干式空心電抗器故障及運維策略分析

時鵬 耿晉 盛雨 安勇 馬道柱 王維令

摘要：文章對干式空心電抗器的結(jié)構(gòu)和特點進(jìn)行了介紹，對干式空心電抗器故障形成原因加以分析，從溫升、匝間絕緣、繞組老化等方面進(jìn)行了著重研究。從日常巡視、停電維護(hù)、狀態(tài)在線監(jiān)測等方面，對電抗器的運行維護(hù)給出了幾點建議。

關(guān)鍵詞：干式空心電抗器;溫升;匝間絕緣;繞組老化

引言

隨著用戶負(fù)載多樣化及對電能質(zhì)量要求的提高，電力系統(tǒng)中大量電抗器用于無功補償、限流及濾波等。與鐵心電抗器相比，干式空心電抗器具有諸多優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。但其運行以來，多次出現(xiàn)燒損事故，給運維單位造成較大經(jīng)濟(jì)損失，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1 干式空心電抗器概述

1.1 干式空心電抗器的結(jié)構(gòu)

干式空心電抗器由鋁線圈、金屬結(jié)構(gòu)件和支柱絕緣子組成1個整體。為保證電抗器良好的散熱特性，根據(jù)電抗器容量大小可以將線圈做成若干個包封內(nèi)外并聯(lián)，每個包封間用玻璃絲制通風(fēng)道撐條分隔，形成散熱氣道。單個包封使用表面纏繞PET聚脂薄膜的單絲圓鋁線多根并繞，為了保證外絕緣并隔離外界環(huán)境在線圈外部使用浸有環(huán)氧樹脂的玻璃纖維環(huán)繞包裹，整體經(jīng)高溫固化，形成一個玻璃鋼體。包封截面見圖1。

1.2 干式空心電抗器特點

干式空心電抗器采用空心結(jié)構(gòu)，不存在鐵磁飽和，電感值的線性度好。同時使用無油結(jié)構(gòu)，采用空氣散熱，電抗器基本免維護(hù)。但其結(jié)構(gòu)簡單，且運行環(huán)境比較惡劣，長期遭受日曬雨淋，會加速其絕緣的老化。此外其漏抗較大，對周圍設(shè)備的影響大，要求較大的無導(dǎo)磁設(shè)備區(qū)域。干式空心電抗器制造門檻低，很多廠家具有生產(chǎn)能力，而這些廠家的設(shè)計、制造水平參差不齊，在設(shè)計、制造過程中存在較多的問題，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不足。

2 干式空心電抗器故障的主要原因

2.1局部溫升過高

電抗器溫升的高低是保證其質(zhì)量和使用壽命的重要指標(biāo)。溫升增高會加速絕緣材料的老化，使其失去絕緣性能，縮短電抗器的使用壽命。在一定溫度下，絕緣材料不產(chǎn)生熱損壞的時間稱為絕緣材料的使用壽命。根據(jù)Montsinger的壽命定律，絕緣材料的熱老化與溫度有如下關(guān)系：

t=Aexp（aθ）

式中：t為絕緣材料的使用壽命;A為常數(shù)，B級絕緣材料約為6.5*105;a為常數(shù)，約為0.089;θ為絕緣材料的溫度。由上式可以看出，對于B級絕緣材料，每當(dāng)溫度增加10℃，絕緣材料的使用壽命減少一半，這就是絕緣材料的10℃定則。

形成溫升的主要原因有：溫升的設(shè)計裕度小;還有制造原因，如繞制繞組時，線軸的配重不夠、繞制速度過快和停機(jī)均可造成繞組松緊度不好和繞組電阻的變化;另外，接線端子與繞組焊接處產(chǎn)生的附加電阻，該焊接處產(chǎn)生的附加損耗使接線端子處溫升過高。防止溫升超限的措施，一是選擇合理的耐熱等級絕緣材料、設(shè)計運行穩(wěn)定更合理的電抗器，從根本上解決溫升對絕緣材料的影響;二是戴帽或者搭防護(hù)棚，防止日曬、雨淋，并改善電抗器的通風(fēng)條件，降低電抗器運行的環(huán)境溫度。

2.2包封受潮導(dǎo)致匝間絕緣強度降低

包封受潮是導(dǎo)致干式空心電抗器匝間絕緣失效的誘因。包封受潮情況下其絕緣性能將大受影響，隨之出現(xiàn)絕緣被擊穿甚至局部放電現(xiàn)象。研究表明，包封受潮將導(dǎo)致包封內(nèi)部各絕緣材料的水解，其中聚脂薄膜的耐水解性能很差，極易因嚴(yán)重水解而導(dǎo)致機(jī)械強度的大幅下降甚至完全脆化，并在包封內(nèi)部應(yīng)力的作用下破裂從而導(dǎo)致匝間絕緣受損。防止此類事故可從三方面考慮，一是加強包封的密封性，例如在包封表面全面涂覆防水涂層避免水分入侵;二是使用耐高溫水解的絕緣材料替代聚脂薄膜，以降低包封進(jìn)水對匝間絕緣性能的影響;三是提升包封外表面的抗老化能力，開展有效的防紫外線防護(hù)漆的噴涂。

2.3繞組的絕緣老化

干式空心電抗器的匝間絕緣是聚酯薄膜?——環(huán)氧樹脂——聚酯薄膜組成的復(fù)合絕緣。電氣設(shè)備的絕緣材料在外加應(yīng)力的作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使其性能隨時間發(fā)生不可逆的劣化直至失效。根據(jù)外加應(yīng)力的不同，絕緣材料的老化可分為電老化、熱老化、機(jī)械老化和環(huán)境老化。

（1）電老化過程。電抗器生產(chǎn)過程中，繞組中導(dǎo)體和絕緣材料上難免存在毛刺和氣隙等缺陷，在高電場作用下產(chǎn)生局部放電，引起絕緣材料性能下降直至完全損壞。另外，電抗器表面的灰塵等污穢在潮濕環(huán)境下受潮，其表面泄漏電流增大引起發(fā)熱使局部快速干燥，形成干區(qū)。在干區(qū)兩端將被施以一定的電壓，隨之形成一定的場強。在場強較大時將導(dǎo)致電抗器表面的電離發(fā)生碰撞，輝光放電或電暈現(xiàn)象隨之在鐵腳附近出現(xiàn)，形成局部電弧。電弧將會延長干區(qū)，而在電壓的持續(xù)作用之下，無論是泄漏電流還是電弧長度都將大大增加，逐步形成電樹枝，進(jìn)一步造成了絕緣材料老化。

（2）熱老化過程。電抗器在運行過程中，其繞組既是導(dǎo)熱介質(zhì)又是熱源，加上各個包封不完全相同使得各部位溫度分布不均勻，從而最大溫升點的溫度較高，于是匝間絕緣材料也經(jīng)歷了熱老化過程。

（3）機(jī)械老化過程。電抗器在運行過程中產(chǎn)生的交變磁場而引起電動力，同時投切過程中電抗器遭受操作過電壓的沖擊，電抗器的線圈及其絕緣將承受很大的電磁力;再加上導(dǎo)線和絕緣材料的膨脹系數(shù)不同，電抗器運行和停運時的溫差較大從而產(chǎn)生一個較大的拉扯力，導(dǎo)致絕緣材料受損。

（4）環(huán)境老化過程。日曬、酸雨、鳥獸糞便、工廠煙塵等酸性物質(zhì)很容易腐蝕絕緣材料，造成絕緣材料的老化。

3 干式空心電抗器運維策略

3.1 不停電期間精細(xì)管理

（1）運行期間加強紅外測溫。串聯(lián)電抗器測量電抗器頂端溫度，并在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，對比?shù)據(jù)時應(yīng)扣除環(huán)境溫度，如有明顯升高應(yīng)立即停電。

（2）檢查電抗器是否有異常聲響，包括電抗器的噪聲響度和頻次是否有異常。

（3）避免反復(fù)頻繁投切同一組電容電抗器組。采用 AVC 等自動投切系統(tǒng)控制的無功補償系統(tǒng)，投切策略應(yīng)保持各組投切次數(shù)均衡，避免反復(fù)投切同一組。送電半小時內(nèi)，對電抗器進(jìn)行關(guān)注。若發(fā)現(xiàn)溫度過高或冒煙、著火應(yīng)立即采取處理措施。

3.2停電期間加強維護(hù)

（1）加強試驗監(jiān)督。為防止電抗器匝間短路故障，對新投運及運行8年以上的干式空心電抗器，需抽檢進(jìn)行匝間絕緣耐壓試驗。在串聯(lián)電抗器選型時，應(yīng)充分考慮電抗器所處系統(tǒng)的諧波水平，因為諧波可能會使電抗器的發(fā)熱更為嚴(yán)重。選取故障較多的站點開展諧波水平測試。

（2）增加防水、抗紫外線的措施。檢查防護(hù)涂層是否存在物理損傷，例如劃傷、脫落或起皮。如存在物理損傷，需及時補涂。PRTV防污閃涂料涂料的使用壽命大約有20年左右，如果設(shè)備運行環(huán)境溫度過高、紫外線強度過大、大氣中腐蝕性化學(xué)成分過多會縮短防護(hù)涂料的壽命，在實際維護(hù)過程中應(yīng)在10年左右復(fù)涂一次防污閃涂料。

（3）清除風(fēng)道內(nèi)異物。一般采取內(nèi)窺鏡進(jìn)行詳細(xì)檢查風(fēng)道，發(fā)現(xiàn)金屬類物質(zhì)時，應(yīng)及時清除并檢查絕緣是否有損傷，進(jìn)行損傷評價。在維護(hù)過程中，如果風(fēng)道內(nèi)沉積的主要是灰塵，一般使用高壓氣流對風(fēng)道進(jìn)行清潔;如果風(fēng)道內(nèi)存在的工業(yè)污穢物較多，一般是使用酒精進(jìn)行清潔;對于掉落的撐條，應(yīng)在廠家指導(dǎo)下進(jìn)行撐條的補裝，以防補裝過程中對包封表層造成損壞。

3.3電抗器狀態(tài)在線監(jiān)測

近年來，電抗器故障發(fā)生率呈升高趨勢。而目前無功補償裝置中沒有專門針對電抗器的監(jiān)控和保護(hù)，電抗器故障往往發(fā)展成電抗器燒損事故。有必要研究一種電抗器狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，建立一套可靠有效的評價系統(tǒng)，實時監(jiān)測電抗器運行電流、電壓、溫度、損耗以及諧波成分等重要參數(shù)，評估電抗器的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理電抗器的運行隱患，確保電抗器處于良好的運行狀態(tài)，減少故障的發(fā)生。

4 結(jié)束語

干式空心電抗器具有易安裝、維護(hù)工作量小、環(huán)保和不易發(fā)生相間短路故障等優(yōu)點，近年來廣泛應(yīng)用于變電站無功補償系統(tǒng)中。相比于干式鐵心電抗器、油浸式電抗器等，干式空心電抗器存在匝間絕緣、包封表面、局部溫升等薄弱環(huán)節(jié)，隱患隨著時間的累積漸漸形成安全故障。因此，對干式空心電抗器運維策略進(jìn)行研究是非常有必要的。

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