35kV干式空心電抗器故障模擬及防范措施

國(guó)網(wǎng)冀北超高壓分公司 陳習(xí)文 馮小軒 張 瀟 郭 傲 朱恩澤 王相鋒 董鵬飛

國(guó)網(wǎng)管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司 鄭 果

在電力系統(tǒng)中干式空心電抗器應(yīng)用非常廣泛，其主要結(jié)構(gòu)包括帶有匝間絕緣的繞組、絕緣外包封、引撥棒撐起的通風(fēng)槽等。根據(jù)以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，干式空心電抗器時(shí)常發(fā)生局部電弧放電、絕緣材料劣化、散熱不良及引撥棒松動(dòng)變位等缺陷，進(jìn)而可能導(dǎo)致電抗器繞組持續(xù)升溫甚至燒毀。

通過(guò)模擬35kV干式空心電抗器運(yùn)行工況并進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到電抗器溫升變化、電流變化及外觀(guān)變化等數(shù)據(jù)，分析各種工況導(dǎo)致故障的概率和對(duì)應(yīng)的嚴(yán)重程度，針對(duì)性地制定相應(yīng)防范措施，達(dá)到降低設(shè)備故障率、提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性、減少財(cái)產(chǎn)損失目的。

1 模擬金屬異物、過(guò)電壓的影響

在電抗器頂部不同位置分別進(jìn)行放置焊條、鐵絲環(huán)、插到通風(fēng)道內(nèi)的粗鐵絲、鋁絲、不銹鋼螺栓、熱鍍鋅螺栓等金屬異物，并與不放置金屬異物的區(qū)域進(jìn)行溫升對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)得到在干抗電磁場(chǎng)環(huán)境中，熱鍍鋅螺栓及放入通風(fēng)道的粗鐵絲發(fā)熱明顯，熱鍍鋅螺栓溫度為172.9℃、放入通風(fēng)道的粗鐵絲為95℃，對(duì)比上端面對(duì)照組溫度58.3℃，上述兩類(lèi)金屬異物發(fā)熱明顯。電抗器使用絕緣材料主要為環(huán)氧玻璃纖維，其耐熱等級(jí)為F級(jí)，即允許最高工作溫度為155℃；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20112-2006規(guī)定干式空心電抗器繞組的運(yùn)行溫升限值為60K，熱鍍鋅螺栓導(dǎo)致的發(fā)熱超過(guò)絕緣材料允許值，長(zhǎng)期高溫運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致絕緣材料力學(xué)性能下降、進(jìn)而影響其絕緣性能。

首先收集一批變電站內(nèi)干式空心電抗器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要統(tǒng)計(jì)投切次數(shù)（認(rèn)為每投切一次，電抗器承受一次過(guò)電壓）及包括直流電阻、電抗值在內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以求找到兩者間的相關(guān)性。從運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，電抗器投切次數(shù)最多達(dá)9615，但其與投切次數(shù)594次的電抗器在直流電阻、電抗、絕緣電阻與電抗器等方面沒(méi)有明顯偏差；從電抗器運(yùn)行年限角度也未找到明顯規(guī)律。因此從運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)角度可得出，電抗器投切次數(shù)（10000次以?xún)?nèi)）及運(yùn)行年限（20年以?xún)?nèi)）與其本身運(yùn)行狀態(tài)沒(méi)有明顯相關(guān)性。

過(guò)電壓模擬試驗(yàn)過(guò)程中，在不同電壓作用下，隨著過(guò)電壓累積次數(shù)的增加絕緣電阻均單調(diào)下降，且隨著電壓越高初期絕緣電阻下降越快，在過(guò)電壓作用后期絕緣電阻下降趨勢(shì)均開(kāi)始變緩,但絕緣電阻值均在規(guī)程要求的10G以上。在不同的電壓等級(jí)下，局部放電起始電壓都隨著過(guò)電壓累積作用次數(shù)（達(dá)10000次以上）的增加而下降，且電壓幅值越高局部放電起始電壓下降越明顯。經(jīng)分析，出現(xiàn)以上試驗(yàn)結(jié)果，是因在電壓作用下匝間絕緣的薄弱位置出現(xiàn)局部放電、氣隙周?chē)腆w絕緣材料的逐漸劣化。隨著累積次數(shù)的增大，放電就會(huì)由氣隙缺陷的邊緣向固體絕緣材料內(nèi)部延伸，導(dǎo)致氣隙尺寸逐漸發(fā)展擴(kuò)大和放電通道逐漸增長(zhǎng)。因此，隨著過(guò)電壓累積次數(shù)的增加，絕緣缺陷的不斷發(fā)展導(dǎo)致匝間絕緣在更低的電壓下發(fā)生局部放電。

2 模擬電抗器本身缺陷的影響

2.1 模擬通風(fēng)槽堵塞對(duì)電抗器的影響

選取一臺(tái)長(zhǎng)期在室外存放的退運(yùn)電抗器進(jìn)行試驗(yàn)，該電抗器通風(fēng)槽內(nèi)有大量絮狀雜物。對(duì)該電抗器進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)及匝間耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格。對(duì)電抗器施加工作電壓，用紅外測(cè)溫從正面、上面、下面多角度測(cè)量電抗器溫升，發(fā)現(xiàn)上部?jī)?nèi)層溫度較高，判斷電抗器因毛絮長(zhǎng)期阻塞風(fēng)道會(huì)影響風(fēng)道散熱、導(dǎo)致局部過(guò)熱，長(zhǎng)期如此運(yùn)行將會(huì)加快絕緣老化，最終可能引起絕緣故障。另外，一旦發(fā)生絕緣故障有可能引燃層間絮狀雜物，造成電抗器上下貫通短路，引發(fā)更大的故障。

2.2 模擬絕緣撐條掉落對(duì)電抗器的影響

因電抗器在實(shí)際投運(yùn)過(guò)程中會(huì)有一定程度的震動(dòng)，長(zhǎng)期震動(dòng)可能導(dǎo)致絕緣撐條位移，影響電抗器散熱。現(xiàn)對(duì)一臺(tái)老舊電抗器進(jìn)行加壓模擬投運(yùn)，將其絕緣撐條人工移位或部分拆除，觀(guān)察試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，如過(guò)多的引拔棒松動(dòng)變位就易引起電抗器運(yùn)行異響，松動(dòng)的引拔棒運(yùn)行過(guò)程中易抖動(dòng)與包封摩擦，破壞包封的外表皮，從而增加線(xiàn)圈斷線(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)變位的引拔棒進(jìn)行復(fù)位并固定，電抗器在運(yùn)行中發(fā)出的震動(dòng)不會(huì)引起引拔棒抖動(dòng)發(fā)出異響，也防止了引拔棒不斷抖動(dòng)磨破包封，消除了安全隱患。

2.3 模擬絕緣破損對(duì)電抗器的影響

對(duì)一臺(tái)有外絕緣破損缺陷的電抗器進(jìn)行試驗(yàn)，隨著加壓時(shí)間的推移和電壓的不斷升高，缺陷位置的絕緣破損發(fā)展迅速，設(shè)備外觀(guān)有明顯的碳化現(xiàn)象。結(jié)束后通過(guò)對(duì)電抗器的解剖觀(guān)察與分析，發(fā)現(xiàn)電抗器的故障位置在第5包封層，解體后的第5包封層上部繞組有明顯的導(dǎo)線(xiàn)熔斷現(xiàn)象。判斷認(rèn)為電抗器出廠(chǎng)環(huán)節(jié)存在的局部外絕緣表面薄弱點(diǎn)，會(huì)隨著時(shí)間的推移局部薄弱點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)，從而引發(fā)局部污濕放電，進(jìn)而損傷包封及導(dǎo)線(xiàn)絕緣，引發(fā)電抗器匝間短路故障。

2.4 模擬制造缺陷對(duì)電抗器的影響

對(duì)一臺(tái)有包紗工藝問(wèn)題的電抗器進(jìn)行試驗(yàn)，以模擬存在絕緣破損制造缺陷的電抗器投運(yùn)后將產(chǎn)生什么問(wèn)題。對(duì)電抗器進(jìn)行加壓并反復(fù)投切后，發(fā)現(xiàn)電抗器局部溫升明顯且包封絕緣出現(xiàn)過(guò)熱痕跡。中止試驗(yàn)后對(duì)其進(jìn)行了解體檢查。在解體過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電抗器外表面局部有紗頭、紗棱的情況。紗頭是浸膠玻璃紗纏繞過(guò)程中長(zhǎng)度不夠出現(xiàn)的接頭，毛紗是坩堝紗3團(tuán)合成一股后進(jìn)行包封纏繞，在合股過(guò)程中若3團(tuán)張力不均時(shí)有可能出現(xiàn)毛紗情況，毛紗的存在有可能導(dǎo)致防閃涂料及絕緣層的破損，以至于長(zhǎng)期運(yùn)行的電抗器包封絕緣受潮、破損甚至絕緣擊穿。

3 結(jié)語(yǔ)

金屬異物入侵會(huì)導(dǎo)致干式電抗器局部發(fā)熱明顯，危害干抗正常運(yùn)行，在運(yùn)維過(guò)程中應(yīng)對(duì)金屬異物著重關(guān)注并及時(shí)清理。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)采取防鳥(niǎo)措施，預(yù)防鳥(niǎo)類(lèi)帶入金屬絲，且防護(hù)措施的安裝應(yīng)采用絕緣螺栓。

根據(jù)現(xiàn)行電抗器狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，運(yùn)行年限、投切次數(shù)（20年以?xún)?nèi)、10000次以下）不直接影響電抗器絕緣及電氣參數(shù)。但從仿真模擬過(guò)電壓作用下（加壓次數(shù)超過(guò)10000次），絕緣電阻和局部放電的起始電壓會(huì)有明顯下降，其中絕緣電阻值還在規(guī)程要求范圍內(nèi)，說(shuō)明電抗器主絕緣還未破壞，但匝間絕緣有劣化跡象。建議在電抗器投運(yùn)初期（以10000次為限），如沒(méi)有明顯異常可執(zhí)行常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目，如絕緣電阻、直阻、電抗值試驗(yàn)等，而在電抗器投切次數(shù)超過(guò)10000次后，開(kāi)展以上常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目外，應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)電壓更高的匝間絕緣試驗(yàn)以考核電抗器匝間絕緣，判斷電抗器運(yùn)行狀態(tài)。

為保證電抗器長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行，應(yīng)結(jié)合使用環(huán)境對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢查和維護(hù)保養(yǎng)，定期檢查電抗器繞組層間通風(fēng)槽是否通暢，并結(jié)合停電清理風(fēng)道和電抗器頂部的異物；對(duì)電抗器松動(dòng)變位的引拔棒進(jìn)行復(fù)位并固定，將有松動(dòng)或移位的引拔棒輕敲，使偏移引拔棒復(fù)位。對(duì)難以復(fù)位的引拔棒，可截?cái)嗤饴遁^長(zhǎng)的部分。將以上處理過(guò)的引拔棒用浸膠玻璃絲帶綁扎固定防止再次松動(dòng)變位。

對(duì)運(yùn)行超過(guò)5年的產(chǎn)品應(yīng)重新噴涂防污閃涂料，以確保防污閃涂料對(duì)電抗器的防護(hù)效果。例行檢修時(shí)進(jìn)行外絕緣性能檢查，若電抗器表面有缺陷、損傷、涂層起皮、涂層脫落、放電等現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)聯(lián)合廠(chǎng)家開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)處理維護(hù)，并綜合考慮設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)、設(shè)備使用年限和經(jīng)濟(jì)成本決定是否更新老舊設(shè)備；在電抗器的可研初設(shè)及廠(chǎng)內(nèi)驗(yàn)收階段，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝的要求和把控。在包封過(guò)程中應(yīng)及時(shí)清除紗頭（毛紗）、紗瘤，在線(xiàn)圈固化后精整環(huán)節(jié)也要對(duì)通風(fēng)道間散亂的玻璃紗進(jìn)行清理。