變電站干式空芯電抗器故障原因分析

李 光

(深圳供電局有限公司，廣東深圳518000)

0 引言

電抗器是變電站的重要電氣設備之一，一般可以分為串聯電抗器和并聯電抗器。串聯電抗器與電容器組串聯使用，起到抑制高次諧波和限制合閘涌流，防止諧波對電容器造成危害的作用;并聯電抗器一般用于補償容性無功，控制無功潮流，穩定網絡的無功電壓，以保證電力系統的安全運行。

1 故障原因分析

干式空芯電抗器在長時間運行的過程中故障時有發生，主要表現為匝間短路、局部過熱和燒毀等問題，以500 kV 某變電站為例，站內運行中的電抗器均為干式空芯電抗器，2012 ～2013 年期間站內已經發生了3 起電抗器燒毀故障(見表1)，嚴重危害到設備和系統的安全運行。針對這一情況，研究清楚這幾起故障的原因，并制定相應的防范措施，以避免故障的再次發生。

表1 2012 ～2013 年某變電站電抗器故障統計

該站近兩年內3 起干式電抗器故障均表現為電抗器起火燒毀，經檢查后發現故障的直接原因為匝間絕緣老化，在合閘沖擊電壓和涌流作用下導致匝間短路，最終引起電抗器外層包封燒損。引起匝間絕緣老化的原因可以歸納為以下幾點。

1.1 包封受潮導致匝間絕緣強度降低

電抗器在戶外運行一段時間后，其表面一般會有污物附著沉積，其表面絕緣材料也會出現老化、粉化，形成污層。在碰到大霧或雨天天氣時，表面污層受潮后，會導致表面泄漏電流增大，從而在表面產生熱量。由于表面電場集中區域的熱量高，水分蒸發快，造成表面污層變干變成干區，從而使干區部分表面電阻變大。電流在該中斷處形成很小的電弧。隨著時間的增長，電弧發展并合并變大，最終形成沿面樹枝狀放電，進一步發展就會造成匝間短路，短路線匝中電流劇增，使溫度進一步升高使匝間絕緣強度急劇降低。這一點從500 kV 某變電站2012 ～2013 年發生電抗器故障時的天氣記錄中也可以看出(見表2)，3 起電抗器故障發生時都是陰雨或多云的潮濕天氣，潮氣與粉化后的絕緣材料相接觸，就會降低導線匝間絕緣，造成匝間短路。嚴重時導致電抗器爆炸起火。

由圖1 電抗器故障現場的圖片可以看出，燒毀最嚴重的部分均為最外層靠頂端的包封，這是由于這部分包封長期暴露在外部環境中，日曬雨淋，導致絕緣材料粉化、失效、甚至出現裂縫，在雨天時，雨水從裂縫中滲入，加速了環氧樹脂的老化，使其逐漸喪失機械強度，不能裹緊導線;當雨水多次滲入時，造成匝間短路引起起火燃燒。

表2 2012 ～2013 年某變電站電抗器故障時天氣情況

圖1 電抗器故障現場圖

2.2 合閘涌流和過電壓造成匝間絕緣破壞

3 起電抗器故障均發生在投入運行后的較短時間內，如表3 所示。

表3 某變電站故障電抗器投切情況統計

由表3 可知，開關投切動作后，電抗器運行很短的時間就發生了故障，并且在故障前，電抗器已經投切了幾百次以上。這說明故障很有可能與投切過程中產生的操作過電壓有關，開斷電抗器時，其單相等效電路如圖2 所示，圖中US為等效電源電壓，LS為電源側等效電感，CS為電源側等效電容，L 為串聯電抗器電感，CL為電抗器側對地電容，LP和CP為斷路器等效電感和電容。設t=t0時斷路器觸頭分開，斷路器的截流值為Ich，此時電容上的電壓為U0。

由于斷路器的滅弧效果較強，在用斷路器開斷電感類的設備時，如果在電流未過0 時強行將電流切斷，就會在電感類的設備上產生強大的反電動勢，即截流過電壓。

圖2 電抗器等效電路圖

從能量轉換的角度來看，電抗器被開斷是一個電磁場能全部轉化為電場能的過程，電容CL上的電壓最大為Um，即為截流過電壓，滿足下式:

設U0為基準電壓，開斷電抗器時最大過電壓倍數為:

查閱資料可知，當電流在接近峰值處被截斷時，過電壓可達到2 ～3 倍額定電壓。由此可見，斷路器對電抗器每投切一次，電抗器就要承受一次過電壓，同時電抗器的絕緣就要經受一次破壞。日積月累就會使電抗器的匝間絕緣遭受嚴重的損傷，最終導致絕緣失效，造成匝間短路現象。

1.3 漏磁的影響

在電抗器垂直方向的地下存在接地網，橫向位置其他設備和金屬圍欄等，這些金屬體都可能因構成閉環造成較嚴重漏磁。若橫向有閉環回路，則其漏磁將會在金屬閉環回路中感應出很大甚至可達數百安培的環流，該站發生故障的電抗器周圍存在金屬圍欄(見圖3)，形成了橫向位置的閉環，漏磁在金屬圍欄中感應出的環流不僅增大損耗，而且其產生的反向磁場會和電抗器的部分繞組耦合，使電抗器繞組過熱或局部過熱。若電抗器下部的接地網存在縱向位置的閉環，將會使電抗器電流增大和電位分布改變，引起電流分布的改變，導致繞組局部發熱，在長期熱效應的積累下會使局部的匝間絕緣老化。

該站之前圍欄有局部閉合情況出現，經紅外測溫，圍欄局部溫度達到100℃以上，電抗器運行過程中聲音較大且溫度相比于其他電抗器偏高，經改造處理后恢復正常。

圖3 故障電抗器四周圍欄情況

2 建議采取的措施

2.1 針對電抗器包封問題的措施

1)提高電抗器生產工藝條件及水平，保證電抗器的包封絕緣、端絕緣的整體和完整性，同時，改善電抗器上部引線與線圈之間的密封和焊接情況，避免因接線端子和繞組的焊接處由于焊接質量問題造成該處溫升過高。

2)現階段運行中的電抗器表面主要涂刷或澆注的是環氧樹脂，環氧樹脂是樹脂類材料，經濟且絕緣效果良好，但因其在金屬表面的附著力不強，經過一段時間風吹日曬容易開裂及脫落。針對這一情況，可以在電抗器包封表面噴涂憎水性和防污閃性能更好的PRTV 或硅橡膠絕緣涂料，可大幅度抑制表面放電。同時考慮在端部預埋環形均流電極，也可以克服下端表面泄漏電流集中的現象，即使表面涂層老化消失，也能防止電極附近干區電弧的出現。

3)在電抗器頂部裝設防雨帽，在其外部加裝防雨夾層，即在電抗器帶電包封外加一個不帶線圈的包封，專門用來遮擋陽光中的紫外線和雨水，以減緩繞組絕緣老化的速度。圖4 為該500 kV 變電站帶防雨帽的并聯干式空心電抗器，從2002 年投產至今從未發生類似匝間短路導致起火燃燒事件。

圖4 帶防雨帽的干式空心電抗器

4)每年對電抗器進行1 ～2 次停電檢修，檢查緊固接線螺栓，清理包封和絕緣子表面污物，做到“逢停必掃”，發現包封有起皮脫落現象時及時補漆。

2.2 針對操作過電壓和合閘涌流的措施

1)建議在每臺干式空芯電抗器的首尾兩端并聯上氧化鋅避雷器，因為氧化鋅避雷器具有理想的伏安特性，在正常運行低電場強度下，其電阻率很大，漏電流極小，相當于一絕緣體。而當電場強度達到一定程度放電擊穿時，其電阻率迅速下降至低電阻狀態，因而可使截流過程中所產生的操作過電壓能量迅速泄放，另一方面，在電抗器首尾兩端并聯上氧化鋅避雷器可以增大電抗器的匝間雜散電容值，由式(3)可知，匝間電容CL增大，則過電壓倍數K 減小，從而降低操作過電壓的大小。

2)由于下雨時電抗器包封表面會出現干區和濕區，使電場分布不均勻，在投切過電壓下可能會導致匝間短路，建議在下雨時不進行電抗器投切操作。在電抗器投運后，觀察電抗器的狀況，如有冒煙、火光，立刻停運;雨后投入電抗器后對其本體進行紅外檢測，觀察投運后幾分鐘內本體溫度有無急劇變化，以便及時發現電抗器故障。

3)優化電網運行方式，避免電抗器的頻繁投切。

2.3 針對漏磁方面的處理措施

消除閉合的金屬環路，如電抗器周圍不使用金屬圍欄，改用其他非鐵磁材料制成的圍欄，可以消除環流對電抗器的影響。而對于接地網及水泥構件中的閉環回路這一因素，則應在安裝電抗器之前，核查安裝點是否存在含金屬閉環的水泥構件或閉環的接地網，同時使電抗器的接線端子位置及安裝位置更加合理。

3 結語

電抗器過熱燒毀會威脅電網的安全穩定運行，并給企業造成較大的財產損失，所以在今后的日常工作中，我們要做好電抗器等設備的維護和檢測工作，并采取相應的預控措施，以避免此類故障的再次發生。

［1］李陽林，萬軍彪，黃瑛. 10 kV 干式空心串聯電抗器故障原因分析［J］. 電力電容器與無功補償，2010，32(3).

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