35 kV干式空心電抗器燒毀故障原因分析及保護配置探討

游 帥，陳仁剛，王瀟洋

（國網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東 濟南 250118）

0 引言

低壓電抗器通常分組裝設(shè)于超高壓變電站主變壓器的低壓側(cè)，作用是維持無功平衡。當(dāng)高壓電抗器（下文簡稱高抗）裝設(shè)容量不足或裝設(shè)高抗有困難時，裝設(shè)低壓電抗器（下文簡稱低抗）可以起補足作用，按無功平衡的需要進行分組投切，運行靈活，投入低抗還可以抑制輕負荷時母線電壓升高。干式空心電抗器結(jié)構(gòu)簡單、造價低、占地面積小，在國內(nèi)500 kV 變電站中一般經(jīng)專用斷路器與變壓器低壓側(cè)母線相連，作為無功補償設(shè)備在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［1］。但干式空心電抗器運行年限較長后，繞組外部絕緣老化，且四周存在著強磁場產(chǎn)生渦流損耗，受鳥糞污物腐蝕等因素影響，匝間短路、絕緣閃絡(luò)跳閘甚至燒毀的事故頻繁發(fā)生［2-5］，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來一定的威脅。

1 事故案例分析

1.1 事故經(jīng)過

某500 kV 變電站3 號主變壓器低壓側(cè)35 kV 3B電抗器2004 年投運，型號為BLGKL-20000/34.5，戶外干式空心，三相水平品字形布置，額定容量為20 000 kvar，額定電壓為，額定電流為1 004 A，額定電抗為19.8 Ω，投運時間已超過15 年。3B 電抗器332 斷路器型號為3AQ1EG，絕緣介質(zhì)為SF6，額定電壓為72.5 kV，額定電流為4 000 A，額定短路開斷電流50 kA，動作次數(shù)為2 000余次。

結(jié)合3 號主變壓器上次計劃停電，檢修人員對3B 低抗進行了常規(guī)檢修、絕緣電阻測量、直流電阻測量、匝間絕緣試驗，結(jié)果如表1和表2所示，各項試驗結(jié)果均正常。

表1 絕緣電阻測量、直流電阻試驗結(jié)果

表2 匝間絕緣試驗結(jié)果

某日14：08，35 kV 3B 電抗器332 開關(guān)過流Ⅱ段保護動作，332 開關(guān)跳閘，故障電流一次值2 205 A，開關(guān)跳開后，由于故障發(fā)展迅速，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)3B 電抗器A 相頂部冒煙著火，且火勢較大。由于現(xiàn)場滅火需要，變電站運行值班人員緊急向調(diào)度申請將3 號主變壓器由運行轉(zhuǎn)為冷備用，16：15，現(xiàn)場明火被撲滅；18：30，將3B 電抗器轉(zhuǎn)檢修后，3 號主變壓器恢復(fù)正常運行。

1.2 保護動作及錄波分析

14：08：26.204，3B 電抗器保護動作跳閘，故障電流IA=7.35 A（二次值），過流Ⅱ段定值為5.02 A，延時0.5 s，即14：08：25.704，保護采集到故障電流已超過電流定值，進入過電流保護動作邏輯，經(jīng)0.5 s 延時后，過流Ⅱ段保護動作，跳開3B 電抗器332 開關(guān)，保護動作正確。

3B 電抗器運行于500 kV 3 號主變壓器低壓側(cè)35 kV 母線，主變壓器低壓側(cè)只帶站用變與3B 電抗器運行，由于站用變負荷電流較小可忽略，3 號主變壓器低壓側(cè)電壓、電流即為3B 電抗器電流、電壓，此次故障時，3 號主變壓器低壓側(cè)故障錄波如圖1 所示。由錄波圖可見，0 時刻以前，已經(jīng)發(fā)生3B 電抗器A 相輕微短路，3 號主變壓器低壓側(cè)A 相電流已經(jīng)開始緩慢增大，但沒有達到電抗器過流Ⅱ段保護定值，此后隨短路故障越來越嚴重且發(fā)展非常迅速，0時刻A 相故障電流增大明顯，同時由于電抗器內(nèi)部導(dǎo)體融化縱向貫穿整個電抗器，導(dǎo)致A 相單相接地，由于35 kV側(cè)為不接地系統(tǒng)，A相單相接地后，B、C兩相電壓明顯升高。隨著故障發(fā)展，在A 相故障電流達到過流Ⅱ段定值后，經(jīng)0.5 s 延時保護動作跳開332 開關(guān)，故障切除后，3 號主變壓器低壓側(cè)電壓恢復(fù)正常，低壓側(cè)故障電流消失。

圖1 3號主變壓器低壓側(cè)錄波

分析故障錄波波形的主要特點有：

1）單相電抗器發(fā)生故障，即為電抗器內(nèi)部匝間短路，與線路、主變壓器、母線等故障情況不同，故障電流并不是立刻增大為短路電流，而是有一個緩慢增大的過程，這是由于短路繞組匝數(shù)不斷增加造成的。而且整個故障過程中無零序電流，因主變壓器35 kV 側(cè)為中性點不接地系統(tǒng)，即使伴隨單相接地也無法形成零序電流通路。

2）電抗器匝間短路故障一般都會伴隨單相接地，是由于匝間短路后由于短路電流很大形成的電弧作用，導(dǎo)電物質(zhì)融化，產(chǎn)生的融化物、濃煙沿風(fēng)道上下擴張都會導(dǎo)致對絕緣子放電形成單相接地，單相接地后故障相電壓基本為零，非故障電壓幾乎升高為線電壓，同時產(chǎn)生較大零序電壓。

3）單相接地后，35 kV 三角形接線的線電壓并沒有發(fā)生變化，所以加在電抗器上的電源也沒有變化，因此單相接地不會對故障發(fā)展過程產(chǎn)生影響，圖2為電抗器單相接地前后的3 號主變壓器低壓側(cè)線電壓，三相電壓仍保持故障前的狀態(tài)，三相電壓相互差120°的正序關(guān)系，幅值幾乎沒有變化。

圖2 3號主變壓器低壓側(cè)線電壓錄波

1.3 故障原因分析

圖3 為明火撲滅后的電抗器，檢查發(fā)現(xiàn)3B 電抗器A 相內(nèi)部包封、頂部防雨罩已完全燒毀，下方地面上有大量導(dǎo)體熔化后形成的金屬膜及燃燒后的不明物質(zhì)，如圖4所示；A相電抗器開關(guān)側(cè)接線板燒斷，B、C相電抗器本體無異常。

圖3 燒毀后的電抗器現(xiàn)場

圖4 電抗器導(dǎo)體熔化物質(zhì)

3B 電抗器自投運以來已超過15 年，12 月22 日經(jīng)自動電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）投切轉(zhuǎn)運行狀態(tài)，至故障前，已經(jīng)連續(xù)運行120 h。通過檢查故障現(xiàn)場及保護動作情況分析，判斷3B 電抗器跳閘原因為：3B電抗器A相內(nèi)部絕緣老化，故障初期發(fā)生少量匝間短路，隨著匝間絕緣破壞積蓄能量增加，產(chǎn)生過熱導(dǎo)致內(nèi)部導(dǎo)體熔化，使匝間短路數(shù)量迅速增加，一次電流逐漸增大，當(dāng)匝間短路繞組達到一數(shù)量后，一次電流折算到二次值后達到過流Ⅱ段保護動作定值后，經(jīng)延時開關(guān)跳閘。由于故障發(fā)展迅速，在開關(guān)跳開前電抗器已經(jīng)起火，雖然開關(guān)跳開后已切斷電源，但電抗器本體仍繼續(xù)燃燒，最終靠消防人員撲滅大火。

2 理論分析

2.1 匝間短路

電抗器事故發(fā)生最多的是由內(nèi)部絕緣降低導(dǎo)致的匝間短路［6］，匝間短路一般是一相繞組部分線匝之間發(fā)生短路，如圖5 所示。發(fā)生匝間短路后，故障匝中的短路電流很大，但往往反映到電抗器一次上的電流卻不大，從上述3B 電抗器A 相燒毀事故故障錄波中看，在整個故障過程中A 相故障電流增加程度并不大，因此達不到保護快速動作的定值，不能快速切除故障，但由于短路的線匝中故障環(huán)流很大，最終導(dǎo)致電抗器起火燒毀。

圖5 匝間短路示意

2.2 電抗器匝間短路理論分析

主變壓器低壓側(cè)35 kV母線為三角形連接方式，為中性點不接地系統(tǒng)，同時接于母線上的電抗器為星形連接方式且中性點也不接地。為方便分析故障，對于三相電源為三角形連接、三相負載為星形的△-Y 連接的三相電路，只要把三角形連接的對稱三相電源等效變換成星形連接的對稱三相電源，就可以變成Y-Y連接的對稱三相電路。

轉(zhuǎn)換式為：

對于電抗器來說，主變壓器低壓側(cè)35 kV母線為供電電源，在電抗器整個故障過程中，電源并沒有發(fā)生變化，由3 號主變壓器低壓側(cè)線電壓錄波圖中也可以得出結(jié)論。

在電抗器發(fā)生某一相內(nèi)部匝間短路后，對電源來說，只是匝間短路的那一相電抗值發(fā)生了變化，因此三相負載阻抗ZA、ZB、ZC不相等，變?yōu)樨撦d不對稱的三相三線制電路，如圖6所示。

圖6 負載不對稱的三相三線制線路

首先應(yīng)用節(jié)點電壓法求得負載中性點N′至電源中性點N的電壓為

根據(jù)式（5）—式（7）可以作出各相負載電壓的相量圖，如圖7所示。

圖7 負載中性點位移

則三相負載上的電流分別為

因負載中性點不接地，此時三相電流滿足關(guān)系

由于三相負載不對稱產(chǎn)生的中性點位移，導(dǎo)致加在負載上三相電壓也會發(fā)生變化，因此電抗器某相發(fā)生故障時，非故障相電流因為也會有不同程度的增加。由于三相負載阻抗不等及負載上三相電壓不對稱，因此三相電流也是不對稱的，但由于35 kV 為中性點不接地系統(tǒng)，三相電流之和為零，無零序電流存在。

從理論方面分析電抗器單相故障的故障特征與實際的故障波形一致，即使在電抗器發(fā)生燒毀的嚴重事故時，整個故障過程中故障電流增加不大，導(dǎo)致現(xiàn)有的保護裝置不能在故障初期快速動作切除故障。

3 保護配置情況

干式空心并聯(lián)電抗器都是單相式結(jié)構(gòu)，通常安裝在戶外，三相采用品字形或直列式布置。在實際的工程應(yīng)用中，由于干式空心電抗器各相繞組之間發(fā)生相間故障的概率很小，在保護設(shè)計時可以不考慮電抗器的相間故障，同時也未考慮由于電抗器自身質(zhì)量問題引起的匝間短路故障，且電抗器在單相接地后可正常運行，可由母線上的公用接地保護來監(jiān)視，不須配置單獨的接地保護，因此干式空心并聯(lián)電抗器的繼電保護比較簡單，只設(shè)置電抗器引線相間短路的過電流保護，一般只裝設(shè)電流速斷和過電流保護，其整定定值按照DL/T 584—2017《3～110 kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》要求設(shè)置，即電流速斷保護電流定值應(yīng)躲過電抗器投入時的勵磁涌流，一般整定為3～5 倍的額定電流，在常見運行方式下，電抗器端部引線故障時靈敏系數(shù)不小于1.3。過電流保護電流定值應(yīng)可靠躲過電抗器額定電流，一般整定為1.5～2 倍額定電流，動作時間一般整定為0.5～1.0 s。

因此電抗器部分線匝之間發(fā)生短路時，故障匝中的短路電流很大，當(dāng)短路匝數(shù)較少時，對于主變壓器低壓側(cè)35 kV母線作為的電源來說，只是匝間短路的那一相電抗值發(fā)生了變化且變化較小，表現(xiàn)在相電流上的變化并不大，故障電流并不像變壓器或線路故障那樣產(chǎn)生幾倍甚至幾十倍額定電流的短路電流，所以低抗故障一般都是匝間短路不斷發(fā)展后等到過電流保護動作切除故障，由于電流速斷保護是按照引線相間短路而設(shè)置的，定值較大，一般不會達到電流速斷保護的定值，而過電流保護的動作時間一般為0.5～1.0 s，所以在電抗器在保護動作前已經(jīng)燒蝕或起火。

匝間短路時短路環(huán)內(nèi)工頻電流可達數(shù)千安，短時間內(nèi)導(dǎo)線溫度就能達到鋁的熔點，引起線圈起火自焚?；馂?zāi)發(fā)生后，如果不及時切斷電源，電源將持續(xù)提供能量。因此，電抗器故障后切斷電源的時間越短越好。

4 措施與建議

電抗器長期在室外惡劣環(huán)境下運行，加上操作過電壓對電抗器造成累積性的絕緣損傷及系統(tǒng)電能質(zhì)量的不好，造成電抗器導(dǎo)線絕緣性能的下降，導(dǎo)致絕緣層薄弱處匝間短路，形成環(huán)流引起著火事故的發(fā)生。低壓電抗器作為變電站內(nèi)必不可少的重要電力設(shè)備，優(yōu)化保護配置，加快切除故障，同時提高設(shè)備質(zhì)量，加強運行維護，是防止電抗器故障的重要手段［7-12］。

1）優(yōu)化保護配置，借鑒高壓電抗器匝間保護原理，研發(fā)匝間保護裝置，增設(shè)電抗器匝間保護專用電壓互感器，利用匝間短路專用電壓互感器的零序電壓作為匝間短路啟動量，負序功率方向作為閉鎖元件，在故障初期可快速切除故障，防止發(fā)生著火事故。

2）低壓電抗器匝間短路后，一般會迅速導(dǎo)致單相接地，可以借鑒35 kV不接地系統(tǒng)小電流接地選線原理，當(dāng)電抗器匝間短路發(fā)展成接地故障時，采用接地選線裝置跳閘或手動斷開開關(guān)對故障進行隔離。

3）選用油浸電抗器代替干式電抗器，利用其重瓦斯、壓力釋放等非電量進行報警或跳閘，可迅速隔離匝間短路故障，避免故障進一步發(fā)展，降低火災(zāi)發(fā)生風(fēng)險。

4）改進設(shè)計工藝，優(yōu)化電抗器結(jié)構(gòu)，從根本上提高設(shè)備質(zhì)量［13-14］，加強調(diào)匝環(huán)的制作工藝，增加調(diào)匝環(huán)內(nèi)導(dǎo)線的絕緣強度；加強調(diào)匝用線的絕緣要求，改進絕緣層材質(zhì)，導(dǎo)線與導(dǎo)電排間接觸面處的絕緣改為絕緣管墊襯等措施。

5）優(yōu)化檢修策略，縮短低抗檢修周期，結(jié)合停電重點檢查線圈包封密封情況，按規(guī)程進行例行試驗［15］，對比分析絕緣試驗數(shù)據(jù)，及時清理電抗器氣道及異物，并噴涂防污閃復(fù)合涂料。

6）加強運行維護，結(jié)合廠家產(chǎn)品型式，逐步更換密封性好、無縫隙的頂部防護罩，降低外界紫外線、雨水侵蝕；在低壓無功設(shè)備周圍裝設(shè)驅(qū)鳥裝置，防范鳥糞、污穢導(dǎo)致匝間絕緣降低。

5 結(jié)語

干式空心電抗器運行環(huán)境惡劣，同時由于產(chǎn)品質(zhì)量問題，極易發(fā)生著火燒毀事故。另外，干式電抗器的保護配置簡單，對內(nèi)部短路靈敏度差，很難對其進行有效的保護，給電網(wǎng)安全運行帶來隱患。為確保干式空心電抗器安全運行，本文從產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝、保護配置及運維檢修等各方面提出了優(yōu)化改進措施，對工程實際具有一定的指導(dǎo)意義。