干式并聯電抗器頻繁擊穿原因分析

朱文兵，師偉，朱孟兆，朱慶東

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

真空斷路器具有低噪聲、占地少、維護量少、高可靠性、檢修頻率低、使用時間長等優點，在國內外已成為35 kV 及以下電壓等級中的主流斷路器。真空斷路器的滅弧能力非常強，造成滅弧時存在截流現象，導致真空斷路器切除并聯電抗器時會引發截流過電壓。如果設備參數匹配不當，截流過電壓會達到很高的水平，甚至會在斷路器開斷時發生重燃或復燃現象，引起并聯電抗器、母線上產生很高的過電壓，導致運行設備的絕緣擊穿引發事故［1-2］。

作為無功調節裝置，運行中電抗器需要經常被投切，過電壓問題在開合并聯電抗器組時會表現得極其嚴重。以某安裝并聯電抗器的變電站為例，該變電站曾多次發生由于真空斷路器開合并聯電抗器產生操作過電壓并導致設備燒毀的事故。實際測試了真空斷路器開合并聯電抗器時產生的操作過電壓，并分析了并聯電抗器絕緣擊穿原因，提出更換SF6斷路器的措施，有效避免了事故的發生，為后續處理類似問題提供參考。

1 概況

2015 年10 月至2018 年4 月，該站4 組35 kV并聯電抗器陸續發生故障，故障現象均為在投入后數秒內發生故障，引起斷路器過流Ⅰ段保護動作。

2 檢查情況

圖1—圖4 為電抗器故障損壞情況。根據現場檢查情況可以看出，幾組電抗器故障現象基本類似，均為繞組首端或尾端對地電位的鐵芯或夾件產生沿面閃絡，造成鐵芯、夾件及繞組表面大面積污染。

圖1 甲Ⅰ電抗器故障情況

圖2 甲Ⅱ電抗器故障情況

圖3 乙Ⅰ電抗器故障情況

圖4 乙Ⅱ電抗器故障情況

對檢查情況進行分析，造成多臺電抗器連續發生閃絡的原因可能有［3］：

1）設備存在設計或制造缺陷，導致設備絕緣不良，在運行電壓下發生擊穿。將其中一臺電抗器返廠維修后，重新進行全部型式試驗及例行試驗，試驗結果均為合格。同時，該型號電抗器屬于成熟設計，在其他變電站運行情況良好，但在該站卻連續發生多次電抗器擊穿情況，初步排除設計或制造質量不良原因。

2）系統存在過電壓，過電壓超出電抗器絕緣耐受水平導致電抗器擊穿。根據故障情況分析，電抗器故障均發生在投入后數秒內，說明電抗器在合閘或上次分閘期間產生過電壓損傷絕緣的可能性較大。

3 過電壓測試情況

為驗證電抗器投切期間是否存在過電壓，現場用斷路器對更換后的甲Ⅰ電抗器進行了5 次投切操作，同時開展過電壓測試。實測到C 相斷路器出現5次彈跳和4 次重燃現象。

在5 次合閘過程中，C 相斷路器均出現彈跳現象，產生了較高的過電壓，如圖5 所示。合閘過電壓波形放大后如圖6 所示。

在5 次分閘過程中，有4 次分閘時C 相斷路器出現重燃現象，產生了較高的過電壓，如圖7 所示。分閘過電壓波形放大后如圖8 所示。

圖5 合閘時彈跳過電壓波形

圖6 合閘時彈跳過電壓放大波形

圖7 分閘時重燃過電壓波形

圖8 分閘時重燃過電壓放大波形

表1 給出了5 次投切電抗器過程中實測的電抗器側相對地過電壓數據。由表1 可以看出，電抗器C相多次出現幅值較大的過電壓，合閘時相對地過電壓最大幅值為211 kV，達到基準電壓kV 的約6.4 倍，分閘時相對地過電壓最大幅值為201 kV，達到基準電壓的約6.1 倍，遠遠超過GB／T 50064—2014 《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》中規定的4.0 倍。均超出電抗器沖擊耐受電壓185 kV 的絕緣水平。

在0～2 mm區域，SMILE組在中間層手術前后差異界于臨界值（Z=-1.956，P=0.051），其余層次和范圍術后角膜光密度均比術前小，差異均具有統計學意義（均P＜0.05），見表1。

表1 投切電抗器時電抗器側相對地過電壓倍數

4 故障原因分析

4.1 過電壓產生原因

真空斷路器合閘過程中，會產生動觸頭與靜觸頭接觸后被反作用力推開，然后再接觸又被推開的彈跳現象，造成斷口的電弧發生重燃、截流現象，回路中產生高頻的電磁振蕩，產生過電壓。分閘過程中，瞬態恢復電壓上升速度超過斷口絕緣強度恢復速度時，動、靜觸頭間絕緣被擊穿，電弧再次產生，出現重燃（重擊穿）現象，并在重燃相上產生重燃過電壓。

從測試結果可以看出，甲I 電抗器在合閘和分閘過程中均出現幅值較大的過電壓。

4.2 保護措施作用分析

避雷器是最常用的過電壓保護方法。該變電站采用避雷器星形接線方式，由于干式空心并聯電抗產生的投切過電壓為振蕩電壓波形，振蕩頻率非常高，造成避雷器保護高頻響應效果較差［4-5］。

4.3 電抗器擊穿原因分析

由于電抗器在投切過程中均產生了幅值較大的過電壓，該電壓已遠超出電抗器沖擊耐受電壓185 kV的絕緣水平。在多次過電壓的累積作用下，最終導致電抗器絕緣擊穿。

5 處理措施

為限制真空斷路器投切過程中的過電壓，目前一般有2 種措施：

1）加裝阻容吸收器。通過加裝阻容吸收器，可以改變高頻振蕩回路，抑制過電壓的產生。但由于阻容吸收器運行過程中故障率較高，目前已經很少采用。

2）更換斷路器。選用截流值低的SF6斷路器，可徹底避免因為截流、重燃等產生的操作過電壓問題。

現場將真空斷路器更換為SF6斷路器，運行至今一切正常，有效避免了事故的發生。

6 結語

投切過電壓測試結果表明用于投切干式電抗器的真空斷路器在合閘和分閘過程中均會產生幅值較高的過電壓，該過電壓可能會超過電抗器的絕緣水平。

將真空斷路器更換為SF6斷路器可以有效地降低投切過程中的過電壓，建議對于電抗器投切均采用SF6斷路器。