10 kV及35 kV干式空心電抗器匝間絕緣試驗方法分析及應(yīng)用

潘劍南，李浩良

(廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司，廣州 510075)

0 引言

干式空心電抗器(以下簡稱干抗)廣泛應(yīng)用于廣東電力系統(tǒng)中，干抗發(fā)生故障時容易起火燒毀設(shè)備。近年來，運行中10 kV、35 kV干抗事故頻發(fā)嚴(yán)重，影響電網(wǎng)的安全運行。干抗的設(shè)計制造決定了繞組匝間的絕緣為最薄弱的環(huán)節(jié)，實際研究也表明在運干抗故障的主要原因是匝間絕緣故障[1－7]。對干抗匝間過電壓的試驗理論研究及仿真計算的方法較多，但很少有關(guān)于在運干抗進行匝間絕緣現(xiàn)場試驗的介紹[8－13]。對在運設(shè)備進行預(yù)防性試驗是防止設(shè)備運行故障的重要方法。所以有必要選擇可行的試驗方法對干抗進行現(xiàn)場試驗，檢查干抗的匝間絕緣情況，將有潛在缺陷的干抗排查出來，防止事故發(fā)生。同時驗證標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法在現(xiàn)場實施的可行性。

1 相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)場試驗需要有標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，國內(nèi)已有多個試驗標(biāo)準(zhǔn)對干抗的試驗項目及要求作出了規(guī)定。國家標(biāo)準(zhǔn)GB50150—2016?電氣裝置安裝工程－電氣設(shè)備交接標(biāo)準(zhǔn)》要求對干式電抗器進行的試驗項目有繞組直流電阻測量、繞組絕緣電阻測量、繞組交流耐壓試驗、額定電壓下沖擊合閘試驗。GB1904.6—2011?電力變壓器第6部分:電抗器》規(guī)定采用高頻脈沖振蕩電壓檢測代替感應(yīng)電壓和雷擊過電壓試驗。行業(yè)規(guī)程DL/T596—1996?電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》要求干式電抗器進行繞組交流耐壓試驗及直流電阻測量。JB/T5346—2014?高壓并聯(lián)電容器用串聯(lián)電抗器》規(guī)定采用高頻脈沖振蕩電壓檢測代替感應(yīng)電壓和雷擊過電壓試驗。DL/T 1808—2018?干式空心電抗器匝間過電壓現(xiàn)場試驗導(dǎo)則》則對匝間過電壓現(xiàn)場試驗進行了細(xì)化指導(dǎo)。中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司的Q/CSG1206007—2017?電力設(shè)備檢修試驗規(guī)程》要求對干抗進行的試驗項目包括紅外檢測、阻抗測量及匝間絕緣耐壓試驗。國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60076－6—2007?Power transformers－Part6:Reactors》要求對干抗進行高頻脈沖振蕩電壓檢測，而且給出了檢測的方法及電路原理圖。標(biāo)準(zhǔn)推薦的現(xiàn)場試驗項目，繞組絕緣電阻及交流耐壓試驗是檢查繞組整體對地的絕緣情況。理論上繞組直流電阻測量、阻抗測量、額定電壓下沖擊合閘試驗和匝間過電壓試驗可以檢查繞組匝間絕緣。但這幾項試驗檢測電抗器匝間短路的靈敏度不一樣。對于嚴(yán)重的匝間短路故障，這幾項試驗都可以有效地檢測故障，但如果電抗器只是發(fā)生一兩匝等輕微的匝間短路故障，直流電流測量和阻抗測量就不能有效地檢測出故障。通過大樣本的現(xiàn)場試驗表明高頻脈沖振蕩電壓檢測方法對于一兩匝等輕微的匝間短路故障有著較高的檢測靈敏度。

2 試驗方法分析

2.1 直流電阻和阻抗測量方法實測分析

電抗器發(fā)生匝間短路后，電阻值、電抗值、電感量均會發(fā)生變化。理論上只要檢測精度足夠高，就可通過測量直流電阻值反映匝間絕緣的狀況。根據(jù)生產(chǎn)制造經(jīng)驗，在正常情況下，電抗器三相電壓電流平衡，線圈直流電阻的最大互差與三相平均值的比值不超過±2%[14]。干抗整個繞組的匝數(shù)多達上萬匝，當(dāng)1匝發(fā)生匝間短路時，直流電阻值變化量低至10－4數(shù)量級，現(xiàn)有的檢測儀器精度難以達到精確測量。中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司?電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)懷疑干抗有匝間短路可進行工頻阻抗測量，阻抗測量值與出廠值比較，相差不大于5%。由于35 kV干抗匝數(shù)多于10 kV干抗，對測量精度要求更高，故在該項試驗方法分析中采用一組退運的35 kV干抗進行實測。為了使干抗絕緣進入老化狀態(tài)，將其置于烘箱內(nèi)進行加速熱老化試驗。由于35 kV干抗匝間絕緣等級為B級，即運行的最高溫度為185℃。故設(shè)置老化試驗溫度為180℃，試驗時間為102 h。由B級絕緣老化壽命公式可知，此效果等效于干抗在85℃下運行10年。采用電壓電流法分別在干抗匝間絕緣老化前和老化后，測量其直流電阻值和電抗值，測量結(jié)果見表1。為了達到匝間短路狀態(tài)，人為對電抗器最外層線圈的一匝匝間絕緣制造成金屬性短路。采用電壓電流法對直流電阻值和電抗值進行測量，測量結(jié)果見表2。

表1 匝間短路前測量結(jié)果

表2 1匝匝間短路后測量結(jié)果

表1中，電抗器老化前和老化后的直流電阻值和工頻電抗值變化極小，考慮測量誤差，測量數(shù)據(jù)反映不出老化前后的測量值差別。通過老化前后的測量對比，說明干抗經(jīng)過運行老化后出現(xiàn)一定程度絕緣損傷，但絕緣未擊穿時低電壓的檢測方法難以將絕緣缺陷反映出來。

表2的數(shù)據(jù)表明，電抗器發(fā)生了1匝匝間短路后的直流電阻值和工頻電抗值變化極小，考慮測量誤差，測量數(shù)據(jù)反映不出匝間短路前后的測量值差別。通過匝間短路前后的數(shù)據(jù)對比，也說明了干抗只發(fā)生一兩匝等輕微的匝間短路時，低電壓的檢測方法難以將絕緣故障檢測出來。

2.2 高頻脈沖振蕩電壓檢測方法計算分析

按國際和國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的高頻脈沖檢測方法描述:通過向電容重復(fù)充放電，并通過球隙放電將電壓施加到電抗器繞組上。電抗器受到的過電壓類型與指數(shù)衰減的正弦波操作沖擊電壓相似，試驗原理如圖1所示。

圖1 高頻脈沖檢測法原理

圖2是高頻脈沖振蕩電壓檢測法的等值電路。其中:C是儲能電容；L是整個回路的等效電感，等于電抗器的等效電感和檢測回路的電感之和；由于回路電感量遠(yuǎn)小于電抗器電感量，L可認(rèn)為等同于電抗器的等效電感；R是整個回路的等效電阻，等于電抗器的等效電阻和檢測回路的電阻之和[15－18]。

圖2 高頻脈沖振蕩法等值電路

在試驗檢測時，直流電源向電容C充電，使充電電壓達到設(shè)定值U0。此時放電球隙S發(fā)生放電(開關(guān)S閉合)，電路放電過程是二階電路的零輸入響應(yīng)。在明確電壓和電流的參考方向下，根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得:

由電流、電感、電容、電阻的關(guān)系可得:

將式(2)—(4)帶入式(1)，得:

式(5)是以uc為未知量的RLC串聯(lián)電路放電過程的微分方程。該方程是一個線性常系數(shù)二階齊次微分方程，解出uc便可求得uL。由電壓振蕩衰減放電電路可得:

式中，ω0為固有振蕩角頻率；δ為衰減系數(shù)或阻尼系數(shù)；ω為實際振蕩頻率。

從式(6)可知電壓的波形呈振蕩衰減狀態(tài)，在整個過程中周期性地改變方向。由式(6)—(9)可知，若電抗器發(fā)生匝間短路，線圈電阻值和電抗值將會發(fā)生變化，影響電抗器電壓表達式的參數(shù)，從而影響電壓幅值、振蕩頻率和衰減系數(shù)。

2.3 匝間短路時等值電路參數(shù)變化研究

根據(jù)上述的計算過程可知，對發(fā)生一匝匝間絕緣短路故障的情況進行計算的關(guān)鍵是求解出有短路匝時整個電抗器的等效電感和等效電阻。采用交流穩(wěn)態(tài)分析的方法，計算發(fā)生一匝匝間絕緣短路故障的情況下整個電抗器的等效電感和等效電阻，并得到對應(yīng)的表達式。

圖3是N匝單層空心電抗器及其交流穩(wěn)態(tài)等效電路。根據(jù)電路理論，電感量和電阻值可表示為:

圖3 N匝單層空心電抗器及其交流穩(wěn)態(tài)等效電路

假設(shè)由于運行原因，電抗器的某個部分出現(xiàn)了一匝匝間短路，此時電抗器及其交流穩(wěn)態(tài)等效電路如圖4所示。其中L′＝kL(N－1)2是短路匝外其他匝的自感；而R′＝kR(N－1)是短路匝以外其他匝的電阻；M12是短路匝與其余匝之間的互感；L2是短路匝的自感；R2是短路匝的電阻。

圖4 一匝短路的電抗器等效電路

由圖3的等效電路可知:

由式(13)可得:

將式(14)代入式(12)，整理后得:

由此得出電抗器的等效電感和等效電阻分別為:

由式(16)可知，等效電感Leq小于L′，而L′小于L，所以等效電感Leq小于L。由式(17)可知，等效電阻Req大于R′，而R′大于R，所以等效電阻Req大于R。再結(jié)合式(6)可知，干抗出現(xiàn)1匝短路時電壓波形衰減系數(shù)增大，衰減速度加快，衰減周期減小，振蕩頻率增加。

在高頻情況下，R22?ω2L22，電抗器的等效電感和等效電阻分別近似等于:

式(18)中，M12是短路匝與其他匝之間的互感，L2是短路匝的自感，對于干抗有M12?L2。由于短路匝的存在，電抗器等效電感減小的量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于匝數(shù)減小1匝而造成的電感減小的量。而式(19)表明，電抗器的等效電阻值因為1匝匝間短路而增加很多。

綜上所述，當(dāng)電抗器線圈發(fā)生匝間短路，電壓波形振蕩頻率增加，衰減速度加快，衰減周期減小。因此可以利用高頻脈沖振蕩法對空心電抗器的匝間絕緣進行試驗，通過觀察線圈兩端的電壓振蕩波形的變化就可以判斷電抗器線圈匝間絕緣是否存在缺陷。

3 現(xiàn)場試驗情況

3.1 試驗設(shè)備

現(xiàn)場試驗裝置使用直流發(fā)生器提供脈沖電源，解決連續(xù)球隙放電電壓不可控的問題，具有良好的現(xiàn)場試驗效果[19－20]，其工作原理如圖5所示。

圖5 匝間絕緣檢測裝置原理

圖5中:DC表示直流發(fā)生器；R為限流電阻；C為充電電容；L為待測的干抗；S為高壓電子開關(guān)，在指定電壓下進行點火放電，為待測的干抗L提供高頻脈沖振蕩電壓；CH為電容分壓器高壓臂電容；CL為電容分壓器低壓臂電容。其中，直流高壓發(fā)生器輸入電源電壓為三相380 V，功率10 kW，額定輸出高壓200 kV，額定電流30 mA；高壓電子開關(guān)額定高壓200 kV，放電電壓10～200 kV，放電頻率50 Hz；充電電阻額定高壓直流200 kV；充電電容額定高壓交流160 kV；分壓器額定高壓交流160 kV。

3.2 試驗要求

在被試電抗器兩端施加不高于30%的試驗電壓作為標(biāo)定電壓，記錄電壓波形；然后施加100%試驗電壓，持續(xù)1 min，試驗過程中記錄電壓波形。比較全電壓和標(biāo)定電壓下的電壓波形，標(biāo)定電壓波形和全電壓波形的振蕩頻率和包絡(luò)線衰減情況一致，表明在標(biāo)定電壓和全電壓下電抗器內(nèi)部的情況沒有顯著不同，判斷該電抗器通過匝間過電壓試驗。若標(biāo)定電壓波形和全電壓波形的振蕩頻率和包絡(luò)線衰減情況不同，表明在標(biāo)定電壓和全電壓下電抗器內(nèi)部的情況存在差異，判斷該電抗器未通過匝間過電壓試驗。振蕩頻率變化的程度及包絡(luò)線衰減程度與匝間擊穿點的位置、試品參數(shù)等因素有關(guān)。異常情況下，振蕩頻率變化率大于5%。

3.3 試驗結(jié)果

現(xiàn)場對78組(234)臺電抗器進行檢測，發(fā)現(xiàn)8組(16臺)電抗器有匝間絕緣短路故障，以組計故障率為10.2%，以臺計故障率為6.8%。

4 典型案例

4.1 35 kV電容器組串聯(lián)電抗器匝間短路故障

對B相23C串聯(lián)電抗器施加標(biāo)定電壓35 kV，使用示波器觀察其電壓波形，電抗器的電壓衰減周期為39μs，如圖6所示。施加標(biāo)準(zhǔn)檢測電壓128 kV時，電抗器的電壓衰減周期為34μs。從波形圖中可以看出，標(biāo)定電壓波形和全電壓波形的振蕩頻率和包絡(luò)線衰減情況不同，兩電壓波形的過零點不重合。在全電壓下，衰減周期變小，振蕩頻率變化率為12.8%，大于5%，判斷電抗器存在匝間短路故障。

圖6 電容器組B相串聯(lián)電抗器上的電壓波形

為驗證檢測結(jié)果，將該臺電抗器退出運行，在實驗室查找其故障位置。將電抗器升壓至運行電壓，采用紅外成像儀觀察干抗繞組包封表面發(fā)熱情況，發(fā)現(xiàn)有一處位置溫度偏高，懷疑該位置線圈匝間短路。將其包封剖開，發(fā)現(xiàn)有2匝線圈的絕緣有放電燒焦的痕跡，線圈解剖結(jié)果與匝間過電壓試驗結(jié)果相一致，證明匝間過電壓試驗?zāi)苡行Оl(fā)現(xiàn)35 kV干抗線圈匝間短路故障。

4.2 10 kV電容器組串聯(lián)電抗器匝間短路故障

對A相電抗器施加標(biāo)定電壓18 kV時，電抗器上的電壓衰減周期為20μs；對A相電抗器施加檢測電壓68 kV時，電抗器上的電壓衰減周期為12μs。從圖7中可以看出，標(biāo)定電壓波形和全電壓波形的振蕩頻率和包絡(luò)線衰減情況不同，兩電壓波形的過零點不重合。在全電壓下，衰減周期變小，振蕩頻率變化率為40.0%，大于5%，判斷電抗器存在匝間短路故障。

圖7 10 kV電容器組串聯(lián)電抗器A相電壓波形

對B相電抗器施加標(biāo)定電壓18 kV時，電抗器上的電壓衰減周期為19.2μs；對B相電抗器施加檢測電壓68 kV時，電抗器上的電壓衰減周期8.8μs。從電壓波形圖8中可以看出，標(biāo)定電壓波形和全電壓波形的振蕩頻率和包絡(luò)線衰減情況不同，兩電壓波形的過零點不重合。在全電壓下，衰減周期變小，振蕩頻率變化率為54.2%，大于5%，判斷電抗器存在匝間短路故障。

圖8 10 kV電容器組串聯(lián)電抗器B相電壓波形

對C相電抗器施加標(biāo)定電壓18 kV時，電抗器上的電壓衰減周期20μs；對C相電抗器施加檢測電壓68 kV時，電抗器上的電壓衰減周期12μs。從圖9中可以看出，標(biāo)定電壓波形和全電壓波形的振蕩頻率和包絡(luò)線衰減情況不同，兩電壓波形的過零點不重合。在全電壓下，衰減周期變小，振蕩頻率變化率為40.0%，大于5%，判斷電抗器存在匝間短路故障。

圖9 10 kV電容器組串聯(lián)電抗器C相電壓波形

為了驗證匝間過電壓試驗結(jié)果，將A、B、C三相電抗器退出運行，在實驗室查找其缺陷位置。分別將三相電抗器升壓至運行電壓，采用紅外成像儀觀察干抗繞組包封表面發(fā)熱情況。在三相電抗器表面分別發(fā)現(xiàn)了溫度偏高的位置。將其包封剖開后，發(fā)現(xiàn)A相電抗器有3匝線圈匝間短路，B相電抗器有3匝線圈匝間短路，C相電抗器有2匝線圈匝間短路。線圈解剖結(jié)果與匝間過電壓試驗結(jié)果相一致，證明匝間過電壓試驗?zāi)苡行Оl(fā)現(xiàn)10 kV干抗線圈匝間短路故障。

5 結(jié)語

直流電阻測量和阻抗測量法檢測干抗1匝等輕微的匝間短路故障的靈敏度不高。

電抗器線圈發(fā)生匝間短路，線圈兩端電壓波形振蕩頻率增加，衰減速度加快，衰減周期減小。利用高頻脈沖振蕩法能有效發(fā)現(xiàn)空心電抗器輕微的匝間短路故障缺陷，檢測靈敏度較高，可以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場對干抗進行匝間短路故障檢測。