油浸式并聯(lián)電抗器鐵芯屏蔽典型缺陷分析

徐 鵬，陳 昊，付文波，季克松，裴文龍

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

作為電網(wǎng)重要的無功補(bǔ)償設(shè)備，并聯(lián)電抗器在線路電容效應(yīng)補(bǔ)償、電網(wǎng)無功分布改善、運(yùn)行電壓調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮著積極作用，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。

電抗器的屏蔽結(jié)構(gòu)是電抗器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一，為了均勻電場，部分設(shè)備制造廠家采用在并聯(lián)電抗器鐵芯外側(cè)加裝屏蔽層的工藝，屏蔽鐵芯硅鋼片棱角及表面毛刺、尖角等，鐵芯屏蔽層也被稱為地屏。

電抗器鐵芯屏蔽層對(duì)于屏蔽硅鋼片多級(jí)棱角、表面尖端降低電抗器局部放電量具有重要作用，分析其結(jié)構(gòu)及缺陷發(fā)展對(duì)于消除隱患、維護(hù)電網(wǎng)安全具有重要意義。

以下針對(duì)油浸式并聯(lián)電抗器鐵芯屏蔽層典型缺陷展開研究，通過屏蔽層開裂、屏蔽層褶皺、屏蔽層片間短路等多起案例，分析并提出相應(yīng)的技術(shù)防范措施。

1 屏蔽結(jié)構(gòu)

電抗器鐵芯硅鋼片疊裝為圓形階梯結(jié)構(gòu)時(shí)，無法避免地會(huì)出現(xiàn)多級(jí)棱角的情況，再加上硅鋼片切割過程中產(chǎn)生的毛刺、表面尖端等，當(dāng)電抗器鐵芯勵(lì)磁時(shí)，在硅鋼片棱角、毛刺及表面尖端的部位易出現(xiàn)局部場強(qiáng)過高的情況。當(dāng)場強(qiáng)超過臨界值時(shí)就會(huì)引發(fā)局部放電，即使短時(shí)間內(nèi)不足以危及設(shè)備主絕緣，但已形成潛在的安全隱患，隨著運(yùn)行時(shí)間逐漸發(fā)展，最終影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

鐵芯屏蔽層包繞在電抗器鐵芯柱和鐵軛外部，可有效降低電位、均勻電場，對(duì)硅鋼片棱角、毛刺、尖端等場強(qiáng)易增高部位起到屏蔽作用，防止因硅鋼片棱角、毛刺及尖端引發(fā)的場強(qiáng)畸變影響外部繞組。

鐵芯屏蔽層材料多采用高頻電磁波不易穿透的銅箔或鋁箔，為減少渦流損耗，將銅箔或鋁箔裁剪成細(xì)條狀。鐵芯屏蔽層有“橫條式”和“豎條式”兩種結(jié)構(gòu)。

鐵芯屏蔽層制作時(shí)，將裁剪好的銅箔或鋁箔粘在絕緣紙上，然后用短接片把所有銅箔或鋁箔的一側(cè)連接起來，并引出接地，一般將引出線接在夾件上，保證鐵芯屏蔽層可靠接地。

2 典型缺陷

在電抗器鐵芯和旁軛外部加裝屏蔽層可有效屏蔽硅鋼片尖端、毛刺等，能夠均勻電場分布、降低設(shè)備局放，但帶有鐵芯屏蔽層的電抗器投入運(yùn)行后又會(huì)引發(fā)其他問題，比如因屏蔽層銅箔褶皺、斷裂引起的局部場強(qiáng)畸變，屏蔽層短接形成的環(huán)路引發(fā)局部過熱等。

2.1 屏蔽層開裂

某500 kV油浸式電抗器投運(yùn)前現(xiàn)場交接試驗(yàn)數(shù)據(jù)均無異常，投運(yùn)后短時(shí)間內(nèi)油色譜出現(xiàn)異常，乙炔增長至0.41 μL/L，氫氣、甲烷等組份均有所增長，且氣體濃度呈上中下分層的情況。

先后對(duì)該電抗器進(jìn)行2次內(nèi)檢，可視范圍內(nèi)夾件、圍屏、絕緣螺栓、墊塊、拉帶、集磁板等部位均無異常，未發(fā)現(xiàn)放電導(dǎo)致的絕緣發(fā)黑現(xiàn)象。出線裝置屏蔽筒、上均壓環(huán)、下均壓環(huán)、均壓環(huán)屏蔽罩、引線絕緣完整，無顯著異?；蚍烹姾圹E。

進(jìn)一步拆解檢查發(fā)現(xiàn)，靠近中性點(diǎn)套管旁柱的屏蔽層鋁箔及其緊貼的絕緣紙板對(duì)應(yīng)處均有黑色痕跡，軸向位置在中部和下部。檢查屏蔽層等位連接接地銅帶，發(fā)現(xiàn)鋁箔與其連接處開裂，該電抗器鐵芯屏蔽層采用“橫條式”布置。

結(jié)合本次解體情況及設(shè)備停運(yùn)前的色譜和電氣試驗(yàn)情況，判斷屏蔽層鋁箔開裂是導(dǎo)致本次高抗投運(yùn)后短期內(nèi)出現(xiàn)油色譜異常的根本原因，該處開裂導(dǎo)致鋁箔和接地銅帶不可靠接觸，引起間斷性懸浮放電，在紙板和鋁箔上形成炭黑并在油中產(chǎn)生乙炔。

2.2 屏蔽層褶皺、斷裂

某1 000 kV電抗器于2013年9月投運(yùn)，運(yùn)行約6個(gè)月后首次出現(xiàn)微量乙炔，并呈間歇性緩慢增長趨勢，隨后該高抗退出運(yùn)行，返廠解體檢查。

該電抗器鐵芯屏蔽層為“豎條式”結(jié)構(gòu)，解體檢查發(fā)現(xiàn)，該電抗器A柱屏蔽層銅帶存在皺褶，局部存在黑色痕跡，其余無明顯異常；X柱屏蔽層(由兩張組成)表面有碳黑痕跡，銅帶側(cè)出現(xiàn)放電碳化現(xiàn)象，部分銅帶出現(xiàn)斷裂。

該高抗鐵芯屏蔽層干燥工藝采用傳統(tǒng)干燥方式。由于銅帶與紙板粘結(jié)在一起，紙板實(shí)際發(fā)生了熱塑性變形，因此銅帶受到紙板收縮的作用發(fā)生變形產(chǎn)生褶皺。電抗器工作時(shí)，在電磁力的作用下，鐵芯與器身產(chǎn)生振動(dòng)。銅帶在電抗器器身振動(dòng)的帶動(dòng)下發(fā)生懸臂振動(dòng)，在加速度與慣性力的作用下，在固定點(diǎn)處產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，當(dāng)彎曲應(yīng)力超過銅帶的抗拉強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生了斷裂。

銅帶褶皺形成的尖銳電極引起了電場的畸變，電應(yīng)力過于集中導(dǎo)致放電。這一現(xiàn)象在線路電壓出現(xiàn)波動(dòng)或操作時(shí)，因電抗器的振動(dòng)加大而被進(jìn)一步放大。隨著故障的進(jìn)一步發(fā)展，銅帶被破壞最終斷裂，其中分裂出去的部分銅帶成為了懸浮電極，造成局部電場分布愈加集中，放電能量與頻次增加，在此期間色譜有較為明顯的反應(yīng)。

2.3 屏蔽層片間短路

某500 kV變電站并聯(lián)電抗器進(jìn)行周期性取油樣檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)離線色譜總烴異常，出現(xiàn)微量乙炔，且色譜各組分?jǐn)?shù)據(jù)較上個(gè)周期檢測數(shù)據(jù)均有明顯增長，利用三比值法判斷故障類型大致為中溫過熱。

對(duì)該并聯(lián)電抗器開展絕緣電阻、介損、直流電阻、直流泄漏等現(xiàn)場試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)異常，遂進(jìn)行返廠解體分析。設(shè)備拆解前進(jìn)行了絕緣、直阻、外施耐壓、感應(yīng)耐壓等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與出廠及現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，損耗有所增加，其他數(shù)據(jù)無明顯變化。試驗(yàn)前后乙烯、乙烷等有所增加。

該電抗器鐵芯屏蔽層采用“豎條式”結(jié)構(gòu)，一共有28片銅箔片構(gòu)成，銅箔的一側(cè)用短接片實(shí)現(xiàn)片間連接，然后經(jīng)一條短接線接在上夾件上實(shí)現(xiàn)等電位連接；銅箔的另一側(cè)片間留有間隙。拆解發(fā)現(xiàn)A相鐵芯柱屏蔽層第28片銅箔邊角折疊，搭接在第27片銅箔表面，兩片銅箔接觸部位存在黑色灼燒痕跡，對(duì)應(yīng)位置外部絕緣紙亦存在黑色燒蝕痕跡。

該電抗器缺陷為制造廠裝配工藝問題所致，A相鐵芯銅屏蔽第28片銅箔邊角翹起、折疊，與相鄰第27片銅箔表面搭接。由于銅屏蔽銅箔一側(cè)已經(jīng)通過短接片連接，另一側(cè)第27片和第28片銅箔的接觸使兩片銅箔之間形成閉合回路。在交變磁場作用下該閉合回路產(chǎn)生環(huán)流，由于兩片銅箔搭接位置接觸電阻較大，造成該位置產(chǎn)生局部過熱，進(jìn)而引起銅箔表面燒蝕。

3 防治措施

從以上幾起故障案例可以看出，電抗器鐵芯屏蔽層缺陷會(huì)給設(shè)備運(yùn)行帶來重大的安全隱患。由于屏蔽層包繞在鐵芯和旁軛外側(cè)，目前尚未發(fā)現(xiàn)可靠的檢查和監(jiān)測手段，難以預(yù)知其缺陷發(fā)展和故障衍生過程，且因鐵芯屏蔽層缺陷導(dǎo)致的返廠修理需對(duì)電抗器進(jìn)行較為細(xì)致的拆解，耗費(fèi)大量人力、物力，因此，鐵芯屏蔽層選材、制作、轉(zhuǎn)移、包扎等過程都需引起重視。

(1) 屏蔽層的選材一般選用較薄的銅箔或鋁箔，裁剪時(shí)盡可能窄以減少渦流損耗。屏蔽層銅箔或鋁箔剪切過程中，表面易出現(xiàn)尖端、毛刺等，需進(jìn)行打磨處理，保證表面光潔平整。銅箔或鋁箔剪切完成后需要粘貼在絕緣紙表面，粘合劑需涂抹均勻，保證銅箔、鋁箔粘貼平整，無鼓包或褶皺，銅箔或鋁箔與絕緣紙的粘合處無多余粘合劑殘留。

(2) 屏蔽層制作過程中非短接一側(cè)的銅箔或鋁箔嚴(yán)禁出現(xiàn)短路、虛接等情況，可在銅箔或鋁箔片間導(dǎo)通測試合格后再進(jìn)行焊接。屏蔽層銅箔或鋁箔與短接片焊接過程中，需注意銅箔或鋁箔表面清潔，焊接處牢固、可靠，不允許出現(xiàn)虛焊、漏焊等。

(3) 由于屏蔽層面積較大，且屏蔽層制作和屏蔽層裝配多數(shù)不在一個(gè)車間，因此在屏蔽層轉(zhuǎn)移過程中易造成銅箔或鋁箔彎折，與絕緣紙粘合處鼓包，與短接片焊接處脫焊等現(xiàn)象。因此，屏蔽層轉(zhuǎn)移過程中需加強(qiáng)監(jiān)護(hù)。轉(zhuǎn)移到位后確認(rèn)銅箔或鋁箔無變形，表面平整無氣泡、鼓包或褶皺等，焊接處焊點(diǎn)可靠無松脫。

(4) 屏蔽層包扎過程中，由于受力不均或者粘合劑涂抹不均，銅箔或鋁箔邊角處容易出現(xiàn)翹起、折疊現(xiàn)象。因?yàn)殂~箔或鋁箔片間間距較小，一旦邊角翹起，在包扎過程中有極大可能與相鄰銅箔或鋁箔片發(fā)生接觸，形成環(huán)路。銅箔或鋁箔片粘貼于絕緣紙的內(nèi)表面，屏蔽層包繞、綁扎過程中不易被發(fā)現(xiàn)。因此在屏蔽層包扎前應(yīng)檢查銅箔或鋁箔片是否存在異常，包繞過程中保證銅箔或鋁箔片首端和尾端邊角平整，包扎過程中注意受力均勻。

4 結(jié)論

在鐵芯、旁軛外側(cè)加裝屏蔽層可有效地均勻電場分布，降低局部放電發(fā)生的可能，但伴隨而來的屏蔽層工藝缺陷給設(shè)備的正常運(yùn)行帶來極大威脅，再加上電抗器長期運(yùn)行在震動(dòng)環(huán)境下，對(duì)電抗器鐵芯屏蔽層制造工藝提出了更高要求。為避免以上事件再次發(fā)生，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，提出以下建議。

(1) 在屏蔽層制作和電抗器裝配過程中，廠家應(yīng)優(yōu)化、改進(jìn)工藝，加強(qiáng)關(guān)鍵部位和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的測試，比如銅箔或鋁箔表面是否平整、片間是否構(gòu)成回路、焊接點(diǎn)是否可靠等。

(2) 運(yùn)維單位和監(jiān)理單位需加強(qiáng)廠內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)見證，尤其是易產(chǎn)生隱蔽性缺陷的環(huán)節(jié)，比如銅箔會(huì)鋁箔邊角折疊、短接片虛焊等。

(3) 屏蔽層缺陷，如接地線斷裂、片間短路及屏蔽層內(nèi)部局部放電等在油色譜結(jié)果中能夠較為準(zhǔn)確地反映，建議運(yùn)維單位對(duì)于色譜異常的電抗器設(shè)備加強(qiáng)跟蹤，做好隱患排查。