10kV干式空心串聯電抗器燒毀故障原因分析及解決方案

楊宇斌

廣東電網公司肇慶供電局，廣東肇慶 526060

0 引言

隨著10kV 干式空心串聯電抗器的廣泛應用，電能質量及諧波治理有了顯著的改善，但在經過長時運行后仍然出現了不少的問題，有的被迫停運處理，有的逐漸演變成事故甚至設備燒毀，嚴重影響了安全生產運行。為從根本上解決10kV 干式空心串聯電抗器燒毀故障的問題，現使用5Why 法對其進行根本原因分析，并提出可解決其根本原因的方案。

1 原因分析

1.1 為什么電抗器會燒毀

串聯電抗器絕緣材料達到耐熱極限或鋁線圈達到耐熱極限(鋁燃點：550℃，鋁熔點：660.37℃)。

1.2 為什么絕緣材料和鋁線圈達到耐熱極限

起燃點處發生短路，短路環流和損耗很大，該點短路向外發展，使得電抗器繞組電流進一步增大，導致電抗器絕緣相對薄弱處再次發生短路，最終形成貫穿性放電，短時間內即可達到絕緣材料和鋁線圈耐熱極限，直至將其加熱至燃點冒煙起火。

1.3 為什么電抗器發生短路

串聯電抗器繞組匝間絕緣損壞，導致匝間耐受電壓降低，在匝間形成短路。

1.4 為什么繞組匝間絕緣損壞

過壓，過流，過熱，潮濕，污穢，熱脹冷縮，機械負荷，工藝不良，設計不當。

1）過壓對絕緣的影響

電容器組及其串聯電抗器允許在額定電壓的1.l 倍下長期運行，正常的電壓(電場)對絕緣材料有緩慢的老化作用，但并非損壞繞組匝間絕緣的要因。

2）過流對絕緣的影響

（1）額定電流：Ie=Ue/（Xc -Xl）式中 Ue：電容器組相電壓，按10.5/√3kV 計算；Xc：容抗；Xl：感抗。

電容器組及其串聯電抗器應能在工頻電流為1.3 倍額定電流的最大工作電流下連續運行。

（2）合閘涌流：Ih=K*Ie，

電容器組的理論最大合閘涌流倍數：K=1+√（Xc/Xl），

式中 Ie：額定電流；Xc：容抗；Xl：感抗。

電容器組的合閘涌流必須限制在額定電流的20 倍以內。

（3）諧波電流

在選型正確的電抗器的濾波作用下，電容器組支路呈感性，既不會和電容器組發生串聯諧振，也不會和系統的感性負荷發生并聯諧振而導致諧波放大，因此諧波電流對設備的影響可忽略不計。

正常的電流(磁場)對絕緣材料有緩慢的老化作用，但并非損壞繞組匝間絕緣的要因。

3）過熱對絕緣的影響

（1）干式空心電抗器的散熱方式為自然風冷，有的電抗器采用三相垂直疊裝，運行時熱空氣集聚在電抗器頂部，且環境溫度較高；

（2）紫外線輻射；

（3）粉塵污染，表面污物沉積影響散熱；

(4)氣道被異物堵塞影響散熱。

熱效應積累的溫度可能超過該電抗器繞組股間、匝間和包封的絕緣耐熱等級最高允許溫度或繞組溫升極限，當電抗器繞組絕緣的最熱點溫度超過最高允許溫度時，絕緣材料將迅速碳化而喪失絕緣性能和力學性能，進而導致絕緣損壞。

4）潮濕、污穢對絕緣的影響

（1）氮氧化物污染

近年來污染源不斷增多，空氣污染程度不斷加劇，而氮氧化物對PM2.5 的貢獻超過50%，為主要的污染源。

由于線圈對地電容和匝間縱向電容的影響，電壓分布不均勻。在不均勻的電場及潮濕、污穢的作用下，電抗器表面電位梯度較大的地方，局部電場強度超過氣體的電離場強，使氣體發生電離，空氣將局部游離形成電暈和迅速移動的分枝滑閃放電，最終造成空心電抗器匝間擊穿短路。

空氣游離也將在絕緣表面產生亞硝酸和硝酸，腐蝕絕緣，最終導致絕緣損壞。

氮氧化物化學反應式：

（2）粉塵污染

絕緣表面還會受到粉塵污染，在環境濕度大的情況下，表面污層會受潮，導致表面泄漏電流增大，產生熱量。由于水分蒸發速度快慢不一，表面局部出現干區，引起局部表面電阻改變，電流在該中斷處形成局部電弧。隨著時間延長，電弧將發生合并，行程沿面樹枝狀放電。而匝間短路是樹枝狀放電的進一步發展，即短路線匝中電流劇增，溫度升高使線匝絕緣損壞。

5）熱脹冷縮對絕緣的影響

（1）投入時電抗器頻繁遭受合閘涌流的沖擊(尤其是進線端處電流最大)，繞組溫度會急劇升高，加快絕緣介質的老化、劣化；

（2）在退出運行時，繞組溫度又會迅速下降，頻繁的熱脹冷縮容易造成電抗器外絕緣開裂；

（3）天氣劇烈變化的時候(如下雨)進行投切操作，因為短時溫差更大，熱脹冷縮現象更為劇烈；

（4）外絕緣開裂后，水分及粉塵進入繞組內部對導線絕緣層侵蝕，更 加加速繞組匝間絕緣損壞。

6）機械負荷對絕緣的影響

（1）電抗器運行產生的交變磁場而引起的機械負荷有壓力、拉力、伸展、振動等，承受的機械應力高于臨界值時，絕緣材料會產生斷裂；

（2）電抗器投退時，合閘涌流會對繞組產生巨大的電動力，頻繁投退容易使繞組絕緣材料的機械性能損壞；

（3）電抗器投退時，電抗器和接線鋁排會受到涌流產生的電動力沖擊而發生振動，頻繁投退容易使接線端子螺栓翻松導致發熱。

7）工藝不良對絕緣的影響

（1）接線端子與繞組之間是通過焊接連接，焊接質量不良會直接使其附加電阻增大，導致發熱影響絕緣；

(2)繞組繞制工藝不良會使內部電流密度分布不均勻，從而使局部溫度較高。

8）設計不當對絕緣的影響

（1）絕緣等級設計裕度不足

設計選擇的絕緣材料耐熱等級偏低，裕度不足，電抗器運行容易超過耐熱溫度而使絕緣損壞。

（2）電抗與電容容量不匹配

根據額定電流公式：Ie=Ue/（Xc -Xl），無論Xc 減少(或電容容量減少)或Xl 增大(或電抗容量增大)，都會使得實際流過設備的電流Ie 增大。電流增大幅度超過裕度范圍(1.3倍)，則會影響繞組匝間絕緣。

2 解決方案

1）管理類反事故措施已有明確要求，對新建變電站的干式空芯電抗器，禁止采用疊裝結構，避免電抗器單相事故發展為相間事故，建議在圖審時留意新電抗的安裝方式，如有問題立即反饋；

2）電抗器投入運行前應對各散熱氣道進行檢查，保證各散熱氣道暢通無阻，若發現有異物(如鳥窩等)堵塞氣道，應及時加以清除；

3）加強對電抗器的運行維護工作，如定期查看其表面是否有變形、鼓包、龜裂、樹枝狀爬電，線圈是否有斷股，瓷瓶有無裂紋或明顯放電，電抗有無異響等；積極開展紅外測溫工作以監測其發熱情況及發熱部位，特別是電抗器的內層包封的上半部分，如發現溫升超過70℃應立即申請當值調度員減負載，或將設備退出運行；

4）線圈表面涂憎水性涂料可大幅度抑制表面放電，頂戴防雨帽和外加防雨層，可在一定程度上抑制表面泄露電流；

5）在污穢程度較嚴重的地區，應增加清理電抗器表面和絕緣子表面頻次；

6）優化電網運行方式，避免對裝有電抗器的間隔設備頻繁投退，特別是在天氣劇烈變化的時候應盡量不改變無功補償的運行方式；

7）對電抗器包封表面輕微開裂的，建議進行噴涂RTV 涂料處理，以延緩包封開裂后水份進入繞組內部對導線絕緣層侵蝕的速度；對運行時間較長且包封表面開裂嚴重的，建議逐步進行更換；

8）改善工藝條件，提高工藝水平，改善工藝環境，減少人為因素的影響；

9）選擇合理的耐熱等級絕緣材料、設計運行溫度更合理的干式電抗器，從根本上解決電抗器戶外運行安全性較低的問題，以增加其使用壽命。