一起35 kV干式電抗器匝間短路故障分析

蘇基潭

（寶鋼湛江鋼鐵有限公司，廣東湛江 524000）

引言

SVC 靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，用于補(bǔ)償抑制因電弧爐、軋鋼機(jī)等沖擊性負(fù)荷生產(chǎn)中帶來(lái)的電壓波動(dòng)、閃變以及三相不平衡、諧波等影響，而干式空心電抗器作為SVC 重要的設(shè)備之一，主要起補(bǔ)償雜散容性電流，限制合閘涌流，限制短路電流、濾波、阻波等作用。

1 故障情況

2020 年9 月11 日23:44，某變電所1#SVC 裝置二次濾波支路A 相電抗器故障起火，23:50 斷開(kāi)1#SVC裝置開(kāi)關(guān)，及時(shí)控制火情，避免故障擴(kuò)大?，F(xiàn)場(chǎng)檢查1# SVC 裝置二次濾波支路A 相電抗器上線(xiàn)圈的下端面和下線(xiàn)圈的上表面均有煙熏痕跡，下線(xiàn)圈的上端面一個(gè)扇區(qū)明顯過(guò)火受損嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)的風(fēng)道受損，而其余外部連接件未發(fā)現(xiàn)異常。參見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 電抗器外觀

圖2 包封受損

2 原因分析

2.1 電抗器基本信息

電抗器型號(hào)LKGKL-33-88.51-290，出廠時(shí)間2015 年，2020 年4 月10 日預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果正常，實(shí)測(cè)值誤差率小于±5%，相間不平衡值小于2%。見(jiàn)表1。

表1 2020年4月電抗器預(yù)防試驗(yàn)結(jié)果

2.2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障情況

檢查1# SVC 二次濾波故障回路除A 相電抗器燒損外，其它電抗器、電容器、電阻器等主體設(shè)備未發(fā)現(xiàn)異常發(fā)熱及放電痕跡；A 相電抗器燒損點(diǎn)在線(xiàn)圈包封部位，除包封內(nèi)有明顯燒損外，未發(fā)現(xiàn)對(duì)地和對(duì)其它相放電痕跡；對(duì)二次濾波回路電抗器試驗(yàn)，其B 相、C 相電感值良好，故障A 相電感量比額定值減少50%。

2.3 綜保情況分析

調(diào)取相關(guān)設(shè)備保護(hù)啟動(dòng)波形，1#SVC 裝置在故障前各支路電流電壓值均在額定值范圍內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，電流、電壓無(wú)異常波動(dòng)，無(wú)異常故障報(bào)警信息。

電抗器配置的保護(hù)主要有速斷電流保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、不平衡電流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、接地保護(hù)。保護(hù)動(dòng)作情況如下：

（1）電抗器A匝間短路時(shí)，由于匝間短路電流變化小，過(guò)電流保護(hù)和速斷保護(hù)均未起動(dòng)。

（2）電抗器相匝間短路時(shí)，不平衡電壓保護(hù)不動(dòng)作，原因是電抗器匝間短路TV 不能反映不平衡電壓，因?yàn)椴黄胶怆妷菏侨‰娙萜鞯娜嗖黄胶怆妷?，而電容器并沒(méi)有損壞，電壓是對(duì)稱(chēng)的。

（3）電抗器匝間短路，不平衡電流保護(hù)不動(dòng)作，主要由于不平衡電流很小。

（4）電抗器匝間短路時(shí)，未造成母線(xiàn)系統(tǒng)電壓下降，故低電壓保護(hù)不動(dòng)。

（5）電抗器匝間短路時(shí)，未造成單相接地或相間短路，故零序過(guò)流保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)未動(dòng)作。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查情況及故障現(xiàn)象，初步判斷是電抗器發(fā)生包封內(nèi)線(xiàn)圈匝間短路，引起線(xiàn)匝絕緣材料及導(dǎo)線(xiàn)在高溫下熔損、起火。

2.4 解體故障電抗器

為進(jìn)一步分析故障原因，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障電抗器從外而內(nèi)逐層解體檢查分析，情況如下：

（1）空心電抗器結(jié)構(gòu)從內(nèi)而外共有7道包封層，每層包封內(nèi)外表面未發(fā)現(xiàn)明顯積灰和異物，排除絕緣受污穢或異常掉落、鳥(niǎo)類(lèi)筑巢而引起放電的可能性。

（2）電抗器每個(gè)繞包外絕緣厚度均在5 mm 以上，且外絕緣整體較均勻，內(nèi)部導(dǎo)線(xiàn)排列緊密，導(dǎo)線(xiàn)縫隙膠液填充均勻，未發(fā)現(xiàn)其它部位外絕緣存在明顯生產(chǎn)制造缺陷。

（3）導(dǎo)線(xiàn)絕緣情況。故障位置附近導(dǎo)線(xiàn)絕緣狀態(tài)良好，裸導(dǎo)線(xiàn)外包裹3 層絕緣膜，且包扎緊密，絕緣膜剝離后，通過(guò)撕扯方式對(duì)絕緣膜進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度檢查，絕緣膜經(jīng)過(guò)5 年運(yùn)行仍然具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，未發(fā)現(xiàn)絕緣膜絕緣老化情況。

（4）故障包封層及線(xiàn)圈情況。通過(guò)對(duì)電抗器的逐層解剖觀察與分析，電抗器第6繞包層燒損嚴(yán)重，為故障源頭。解體后繞組中部可見(jiàn)明顯內(nèi)部匝間短路擊穿孔洞，部分導(dǎo)線(xiàn)和絕緣材料從內(nèi)部熔融而向外膨脹，故此次設(shè)備故障原因可確定為導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部匝間短路故障。且放電部位長(zhǎng)度約30 cm，從線(xiàn)圈燒損最嚴(yán)重處呈斜右下排布，疑似剮蹭現(xiàn)象。參見(jiàn)圖3。

圖3 第6繞包層疑似剮蹭痕跡

綜上所述，此次電抗器故障原因確定為生產(chǎn)制造過(guò)程中，電抗器次外層（第6 層）包封層主絕緣受到損傷，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中線(xiàn)圈絕緣被擊穿，發(fā)生匝間短路的故障。

3 處理措施

（1）對(duì)1#SVC 裝置其它同批次電抗器檢測(cè)合格，確保其它電抗器滿(mǎn)足安全穩(wěn)定運(yùn)行條件。備件電抗器于9月21日完成安裝，試驗(yàn)合格，恢復(fù)送電。

（2）恢復(fù)故障前新增1#、2# SVC 裝置相互切換電纜，1#、2#LF 爐故障時(shí)SVC 系統(tǒng)具備互相切換功能，制定了應(yīng)急處置預(yù)案，保證兩套LF爐均可運(yùn)行。

（3）設(shè)備制造廠家對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)制造全過(guò)程復(fù)盤(pán)檢查未發(fā)現(xiàn)異常，同類(lèi)型5 449 臺(tái)電抗器使用中未發(fā)生產(chǎn)品匝間絕緣故障，定性本次故障為個(gè)例，排除了產(chǎn)品出現(xiàn)批次問(wèn)題的可能。

4 電抗器常見(jiàn)故障類(lèi)型

干式空心電抗器屬不需經(jīng)常維護(hù)設(shè)備，加之受檢測(cè)手段限制，常規(guī)的檢修、試驗(yàn)中一般無(wú)法發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，所以在日常維護(hù)上未引起專(zhuān)業(yè)人員足夠的重視。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)，由于缺乏適當(dāng)?shù)木S護(hù)保養(yǎng)致使干抗在運(yùn)行期間故障，給設(shè)備安全運(yùn)行帶來(lái)了隱患?？招碾娍蛊鳜F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行多出現(xiàn)如下問(wèn)題：

（1）制造工藝不良。導(dǎo)線(xiàn)焊接口缺陷、毛刺等造成匝間短路故障；電抗器導(dǎo)線(xiàn)斷線(xiàn)引起電抗器直流電阻以及電抗的變化，最終引起三相電流不平衡，斷線(xiàn)越多，偏差將會(huì)越大。在電抗器長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，容易引起局部溫升過(guò)高，絕緣劣化速度加劇，引發(fā)事故。

（2）包封內(nèi)的導(dǎo)線(xiàn)外絕緣失效。聚酯薄膜作為導(dǎo)線(xiàn)間的匝間絕緣，制造過(guò)程中某根導(dǎo)線(xiàn)的聚酯薄膜過(guò)多，或有絕緣氣泡、被劃傷。當(dāng)設(shè)備投運(yùn)時(shí)，電抗器會(huì)承受合閘涌流和投切過(guò)電壓，當(dāng)匝間電壓過(guò)高時(shí)便會(huì)在聚酯薄膜薄弱處擊穿，最終導(dǎo)線(xiàn)絕緣完全破壞，兩匝導(dǎo)線(xiàn)聯(lián)通造成匝間短路，引發(fā)事故。

（3）包封絕緣表面涂層皸裂、粉化，造成絕緣性能下降。電抗器表面絕緣涂層隨著運(yùn)行年限推移出現(xiàn)老化、脫落，憎水性和抗紫外線(xiàn)能力喪失，無(wú)法很好地起到防護(hù)線(xiàn)圈本體作用，甚至發(fā)生延面爬電情況。

（4）漏電起痕。漏電起痕是有機(jī)外絕緣設(shè)備所共有問(wèn)題，它對(duì)絕緣損傷是不可逆的。如果表面防污閃涂層失效導(dǎo)致設(shè)備表面污濕放電概率提高，其發(fā)展過(guò)程可能較長(zhǎng)，但如果不及時(shí)處理，常能造成電抗器的燒毀。

（5）風(fēng)道條松動(dòng)、移位，綁扎帶松動(dòng)、斷裂。綁扎帶將線(xiàn)圈與上下支架緊固連接，扎帶松動(dòng)、斷裂會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行產(chǎn)生異常噪聲，并降低電抗器整體機(jī)械強(qiáng)度。

（6）電抗器包封通風(fēng)道或頂部有鳥(niǎo)窩、鼠類(lèi)等做窩。動(dòng)物筑巢可能存在鐵絲等金屬性物質(zhì)，電抗器運(yùn)行時(shí)會(huì)在電磁感應(yīng)作用下發(fā)熱、放電，造成電抗器外絕緣損傷，逐步劣化后發(fā)生嚴(yán)重短路故障。

5 日常維護(hù)建議

本次故障雖為產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，卻暴露出了目前電抗器匝間短路保護(hù)不完善。受制于目前匝間短路保護(hù)技術(shù)可靠性和成本投入，結(jié)合電抗器現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)故障類(lèi)型，提出以下建議：

（1）加強(qiáng)設(shè)備制造工藝過(guò)程監(jiān)督、出廠質(zhì)量驗(yàn)收工作，確保投運(yùn)設(shè)備質(zhì)量。

（2）加強(qiáng)電抗器表面溫度監(jiān)控，利用熱成像儀檢查電抗器運(yùn)行過(guò)程是否有局部過(guò)熱現(xiàn)象，對(duì)可能的過(guò)熱點(diǎn)要及時(shí)分析原因并處理，避免故障擴(kuò)大。

（3）加強(qiáng)對(duì)投運(yùn)設(shè)備的外觀檢查。檢查電抗器表面絕緣涂層，及時(shí)處理絕緣層材料龜裂、粉化、絕緣性能下降帶來(lái)的隱患問(wèn)題，特別是電抗器匯流排與包封底部受力支撐處容易發(fā)生防污閃涂層失效放電現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應(yīng)盡早用砂紙打磨清除皸裂、粉化等劣化的表面涂料，再用無(wú)水溶劑（如無(wú)水乙醇）進(jìn)行認(rèn)真清洗，然后涂刷耐氣候、性能優(yōu)良并與基礎(chǔ)材料相容性好的漆或涂料進(jìn)行處理，避免形成不可逆的劣化。

（4）日常應(yīng)注意檢查電抗器上、下端面及匯流引線(xiàn)、通風(fēng)道、防雨罩、緊固件等，注意有無(wú)金屬異物掉落、引線(xiàn)松動(dòng)、鳥(niǎo)類(lèi)或鼠類(lèi)筑巢、緊固件松動(dòng)引起的噪音等現(xiàn)象。

（5）定期清理異物、積污，防止電抗器散熱不良或者受污穢影響發(fā)生爬電、放電現(xiàn)象。

（6）根據(jù)預(yù)防性試驗(yàn)，定期做好絕緣、感抗值測(cè)量，精準(zhǔn)把握設(shè)備狀態(tài)。