電抗器發(fā)熱故障案例分析

郭祥雄，李 培，郭良峰，高楠楠，李宏博，伍雪萍

（1.國網(wǎng)武漢供電公司，湖北 武漢 430000；2.國家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司，山東 濟(jì)南 250002；3.國網(wǎng)寶雞供電公司，山西 寶雞 721000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力需求急劇增長，社會(huì)各行各業(yè)對(duì)電能質(zhì)量的要求逐步提高。運(yùn)行中不僅要重視有功負(fù)載，還要密切關(guān)注無功負(fù)載對(duì)供電質(zhì)量的影響。

并聯(lián)電容器能夠送出感性無功功率，是電力系統(tǒng)中重要的無功補(bǔ)償設(shè)備，其主要作用是就地提供感性負(fù)載所消耗的無功功率，減少線路等設(shè)備中傳輸?shù)臒o功功率，提高功率因數(shù)，改善電壓質(zhì)量，降低電網(wǎng)的功率損耗，提高設(shè)備的供電能力。

在并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償裝置中，一般都裝有串聯(lián)電抗器，它的作用主要有兩點(diǎn)：一是限制合閘涌流；二是抑制供電系統(tǒng)的高次諧波，用來保護(hù)電容器。可見電抗器在無功補(bǔ)償裝置中的作用非常重要。當(dāng)電抗器發(fā)生故障時(shí)，不僅影響電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，還會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，采取有效的預(yù)防措施，防止電抗器故障的發(fā)生，對(duì)確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。本文以某變電站電抗器發(fā)熱故障為例，分析了造成電抗器發(fā)熱的原因并提出相關(guān)措施。

1 事故發(fā)生過程

某變電站110 kV和10 kV母線接線方式均為單母線分段，電容器組配置在10 kV母線側(cè)，為母線提供無功補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)無功就地平衡，保持電壓的穩(wěn)定，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。電容器與電抗器的連接方式如圖1所示。

2017年5月10日，某變電站10 kV 2號(hào)電容器不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作跳閘。運(yùn)維人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)2號(hào)電容器組2-2電抗器A相、B相有燒損痕跡，如圖2所示。鐵軛與拉桿連接處的螺栓有燒融現(xiàn)象，如圖3所示。對(duì)2-2電抗器進(jìn)行紅外測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)電抗器多處溫度過高，下鐵軛導(dǎo)桿處溫度高達(dá)318℃，如圖4（a）所示，上鐵軛導(dǎo)桿處溫度高達(dá)294℃，如圖4（b）所示。

圖1 電容器與電抗器的連接方式

圖2 電抗器燒毀

圖3 螺栓燒融

圖4 紅外測(cè)溫圖片

變電檢修人員對(duì)2號(hào)電容器進(jìn)行了全面檢查，2號(hào)電容器、電纜、避雷器試驗(yàn)合格，外觀無異常，發(fā)現(xiàn)2-2電抗器多處有放電現(xiàn)象，2號(hào)放電線圈存在一定受損。對(duì)電抗器進(jìn)行絕緣電阻試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電抗器三相線圈對(duì)地絕緣為零，線圈已擊穿；放電線圈試驗(yàn)合格，但瓷瓶破損較嚴(yán)重。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電抗器試驗(yàn)情況

通過紅外測(cè)溫發(fā)現(xiàn)電抗器鐵扼與夾件處有嚴(yán)重發(fā)熱現(xiàn)象[2]，通過絕緣電阻測(cè)試發(fā)現(xiàn)，鐵扼與電抗器夾件處絕緣極低，為0.05 MΩ，包裹導(dǎo)桿的黃蠟管絕緣嚴(yán)重劣化。

2 故障案例分析

根據(jù)現(xiàn)場檢查情況，分析本次故障的原因。

本批次電抗器生產(chǎn)工藝存在缺陷，夾件與鐵扼處絕緣隔離的材質(zhì)工藝質(zhì)量不佳，鐵扼與電抗器夾件處絕緣極低，幾乎為零，包裹導(dǎo)桿的黃蠟管絕緣嚴(yán)重劣化。黃臘管屬于軟管，在穿芯螺桿安裝緊固時(shí)容易壓縮變形，使導(dǎo)桿失去絕緣護(hù)套，形成閉合導(dǎo)電和磁通回路。電抗器運(yùn)行時(shí)，這些閉合的導(dǎo)電回路相當(dāng)于小電阻的閉合線圈，在交變磁場下根據(jù)電磁感應(yīng)原理閉合導(dǎo)電回路會(huì)產(chǎn)生較大環(huán)流，導(dǎo)致閉合導(dǎo)電回路嚴(yán)重發(fā)熱[3]。

由于絕緣損壞，電抗器鐵軛和夾件形成閉合的導(dǎo)電和磁通回路，如圖5中方框所示。此時(shí)，若將該電抗器高壓線圈等效為變壓器一次繞組，這些閉合的導(dǎo)電回路可等效為該變壓器的二次繞組。

運(yùn)行中，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，不論電路是否閉合，只要穿過電路的磁通量發(fā)生變化，電路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。長度為l的導(dǎo)體，以速度v在磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的磁場中做切割磁感應(yīng)線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在b、l、v互相垂直的情況下導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為blv。磁通量是否變化是電磁感應(yīng)的根本原因。若磁通量發(fā)生變化，電路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在閉合電路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流。本案例中，絕緣損壞導(dǎo)致電抗器鐵軛和夾件形成閉合金屬回路，由于回路電阻小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將產(chǎn)生較大環(huán)流。

圖5 形成的閉合導(dǎo)電和磁通回路示意圖

閉合回路中的環(huán)流將產(chǎn)生一個(gè)磁動(dòng)勢(shì)，作用于同一鐵芯上，它與主磁通所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)方向相反，起到去磁的作用。但因主磁通決定于電源電壓，而電源電壓基本上不變，所以主磁通也基本上不變。故一次繞組將增加一部分電流，以用它所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)來抵消二次側(cè)電流所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)?？梢婇]合導(dǎo)電回路（等效為變壓器二次繞組）會(huì)使得電抗器中繞組電流增加。

繞組的基本銅損耗是電流在一次、二次繞組電阻上產(chǎn)生的損耗，附加銅損耗是由于漏磁通產(chǎn)生的集膚效應(yīng)造成電流在導(dǎo)體內(nèi)分布不均勻而產(chǎn)生的額外損耗。銅損耗與電流的平方成正比。電流的增加造成線圈發(fā)熱嚴(yán)重，長期發(fā)熱使絕緣出現(xiàn)嚴(yán)重劣化，從而導(dǎo)致設(shè)備絕緣過熱受損。

綜上所述，這些外部閉合的導(dǎo)電回路中由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，該回路中將有電流通過，該電流的長期存在是造成電抗器整體嚴(yán)重發(fā)熱并燒毀的主要原因。

3 事故處理及預(yù)防

對(duì)該電抗器進(jìn)行更換，要求設(shè)備廠家嚴(yán)格進(jìn)行出廠試驗(yàn)，并派人員監(jiān)督設(shè)備溫升試驗(yàn)。

對(duì)該設(shè)備廠家生產(chǎn)的同批次設(shè)備進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。將包裹導(dǎo)桿的黃蠟管更換為硬質(zhì)絕緣管，對(duì)于可能產(chǎn)生閉合回路的螺栓連接處更換絕緣墊。

加強(qiáng)電抗器的日常運(yùn)行測(cè)溫與巡視檢查，發(fā)現(xiàn)溫度異常立即進(jìn)行處理，防止設(shè)備過熱損壞。

4 結(jié)語

為保障電網(wǎng)和電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，不僅要做好日常維護(hù)和試驗(yàn)工作，還要特別注意高壓電氣設(shè)備的溫升檢測(cè)，并嚴(yán)格把控設(shè)備出廠檢測(cè)驗(yàn)收和安裝投運(yùn)的檢查，防止類似事故的發(fā)生。