油浸式并聯(lián)鐵心電抗器缺陷分析及整改措施

田肖飛，孫文星，楊賢，馬志欽，歐小波

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

并聯(lián)電抗器可以補(bǔ)充容性充電功率，吸收無(wú)功功率，提高功率因數(shù)；削弱空載或輕載時(shí)長(zhǎng)線的電容效應(yīng)，穩(wěn)定電網(wǎng)的運(yùn)行電壓，改善供電質(zhì)量，保證線路及電站設(shè)備的可靠運(yùn)行，是送變電系統(tǒng)中主要的電氣設(shè)備之一[1-3]。目前低壓并聯(lián)電抗器主要采用干式空心并聯(lián)電抗器和油浸式并聯(lián)電抗器2種。干式空心并聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)絕緣油，價(jià)格低廉，因此在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用非常廣泛；另一方面，干式空心并聯(lián)電抗器也存在著很大的缺點(diǎn)，例如占地大，漏磁大，絕緣受環(huán)境影響大易發(fā)生絕緣老化，易發(fā)生故障，缺少有效的運(yùn)行監(jiān)控手段等[4-7]。油浸式鐵心并聯(lián)電抗器雖然造價(jià)較高，但因?yàn)橥儔浩饕粯泳哂型鈿?，是在封閉的環(huán)境中運(yùn)行，絕緣不受外界影響，穩(wěn)定性高，不易發(fā)生故障，占地少和漏磁小，可通過(guò)油化分析、壓力監(jiān)測(cè)等方式對(duì)電抗器進(jìn)行監(jiān)控[8-13]，逐漸顯示出較大的優(yōu)勢(shì)。

日本生產(chǎn)的油浸式鐵心并聯(lián)電抗器主要為“一”字型鐵心結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)大部分廠家生產(chǎn)的油浸式鐵心并聯(lián)電抗器也為“一”字型鐵心結(jié)構(gòu)。相比于“一”字型的結(jié)構(gòu)，“品”字型鐵心結(jié)構(gòu)具有節(jié)約原材料、體積更小的優(yōu)勢(shì)，因此值得推廣應(yīng)用。圖1為“品”字型油浸式鐵心并聯(lián)電抗器的外形，其鐵心結(jié)構(gòu)如圖2所示，電抗器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 油浸鐵心電抗器外形Fig.1 Configuration of oil-immersed shunt iron core reactor

圖2 “品”字形鐵心結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of “pin” type core圖3 電抗器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of oil-immersed reactor

目前“品”字型鐵心結(jié)構(gòu)的油浸式鐵心并聯(lián)電抗 器產(chǎn)品尚不成熟，未大范圍推廣使用，缺乏運(yùn)維數(shù) 據(jù)及經(jīng)驗(yàn)的累積。為此，廣東電網(wǎng)首次應(yīng)用“品”字 型大容量油浸式鐵心并聯(lián)電抗器，但投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)了 該類型電抗器的一些集中缺陷，針對(duì)這些集中缺 陷，本文進(jìn)行了原因分析和提出了整改措施，在整 改完成后重新投運(yùn)，運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了整改措施的有 效性，對(duì)“品”字型大容量油浸式鐵心并聯(lián)電抗器的 推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 缺陷概況

在運(yùn)某4臺(tái)“品”字型大容量油浸式并聯(lián)鐵心電抗器自2015年投運(yùn)以來(lái)不但存在過(guò)熱缺陷，還存在噪聲大、振動(dòng)大的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了500 kV主變壓器的安全運(yùn)行和整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1 過(guò)熱缺陷概況

某500 kV變電站4臺(tái)35 kV油浸式并聯(lián)鐵心電抗器(2號(hào)母線W2的1號(hào)、2號(hào)電抗器與4號(hào)母線W4的1號(hào)、2號(hào)電抗器)于2015年11月底投運(yùn)。2015年12月初對(duì)這4臺(tái)油浸式并聯(lián)電抗器取油樣進(jìn)行色譜試驗(yàn)，W4 的1號(hào)電抗器油中乙炔體積分?jǐn)?shù)為6.09 μL/L，W2 的1號(hào)電抗器油中乙炔體積分?jǐn)?shù)為0.16 μL/L，另外2臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果合格。結(jié)合廠家的意見(jiàn)，于2015年12月底對(duì)壓緊鐵心的固定鐵件進(jìn)行拆除處理，消除鐵心多點(diǎn)接地情況。電抗器投運(yùn)2天后重新取油樣進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果顯示4號(hào)母線1號(hào)電抗器油樣中總烴的體積分?jǐn)?shù)為1 162.09 μL/L、氫氣的體積分?jǐn)?shù)為318.16 μL/L、乙炔的體積分?jǐn)?shù)為7.65 μL/L，嚴(yán)重超標(biāo)，總烴、氫氣的體積分?jǐn)?shù)與處理前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比增長(zhǎng)了1倍。油中溶解氣體故障診斷[14-19]結(jié)果表明W4的1號(hào)電抗器存在低能量放電兼過(guò)熱故障。

1.2 噪聲異常缺陷概況

某500 kV變電站2臺(tái)油浸式并聯(lián)鐵心電抗器在投運(yùn)后存在電抗器震動(dòng)劇烈的問(wèn)題，特別是油箱右側(cè)的散熱器支撐母管以及其他附件，電抗器周圍噪聲值為85.7 dB，超過(guò)80 dB。

2 缺陷原因分析

對(duì)油浸式鐵心并聯(lián)電抗器的故障原因進(jìn)一步分析，將故障電抗器進(jìn)行返廠解體檢查。

2.1 過(guò)熱缺陷原因分析

2.1.1油化試驗(yàn)分析

廠家對(duì)W4的1號(hào)電抗器油進(jìn)行油化分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1W41號(hào)電抗器油中氣體分析數(shù)據(jù)Tab.1DGAdataofW4NO.1reactorμL/L

氫甲烷乙烷乙烯乙炔一氧化碳二氧化碳總烴240.07580.86127.98658.278.45823011 375.56

2.1.2 吊罩檢查

2.1.2.1 檢查項(xiàng)目

吊罩檢查項(xiàng)目見(jiàn)表2。

表2 W4 1號(hào)電抗器吊罩檢查項(xiàng)目Tab.2 Inspection items of W4 NO.1 reactor hanging cover

2.1.2.2 檢查結(jié)果分析

油浸式鐵心電抗器接地系統(tǒng)如圖4所示。將整體接地，利用底架與油箱底部定位螺桿(如圖5所示)接觸進(jìn)行接地，檢查發(fā)現(xiàn)鐵心(及夾件)存在接地不可靠現(xiàn)象，在電抗器運(yùn)行過(guò)程中，鐵心易出現(xiàn)懸浮電位產(chǎn)生放電，導(dǎo)致乙炔含量過(guò)高，需要對(duì)整個(gè)鐵心接地系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

圖4 電抗器內(nèi)部的接地結(jié)構(gòu)Fig.4 Grounding structure of reactor internals

圖5 鐵心通過(guò)定位螺桿與油箱底的接觸進(jìn)行接地Fig.5 Grounding of iron core by connecting set bolts with bottom of tank

在拆除鐵心中心拉桿之前，對(duì)鐵軛上部接地引線與油箱之間的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果為0。測(cè)量如圖4中所示的絕緣隔離的中心拉桿，發(fā)現(xiàn)兩者之間的絕緣電阻為0，形成了電流流通回路。在電抗器運(yùn)行過(guò)程中，在交變電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生環(huán)流，導(dǎo)致局部過(guò)熱并產(chǎn)生相應(yīng)的特征氣體。

在拆除鐵心中心拉桿之后，對(duì)上、下夾件與鐵軛之間的絕緣電阻進(jìn)行了測(cè)量，所得結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 絕緣電阻的測(cè)量結(jié)果
Tab.3 Measurement results of insulation resistance

檢查項(xiàng)目測(cè)量值/MΩ下鐵軛-上夾件2 800上鐵軛-上夾件280上鐵軛-下鐵軛3 500下鐵軛-下夾件(未分離)2.30上鐵軛-下夾件300上夾件-下夾件2 300

從表3可看到，下夾件與下鐵軛之間的絕緣電阻為2.3 MΩ，結(jié)果異常。對(duì)底架和下鐵軛進(jìn)行分離處理后，兩者之間的絕緣電阻恢復(fù)正常，可判斷兩者之間的絕緣比較薄弱。

2.2 噪聲過(guò)大缺陷原因分析

油浸式并聯(lián)鐵心電抗器本體結(jié)構(gòu)與油浸式變壓器類似，但鐵心電抗器與變壓器在鐵心結(jié)構(gòu)、壓緊結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式等方面與變壓器有本質(zhì)的區(qū)別，使得鐵心電抗器的運(yùn)行狀況與變壓器相比更為復(fù)雜。

鐵心電抗器鐵心由分段的鐵心餅和氣隙疊裝而成。由于增加了分段氣隙，電抗器鐵心的漏磁通比變壓器大很多，可達(dá)到總磁通的30%，是常規(guī)變壓器漏磁通比例的數(shù)十倍，而高比例的漏磁通會(huì)導(dǎo)致鐵心的劇烈震動(dòng)，并產(chǎn)生噪音。

另外，鐵心由分段的鐵心餅組成，在工頻交流電的作用下，鐵心餅之間會(huì)產(chǎn)生電源頻率相近電磁力，同時(shí)鐵心激磁使得鐵心硅鋼片產(chǎn)生磁滯伸縮。磁滯伸縮和電磁力也會(huì)導(dǎo)致鐵芯的振動(dòng)，并產(chǎn)生噪聲。鐵心電抗器因漏磁較大，在油箱壁上裝設(shè)了磁屏蔽，也會(huì)引起油箱磁屏蔽和油箱的振動(dòng)，并產(chǎn)生噪聲。

鐵心電抗器線圈的導(dǎo)線在漏磁通產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)的作用下也會(huì)產(chǎn)生電磁力，引起振動(dòng)和噪聲。綜上所述，由于鐵心電抗器特有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致其運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)相比同等級(jí)的變壓器而言要大很多，因此對(duì)于噪聲和振動(dòng)的控制成了衡量鐵心電抗器制造水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。

從上述分析來(lái)看，該型大容量油浸鐵心并聯(lián)電抗器在設(shè)計(jì)與制造時(shí)對(duì)振動(dòng)的控制不足是缺陷的主要原因。

3 整改措施

3.1 針對(duì)過(guò)熱缺陷的整改措施

根據(jù)油化分析和吊罩檢查結(jié)果，問(wèn)題集中在鐵心(及夾件)接地不良；鐵心(及夾件)與鐵心中心拉桿之間存在環(huán)流；夾件與鐵軛之間絕緣不良。針對(duì)上述問(wèn)題提出以下處理方案。

3.1.1 接地不良的整改措施

a)改進(jìn)接地系統(tǒng)，將鐵芯與夾件分別在油箱蓋上通過(guò)10 kV接地套管引出，并通過(guò)瓷支柱絕緣子引下；

b)接地引線改用50 mm2軟銅線；

c)油箱蓋與油箱壁進(jìn)行短接處理，防止出現(xiàn)“打火”現(xiàn)象；

d)在油箱蓋上低壓側(cè)加裝2個(gè)10 kV接地套管，在油箱壁上焊接小支架，通過(guò)瓷支柱絕緣子將黃綠接地線引到油箱下部，并使用標(biāo)識(shí)區(qū)分夾件與鐵心；

e)鐵心底架與油箱底全部絕緣處理，δ5電工絕緣紙板3件，鋪設(shè)前對(duì)其進(jìn)行干燥、浸油處理；

f)減小油箱底定位釘外徑，由現(xiàn)在的56 mm修改為45 mm，加裝5 mm厚的絕緣角環(huán)，安裝前對(duì)其進(jìn)行干燥、浸油處理。

絕緣角環(huán)、絕緣紙板、減震墊的安裝順序如圖6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)(按abcde順序安裝)所示，裝配完成如圖7所示。記錄定位螺桿與絕緣角環(huán)、絕緣紙板之間的絕緣阻值(絕緣電阻大于200 MΩ)。電抗器鐵軛與夾件之間的絕緣整改如圖8所示。

圖6 絕緣角環(huán)、絕緣紙板、減震墊的安裝順序Fig.6 Erection sequence of insulation angled ring, insulating cardboard and shock pad

圖7 絕緣角環(huán)、絕緣紙板、減震墊安裝完成圖Fig.7 Finished installation of insulation angled ring, insulating cardboard and shock pad

3.1.2 針對(duì)環(huán)流的整改措施

中心拉桿穿越鐵軛部分(軛高417 mm)進(jìn)行切削處理，切削厚度小于2 mm。切削部分包1 mm絕緣。3根中心拉桿和下底架安裝完畢后，然后分別測(cè)量3根中心拉桿對(duì)上鐵軛、夾件、下鐵軛的絕緣(絕緣電阻大于200 MΩ)。

3.1.3 夾件與鐵軛間絕緣不良的整改措施

將圖4中下鐵軛和下夾件以及上鐵軛和上夾件之間的絕緣更換為δ10電工絕緣紙板，如圖8(a)、(b)所示。在中心拉桿穿越鐵軛部分增加絕緣紙管，保證兩者之間的完全隔離，該位置的絕緣紙管安裝后不能脫落。δ10電工絕緣紙板進(jìn)行干燥、浸油處理后，下鐵軛和底架之間用千斤頂將下夾件復(fù)位，測(cè)量?jī)烧咧g的絕緣(絕緣電阻大于200 MΩ)。改進(jìn)后的鐵心接地結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 電抗器鐵軛與夾件之間的絕緣整改示意Fig.8 Rectification of insulation between yoke and yoke clamping

圖9 改進(jìn)后的鐵心接地結(jié)構(gòu)Fig.9 Improved grounding structure of iron core

3.2 針對(duì)噪聲過(guò)大的整改措施

3.2.1 油浸式并聯(lián)鐵心電抗器建模仿真計(jì)算改進(jìn)

為改進(jìn)油浸式并聯(lián)鐵心電抗器設(shè)計(jì)，使用ANSYS Maxwell進(jìn)行電磁仿真，對(duì)電感、漏磁場(chǎng)、電磁力、線圈渦流損耗等進(jìn)行了核算，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。

油浸式并聯(lián)鐵心電抗器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為提高仿真效率，對(duì)線圈及鐵心的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并忽略磁屏蔽、金屬件、油箱等的影響，圖10(a)、(b)分別為油浸式并聯(lián)鐵心電抗器的立體三維結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化模型。

圖10 油浸式并聯(lián)鐵心電抗器結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of oil-immersed shunt iron core reactor

在靜態(tài)場(chǎng)下，根據(jù)磁場(chǎng)儲(chǔ)能計(jì)算公式，電感儲(chǔ)存的能量

(1)

式中：L為電感；I為流過(guò)的電流；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；dΩ為體積元。

經(jīng)計(jì)算，三相電感值及與額定電感(64.75 mH)偏差見(jiàn)表4。

表4 三相電感值及偏差值
Tab.4 Three-phase inductance values and deviation values

相位磁場(chǎng)儲(chǔ)能/J電感/mH偏差/%A64 195.465.50+1.16B16 065.865.57+1.27C16 068.165.58+1.28

結(jié)果偏差在合理范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了所建模型的正確性。

圖11為油浸式并聯(lián)鐵心電抗器整體磁通密度矢量圖，磁通在3個(gè)鐵心柱中流通；圖12為A柱鐵心餅磁密分布云圖，經(jīng)計(jì)算，鐵餅截面磁通量-0.37 Wb，鐵餅平均磁通密度為1.31 T，與電磁計(jì)算值相符。

圖11 三維仿真磁通密度矢量圖Fig.11 3D simulation model of magnetic flux density

圖12 A柱鐵心餅磁通密度矢量圖Fig.12 3D simulation model of phase A’s iron core

然后采用虛位移方法對(duì)電磁力進(jìn)行求解。經(jīng)典虛位移法用差商代替微商，通過(guò)計(jì)算虛位移時(shí)的變化確定電磁力

(2)

靜磁場(chǎng)仿真鐵餅表面電磁力矢量圖如圖13所示。

圖13 鐵餅表面電磁力矢量圖Fig.13 3D simulation model of electromagnetic force on surface of iron core

經(jīng)計(jì)算，鐵餅表面電磁力為201.52 N/m2，與公式計(jì)算的194.52 kN/m2偏差+3.6%；線圈表面電磁力軸向10.31 kN/m2，徑向0.84 kN。

3.2.2 油浸式并聯(lián)鐵心電抗器結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)

針對(duì)油浸式并聯(lián)鐵心電抗器噪聲過(guò)大的缺陷，提出了以下若干整改措施和工藝改進(jìn)方式：

a)核算鐵心餅電磁力，在鐵心裝配時(shí)給予數(shù)倍電磁力的壓力，對(duì)鐵心柱進(jìn)行壓緊；

b)對(duì)于三相鐵心餅進(jìn)行垂直度和平整度測(cè)試，保證三相鐵心柱垂直和水平面平整度，保證鐵軛與鐵心柱的壓緊貼實(shí)；

c)在鐵心裝配完成后，采用液壓裝置進(jìn)行壓緊，保證三相鐵心壓緊程度一致；

圖14 聲級(jí)測(cè)定結(jié)果Fig.14 Test results of sound levels

d)在鐵心壓緊結(jié)構(gòu)中設(shè)置防松止退裝置，防止運(yùn)行中壓緊螺桿的松退；

e)在器身結(jié)構(gòu)中設(shè)置減震墊，改變器身的共振頻率，降低噪聲；

f)在磁屏蔽與油箱固定處設(shè)置緊固裝置，將磁屏蔽與油箱壁固定為一體結(jié)構(gòu)，減少磁屏蔽振動(dòng)和噪聲；

g)線圈結(jié)構(gòu)改為連續(xù)餅式線圈結(jié)構(gòu)，能夠保證線圈的均勻壓緊，降低線圈部分導(dǎo)致的噪聲和振動(dòng)；

h)降低油浸式并聯(lián)鐵心電抗器運(yùn)行時(shí)鐵心的磁通密度，減少硅鋼片的磁滯伸縮引起的鐵芯振動(dòng)；

i)在電抗器與水泥基礎(chǔ)之間設(shè)置減震橡膠，改變電抗器與水泥基礎(chǔ)之間的共振頻率，增大噪聲與振動(dòng)的阻尼效果。

在整改后對(duì)油浸式并聯(lián)鐵心電抗器進(jìn)行了噪聲測(cè)試。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電抗器的聲級(jí)測(cè)定按變壓器聲級(jí)測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[20]。采用聲壓級(jí)測(cè)量方式，輪廓線應(yīng)距繞組表面2 m，規(guī)定輪廓線應(yīng)位于繞組高度1/2的水平面上。試驗(yàn)過(guò)程中考慮到不希望出現(xiàn)的試驗(yàn)室邊界和試品附近的物體產(chǎn)生的聲反射的影響，首先計(jì)算環(huán)境修正系數(shù)K[21]，即

(3)

式中：S為試驗(yàn)室吸聲面積；A為測(cè)量表面積。

(4)

式中：N為測(cè)量點(diǎn)總數(shù)；LpAi為第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)上測(cè)出的聲壓級(jí)。

(5)

式中：M為測(cè)量點(diǎn)總數(shù)；LbgAi為在第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)上測(cè)出的背景噪聲聲壓級(jí)。

最后，通過(guò)下式計(jì)算出修正的平均聲壓級(jí)：

(6)

在本次進(jìn)行聲級(jí)測(cè)量時(shí)，布點(diǎn)方式根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)試品按照?qǐng)D14所示的布點(diǎn)方式設(shè)置測(cè)量點(diǎn)。

經(jīng)計(jì)算，整改后油浸式并聯(lián)鐵心電抗器修正A計(jì)權(quán)表面聲壓級(jí)為78.2 dB，已經(jīng)降到80 dB以下，結(jié)果合格。

4 結(jié)論

通過(guò)油化分析及吊罩檢查可以判斷油浸式并聯(lián)鐵心電抗器鐵心(及夾件)接地不可靠、運(yùn)行中鐵心(及夾件)易形成環(huán)流導(dǎo)致過(guò)熱故障的原因如下：鐵心接地不可靠；絕緣隔離的中心拉桿兩者之間絕緣電阻為0，形成了電流流通回路；底架和下鐵軛之間的絕緣電阻無(wú)窮大，兩者之間的絕緣存在問(wèn)題，最終導(dǎo)致電抗器出現(xiàn)過(guò)熱及放電現(xiàn)象。通過(guò)仿真分析及解體檢查可以判斷油浸式并聯(lián)鐵心電抗器噪聲過(guò)大的原因?yàn)橛徒讲⒙?lián)鐵心電抗器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)電抗器對(duì)振動(dòng)的控制不足。以上分析說(shuō)明該型電抗器在設(shè)計(jì)上存在缺陷，這將導(dǎo)致此類油浸式并聯(lián)鐵心電抗器出現(xiàn)連續(xù)集中缺陷。針對(duì)該型電抗器缺陷的原因分析，本文提出了相應(yīng)的整改措施：修改同類油浸式并聯(lián)鐵心電抗器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并提高工藝制造。