xiàn)在不移動(dòng)電抗器、不動(dòng)用大型起吊安裝設(shè)備的情況下，方便地對已投運(yùn)電抗器進(jìn)行設(shè)備改造。建議采用以下解決方案。

（1）采用硅橡膠高壓絕緣涂料對電抗器的線圈部分進(jìn)行絕緣防護(hù)噴涂，涂層厚度0.5 mm，有效地防止電抗器線匝因包封開裂而出現(xiàn)匝間短路事故。

（2）采用硅橡膠高壓絕緣涂料對電抗器的星角架部分進(jìn)行全絕緣處理，涂層厚度：10 kV時(shí)為1.5 mm，35 kV時(shí)為2.3 mm，防止因鳥類棲息、小動(dòng)物攀爬或異物搭掛而引起的相間短路或相對地的短路事故。

2.4.1 電抗器施工工藝

（1）干式空心電抗器用抹布從電抗器內(nèi)側(cè)到電抗器外側(cè)，從電抗器上面到電抗器下面進(jìn)行清潔。用表面處理劑對需要噴涂的部位進(jìn)行全面的清理。

（2）等表面處理劑完全揮發(fā)后，開始對電抗器進(jìn)行噴涂處理。處理的總體原則是先內(nèi)后外、從上到下、先層間后表面、先線圈后支架。對空心電抗器線圈內(nèi)部進(jìn)行噴涂時(shí)，施工人員要帶防毒面具，做好安全防護(hù)。

（3）絕緣層厚度要求為：電抗器表層的厚度為0.5 mm。先對空心電抗器的內(nèi)部和層間進(jìn)行噴涂處理，等涂料表干后，用手電仔細(xì)檢查找出未涂部位及涂層厚度不合要求的部位，噴涂不易實(shí)現(xiàn)的部位要用毛刷蘸取涂料進(jìn)行刷涂，達(dá)到要求的厚度后用噴槍再噴一遍，使表面光潔。內(nèi)部和層間處理完成后，對電抗器外表面進(jìn)行噴涂處理，包含電抗器的連接母排、絕緣子金屬構(gòu)件都一并進(jìn)行處理，同樣需要檢查、刷涂和復(fù)噴。不得出現(xiàn)缺損、堆積、流淌等現(xiàn)象。

（4）完成絕緣處理后，再分別用黃、綠、紅、三涂料對相應(yīng)的A、B、C三相進(jìn)行相色噴涂。保證相色涂層均勻完整的覆蓋電抗器外表面，不得出現(xiàn)缺損、堆積、流淌等現(xiàn)象。

2.4.2 電抗器匝間施工工藝

（1）電抗器匝間施工要與普通噴涂區(qū)分開，應(yīng)使用淋涂工藝。

（2）將硅橡膠高壓絕緣涂料用稀釋劑按比例稀釋。

（3）調(diào)整好噴槍流量，不應(yīng)噴出霧化涂料。調(diào)整好氣壓，噴槍噴淋流速不應(yīng)過快。

（4）使用專用噴槍在匝間從上往下進(jìn)行淋涂，匝間下面放置一個(gè)涂料回收桶，把從匝間上邊流下的涂料回收。

（5）一個(gè)匝間淋涂完成一次后，厚度大約為0.1 mm。靜止15 min，待表面稍干后再進(jìn)行第二次淋涂，經(jīng)過多次淋涂后，匝間確保厚度達(dá)到0.5 mm，涂層厚度均勻。

2.4.3星角架母排施工工藝

（1）將母排用硬質(zhì)毛刷清理表面污垢及腐蝕物，使用表面處理劑對母排及絕緣子表面進(jìn)行全面清潔。

（2）35 kV電抗器星角架絕緣層厚度要求為2.3 mm，10 kV電抗器星角架絕緣層厚度要求為1.5 mm。

（3）采用高級羊毛刷蘸取硅橡膠高壓絕緣涂料對星角架母排進(jìn)行涂刷，保證涂刷均勻，然后采用硅橡膠絕緣膠帶呈45°角對母排進(jìn)行纏繞，纏繞絕緣膠帶時(shí)需注意膠帶覆蓋層寬度要保持一致，增加審美感，拉力要適中。纏繞完最后一層膠帶后，再用液體硅橡膠高壓絕緣涂料對表面進(jìn)行相色涂刷。

圖4為一組全絕緣化改造完畢的無功補(bǔ)償裝置效果圖：

3 結(jié)語

無功補(bǔ)償裝置在配電網(wǎng)中對提高電網(wǎng)功率因數(shù)和供電效率，改善供電質(zhì)量的起到重大作用，對供電系統(tǒng)甚至整個(gè)電網(wǎng)都起著至關(guān)重要的作用。其重要組成部件之一干式空心電抗器對無功補(bǔ)償裝置安全運(yùn)行的意義重大。該文對干式空心電抗器故障原因進(jìn)行分析，對絕緣化改造材料選取、施工方案等進(jìn)行了探討，通過對干式空心電抗器全絕緣化改造以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

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