35 kV干式空心電抗器匝間絕緣現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

張良， 呂家圣， 王永紅， 聶洪巖， 陳禾， 彭翔， 魏新勞

(1.南網(wǎng)超高壓公司檢修試驗(yàn)中心，廣東廣州 510600;2.哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150080)

0 引言

為調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無(wú)功功率，在超高壓、大電網(wǎng)變電站的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中要求串聯(lián)或并聯(lián)一定數(shù)量的電抗器，此外在電網(wǎng)中電抗器也常用于濾波、限流等場(chǎng)合。與傳統(tǒng)的油浸式鐵心電抗器相比，干式空心電抗器具備電抗值線性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、不易磁飽和等優(yōu)點(diǎn)，因而其投運(yùn)數(shù)量迅速增加。隨著干式電抗器投運(yùn)數(shù)量及投運(yùn)時(shí)間的增加，故障也逐步增多［1-4］。線圈受潮、材料缺陷、局部過(guò)熱、投切頻繁及局部電弧等故障最終會(huì)導(dǎo)致電抗器的匝間短路燒毀電抗器，甚至造成更大的事故［5-7］。為了減少干式空心電抗器的匝間絕緣故障問(wèn)題，除提高電抗器的制造水平、弄清電抗器的運(yùn)行環(huán)境外，還要有有效的試驗(yàn)方法及相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備［8］。

由于干式空心電抗器的磁路開(kāi)放，傳統(tǒng)用于變壓器、鐵心式電抗器縱絕緣檢測(cè)的感應(yīng)電壓試驗(yàn)不適用于其匝間絕緣的檢測(cè)［9-10］。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60076-6、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1094.6、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T5346及國(guó)家電網(wǎng)公司“10～66 kV干式電抗器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”都推薦，對(duì)35kV電壓等級(jí)及以下的干式空心電抗器采用匝間過(guò)電壓試驗(yàn)替代雷電沖擊試驗(yàn)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10775、美國(guó)IEEE Std C57.16及IEEE Std C57.21標(biāo)準(zhǔn)直接要求對(duì)干式空心并聯(lián)電抗器進(jìn)行匝間過(guò)電壓試驗(yàn)［11-17］。

只是對(duì)干式空心電抗器進(jìn)行出廠檢驗(yàn)是不夠的，因?yàn)橛行┬码娍蛊鞯脑验g絕緣缺陷并不是很明顯，而是由于運(yùn)行過(guò)程中受到多種因素的持續(xù)作用后，逐漸發(fā)展形成的。現(xiàn)有的預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程中對(duì)干式電抗器的試驗(yàn)項(xiàng)目主要為阻抗測(cè)量和紅外測(cè)溫，沒(méi)有規(guī)定匝間絕緣試驗(yàn)項(xiàng)目。為了及早的發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中電抗器后發(fā)展成的匝間絕緣缺陷，應(yīng)該有重點(diǎn)的對(duì)運(yùn)行中的電抗器匝間絕緣進(jìn)行定期的預(yù)防性檢驗(yàn)［18］。

本文通過(guò)對(duì)廣西某500 kV變電站15臺(tái)35 kV并聯(lián)電抗器及12臺(tái)35 kV串聯(lián)電抗器的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，成功地探索了干式空心電抗器匝間過(guò)電壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的可行性，并根據(jù)試驗(yàn)中的現(xiàn)象總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中應(yīng)該注意的一些關(guān)鍵問(wèn)題。

1 匝間過(guò)電壓試驗(yàn)方法

1.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

GB1094.6-2011規(guī)定，脈沖振蕩法匝間過(guò)電壓試驗(yàn)的振蕩頻率小于100 kHz，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間1 min，放電次數(shù)不少于3 000次，且要求幅值穩(wěn)定，每次放電的初始峰值應(yīng)為■1.332倍(戶外設(shè)備)或■2倍(戶內(nèi)設(shè)備)GB1094.3中表2和表3中給出的額定短時(shí)感應(yīng)或外施耐壓試驗(yàn)電壓(r.m.s.)，經(jīng)核算試驗(yàn)電壓水平如表1所示。

表1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的初始放電電壓(kV)Table 1 Initial discharge voltage in the national standard

1.2 匝間過(guò)電壓試驗(yàn)原理

匝間過(guò)電壓試驗(yàn)是通過(guò)重復(fù)地對(duì)一個(gè)電容充電并經(jīng)球隙對(duì)電抗器放電來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種放電產(chǎn)生比雷電沖擊更陡的波頭。施加在電抗器上的過(guò)電壓類型為一個(gè)具有指數(shù)衰減正弦波形的操作沖擊。原理電路如圖1所示。

圖1 匝間過(guò)電壓試驗(yàn)電路Fig.1 Circuit of the turn-to-turn over-voltage test

充電電容為CC，電抗器電感為L(zhǎng)，回路電阻為R，根據(jù)電工原理，在放電過(guò)程中，電感繞組上的過(guò)電壓為

當(dāng)δ足夠小時(shí)，ω=ω0。此時(shí)電抗器上的電壓可以近似為式(2)，振蕩頻率可以近似為式(3)。

振蕩波形的頻率僅與充電電容值、電抗器的電感量及回路電阻有關(guān)，與施加電壓的大小無(wú)關(guān)。即若電感沒(méi)有故障，不同電壓下振蕩波的頻率應(yīng)該完全相同。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電路中，球隙開(kāi)關(guān)采用的是自然放電的方式。1 min完成3 000次的高密度充放電，這會(huì)造成球隙自然放電電壓下降，導(dǎo)致電抗器上振蕩電壓幅值迅速降低，且放電次數(shù)不穩(wěn)定。試驗(yàn)所用設(shè)備采用可控放電技術(shù)解決了這一問(wèn)題［9］，原理電路如圖2所示，圖中:T1為調(diào)壓器;T2為試驗(yàn)變壓器;T3為點(diǎn)火變壓器;D為高壓硅堆;R1為充電電阻;RH、RL分別為電阻分壓器的高壓臂和低壓臂;S為球隙開(kāi)關(guān);CC為主電容;CH、CL分別為電容分壓器的高壓臂和低壓臂;L為被試電抗器。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備電路Fig.2 Circuit of the test equipment

試驗(yàn)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備的主要參數(shù)Table 2 Main paramenters of the test equipment

2.2 被試電抗器及系統(tǒng)接線

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)電抗器共計(jì)27臺(tái)，其中15臺(tái)并聯(lián)干式空心電抗器，12臺(tái)串聯(lián)干式空心電抗器，其主要參數(shù)如表3。

表3 電抗器的主要參數(shù)Table 3 Main paramenters of reactors

列舉一組被試并聯(lián)電抗器及一組被試串聯(lián)電抗器在系統(tǒng)中的接線電路如圖3，圖中:L為單相干式空心電抗器，每組3臺(tái);C為補(bǔ)償電容器組;QF為SF6斷路器;GW為隔離開(kāi)關(guān);CVT為電壓互感器;MOA為避雷器。所有并聯(lián)電抗器與串聯(lián)電抗器都通過(guò)絕緣子支撐，與大地絕緣。并聯(lián)電抗器組的中性點(diǎn)不接地。

圖3 被試電抗器在系統(tǒng)中的接線Fig.3 Wiring circuit of tested reactors in the power system

2.3 試驗(yàn)電壓確定

按GB1094.6標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，35 kV戶外干式空心電抗器的匝間過(guò)電壓試驗(yàn)電壓為160 kV，考慮到被試電抗器已經(jīng)運(yùn)行一定年限，試驗(yàn)電壓幅值應(yīng)該適當(dāng)降低。參考一般電力設(shè)備交接試驗(yàn)電壓值為其80%出廠試驗(yàn)電壓值，本次預(yù)防性試驗(yàn)電壓選擇干式空心電抗器70%出廠試驗(yàn)電壓值(112 kV)進(jìn)行嘗試。

依據(jù)GB1094.6標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)電壓施加過(guò)程為:首先施加約30%出廠試驗(yàn)電壓(33.6 kV)，得到并存儲(chǔ)為參考電壓波形;將電壓升高至112 kV并持續(xù)放電1 min，一直監(jiān)視試驗(yàn)電壓波形振蕩頻率(過(guò)零點(diǎn))對(duì)參考電壓波形的變化，由此判斷電抗器匝間絕緣是否存在缺陷。

3 試驗(yàn)中遇到問(wèn)題分析

3.1 遇到的問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)首先對(duì)并聯(lián)電抗器進(jìn)行試驗(yàn)，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，初始接線方法不正確，試驗(yàn)不能正常進(jìn)行。在持續(xù)脈沖振蕩放電電壓下，設(shè)備地電位抬高嚴(yán)重，試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)出現(xiàn)了指示燈頻繁閃爍及直流充電電壓測(cè)量數(shù)顯表燒毀的問(wèn)題。

3.2 問(wèn)題原理分析

現(xiàn)場(chǎng)干式空心電抗器成品字形布置。試驗(yàn)時(shí)，斷開(kāi)并聯(lián)電抗器組的斷路器QF及隔離開(kāi)關(guān)GW，將該并聯(lián)電抗器組退出運(yùn)行，對(duì)3臺(tái)電抗器分別試驗(yàn)。考慮操作的方便性，在被試電抗器下端的中性點(diǎn)施加高壓，在被試電抗器的斷路器側(cè)接工作地，其余兩臺(tái)電抗器首尾短接。按照單點(diǎn)接地原則，工作地與保護(hù)地分別布線，保護(hù)接大地，放電球隙下端的設(shè)備地為公共地。包括了整個(gè)放電回路的接線電路如圖4所示。試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)了上述的設(shè)備不能正常工作問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)該接線方法錯(cuò)誤。

圖4 錯(cuò)誤接線電路Fig.4 The wrong wiring circuit

經(jīng)分析，單點(diǎn)接地方式?jīng)]有錯(cuò)誤，問(wèn)題出于存在空間雜散電容和接地線的引線電感，在高頻脈沖振蕩電壓下，它們的影響不能被忽略。

干式電抗器外表面積大，各電抗器的間距小，在電抗器間、電抗器與地(含護(hù)欄等設(shè)施)間以及電抗器匝間存在較大的雜散電容。任意兩臺(tái)電抗器的雜散電容分布如圖5，其中:C10代表電抗器間單位高度雜散電容，C20代表各電抗器匝間單位高度雜散電容，C30代表各電抗器對(duì)地單位高度雜散電容，C4代表各電抗器下星形架對(duì)地雜散電容。

圖5 兩臺(tái)電抗器的雜散電容分布Fig.5 Stray capacitance distribution of two reactors

各雜散電容分布參數(shù)等效到電抗器兩端，簡(jiǎn)化的等值電路如圖6，其中:C1H和C1L代表上下兩端電抗器間雜散電容，C2代表各電抗器匝間雜散電容，C3H和C3L代表各電抗器上下兩端對(duì)地雜散電容。

圖6 雜散電容分布簡(jiǎn)化電路Fig.6 Simplified circuit of stray capacitance distribution

考慮以上雜散電容和引線電感時(shí)，圖4回路的簡(jiǎn)化等效電路如圖7，其中:Lg1代表工作地引線電感，Lg2代表保護(hù)地引線電感，C5為2C1H(如圖6)，C6為3(C3H+C3L+C4)(如圖6)。

圖7 錯(cuò)誤接線的等效電路Fig.7 Equivalent Circuit of the wrong wiring

考慮引線電感和雜散電容滿足ω2Lg2C6?1，有

高壓輸出也會(huì)經(jīng)雜散電容C2+C5在工作地引線電感上形成壓降，但該壓降不會(huì)造成設(shè)備地電位抬高。

由此可知，造成設(shè)備地電位抬高的原因是流過(guò)對(duì)地雜散電容的電流在保護(hù)地引線上形成了電壓降落。

3.3 解決方案

根據(jù)以上分析，解決設(shè)備地電位抬高的方法之一是減小對(duì)地雜散電容電流。為此修正了圖4接線，新接線方式如圖8所示，等效電路如圖9所示。

試驗(yàn)設(shè)備高壓輸出經(jīng)C6與大地連通，經(jīng)保護(hù)地線與高壓設(shè)備構(gòu)成回路，在保護(hù)地引線電感上形成壓降。按照交流電壓關(guān)系近似，設(shè)備地電位抬高幅值可近似表述為

圖8 正確接線電路Fig.8 The correct wiring circuit

圖9 正確接線的等效電路Fig.9 Equivalent Circuit of the correct wiring

圖9中:C7為2C3H+3(C3L+C4)，C8為C3H，且C7+C8=C6(見(jiàn)圖7)。當(dāng) ω2L(C2+C5)?1時(shí)，設(shè)備地電位抬高幅值為

對(duì)比式(6)與式(5)，由于Lg1?L，正確接線時(shí)設(shè)備地電位抬高明顯減小。

如果被試驗(yàn)電抗器組的中性點(diǎn)直接接大地，同理分析，也會(huì)造成設(shè)備地電位抬高嚴(yán)重。一般35 kV電網(wǎng)為不接地系統(tǒng)，這種情況不會(huì)發(fā)生。如存在直接接地，建議試驗(yàn)時(shí)斷開(kāi)。串聯(lián)電抗器試驗(yàn)時(shí)與電容器的接線也須解除。

解決設(shè)備地電位抬高的方法之二是減小保護(hù)地的電感。應(yīng)該把設(shè)備放電回路部分盡量靠近被試電抗器，縮短保護(hù)地線長(zhǎng)度。

設(shè)備接線方法是基于并聯(lián)電抗器討論的，它也適用于串聯(lián)電抗器。修改接線后設(shè)備工作正常，順利完成了試驗(yàn)任務(wù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)共對(duì)27臺(tái)干式空心電抗器進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，共檢測(cè)出2臺(tái)故障電抗器，故障率7.4%。兩臺(tái)故障電抗器均為串聯(lián)電抗器，2004年投運(yùn)至今已運(yùn)行8年。通過(guò)檢測(cè)的設(shè)備投運(yùn)至今已超過(guò)3個(gè)月，未出現(xiàn)匝間絕緣故障。

兩組典型的電壓波形對(duì)比如圖10與圖11所示。圖10為電抗器無(wú)匝間故障波形，圖11為電抗器有匝間故障波形。

圖10 合格電抗器的試驗(yàn)波形Fig.10 Test waveforms of qualified reactor

圖11 不合格電抗器的試驗(yàn)波形Fig.11 Test waveforms of unqualified reactor

通過(guò)匝間絕緣試驗(yàn)電抗器的兩個(gè)試驗(yàn)電壓波形的頻率完全相同，未通過(guò)匝間絕緣試驗(yàn)電抗器在出現(xiàn)匝間故障后，振蕩頻率和衰減速度加快。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)27臺(tái)35 kV干式空心電抗器匝間絕緣過(guò)電壓的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論:

1)用高頻脈沖振蕩法在變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行干式空心電抗器的匝間絕緣檢測(cè)是可行的;

2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)從被試電抗器的上端引入高壓，下端接工作地線;應(yīng)將試驗(yàn)設(shè)備的放電回路盡量接近被試電抗器，縮短保護(hù)地線和工作地線的長(zhǎng)度。

［1］徐林峰.一起干式空心串聯(lián)電抗器的故障分析［J］.電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2008，29(2):50-54.

XU Linfeng.Fault analysis of dry-type air-core series reactor［J］.Power Capacitor＆Reactive Power Compensation，2008，29(2):50-54.

［2］季娟，俞集輝，袁一飛，等.空心電抗器磁場(chǎng)分布和防護(hù)體架設(shè)研究［J］.高壓電器，2009，45(6):61-64.

JI Juan，YU Jihui，YUAN Yifei，et al.Research of the magnetic field distribution and protection body setting for air-core reactor［J］.High Voltage Apparatus，2009，45(6):61-64.

［3］夏長(zhǎng)根.一起35kV干式并聯(lián)空心電抗器故障分析［J］.電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2009，30(5):43-45.

XIA Changgen.Analysis of fault of a 35kV dry-type air-core shunt reactor［J］.Power Capacitor＆Reactive Power Compensation，2009，30(5):43-45.

［4］付煒平，趙京武，霍春燕.一起35kV干式電抗器故障原因分析［J］.電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2011，32(1):59-62.

FU Weiping，ZHAO Jingwu，HUO Chunyan.Reason analysis for a 35kV dry type reactor fault［J］.Power Capacitor＆Reactive Power Compensation，2011，32(1):59-62.

［5］李陽(yáng)林，萬(wàn)軍彪，黃瑛.10kV干式空心串聯(lián)電抗器故障原因分析［J］.電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2011，32(3):58-61.

LI Yanglin，WAN Junbiao，HUAN Ying.Fault analysis on 10kV dry-type air-core series reactor［J］.Power Capacitor＆Reactive Power Compensation，2011，32(3):58-61.

［6］王耀龍.干式空心并聯(lián)電抗器多起損壞原因分析［J］.電氣技術(shù)，2012，(7):55-57.

WANG Yaolong.Analysis of dry-type air core shunt reactor fault cases［J］.Electrical Technology，2012，(7):55-57.

［7］劉海瑩，魏賓.干式空心電抗器的運(yùn)行分析及故障處理［J］.高壓電器，2004，40(3):239-240.

LIU Haiying，WEI Bin.Operation and maintenance of dry air-core reactor［J］.High Voltage Apparatus，2004，40(3):239-240.

［8］陳慶國(guó)，邱毓昌，魏新勞.用脈沖電壓諧振法檢測(cè)空心電抗器匝間絕緣缺陷［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1999，14(6):55-58.

CHEN Qingguo，QIU Yuchang，WEI Xinlao.Pulse voltage resonance method for detecting turn-to-turn insulation defects in air core reactor［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，1999，14(6):55-58.

［9］徐林峰，林一峰，王永紅，等.干式空心電抗器匝間過(guò)電壓試驗(yàn)技術(shù)研究［J］.高壓電器，2012，48(7):71-75.

XUN Linfeng，LIN Yifeng，WANG Yonghong，et al.Technique research on turn-to-turn overvoltage test for dry-type air-core reactors［J］.High Voltage Apparatus，2012，48(7):71-75.

［10］魏新勞，王永紅，陳炯，等.用脈沖電壓法進(jìn)行干式空心電抗器匝間絕緣試驗(yàn)［J］.黑龍江電力，2001，23(2):82-85.WEI Xinlao，WANG Yonghong，CHEN Jiong，et al.Dry aircope reactor turn-to-turn insulation test by impulse-voltage［J］.Heilongjiang Electric Power，2001，23(2):82-85.

［11］IEC60076-6-2007，Power Transformers-Part6:Reactors［s］.Geneva，Switzerland:IEC，2007.

［12］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會(huì)，GB1094.6-2011，電力變壓器-第6部分:電抗器［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［13］中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部，JB/T5346-1998，串聯(lián)電抗器［S］.北京:機(jī)械科學(xué)研究院，1998.

［14］國(guó)家電網(wǎng)公司，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-2005，10～66kV干式電抗器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2005.

［15］中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，JB/T10775-2007，6～35kV級(jí)干式并聯(lián)電抗器技術(shù)參數(shù)和要求［S］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［16］IEEE Std C57.16-1996，IEEE Standard Requirements，Terminology，and Test code for Dry-type Air-core Series-connected Reactors［S］.New York，USA:Printed in the United States of A-merica，1997.

［17］IEEE Std C57.21-2008，IEEE Standard Requirements，Terminology，and Test code for Shunt Reactors Rated Over 500kVA［S］.NewYork，USA:PrintedintheUnitedStatesof America，2008.

［18］馮寶憶.干式電抗器的匝間耐壓試驗(yàn)［J］.華東電力，1988，16(1):5-8.

FENG Baoyi.Research on turn-to-turn insulation test of dry-type air-core reactor［J］.East China Electric Power，1988，16(1):5-8.