35kV干式空心電抗器故障模擬及防范措施

國網冀北超高壓分公司 陳習文 馮小軒 張 瀟 郭 傲 朱恩澤 王相鋒 董鵬飛

國網管網集團北方管道有限責任公司 鄭 果

在電力系統中干式空心電抗器應用非常廣泛，其主要結構包括帶有匝間絕緣的繞組、絕緣外包封、引撥棒撐起的通風槽等。根據以往運行經驗，干式空心電抗器時常發生局部電弧放電、絕緣材料劣化、散熱不良及引撥棒松動變位等缺陷，進而可能導致電抗器繞組持續升溫甚至燒毀。

通過模擬35kV干式空心電抗器運行工況并進行監測，得到電抗器溫升變化、電流變化及外觀變化等數據，分析各種工況導致故障的概率和對應的嚴重程度，針對性地制定相應防范措施，達到降低設備故障率、提高電網運行可靠性、減少財產損失目的。

1 模擬金屬異物、過電壓的影響

在電抗器頂部不同位置分別進行放置焊條、鐵絲環、插到通風道內的粗鐵絲、鋁絲、不銹鋼螺栓、熱鍍鋅螺栓等金屬異物，并與不放置金屬異物的區域進行溫升對比試驗。試驗得到在干抗電磁場環境中，熱鍍鋅螺栓及放入通風道的粗鐵絲發熱明顯，熱鍍鋅螺栓溫度為172.9℃、放入通風道的粗鐵絲為95℃，對比上端面對照組溫度58.3℃，上述兩類金屬異物發熱明顯。電抗器使用絕緣材料主要為環氧玻璃纖維，其耐熱等級為F級，即允許最高工作溫度為155℃；國家標準GB/T 20112-2006規定干式空心電抗器繞組的運行溫升限值為60K，熱鍍鋅螺栓導致的發熱超過絕緣材料允許值，長期高溫運行會導致絕緣材料力學性能下降、進而影響其絕緣性能。

首先收集一批變電站內干式空心電抗器的運行數據進行分析，主要統計投切次數（認為每投切一次，電抗器承受一次過電壓）及包括直流電阻、電抗值在內的試驗數據，以求找到兩者間的相關性。從運行數據分析，電抗器投切次數最多達9615，但其與投切次數594次的電抗器在直流電阻、電抗、絕緣電阻與電抗器等方面沒有明顯偏差；從電抗器運行年限角度也未找到明顯規律。因此從運行經驗角度可得出，電抗器投切次數（10000次以內）及運行年限（20年以內）與其本身運行狀態沒有明顯相關性。

過電壓模擬試驗過程中，在不同電壓作用下，隨著過電壓累積次數的增加絕緣電阻均單調下降，且隨著電壓越高初期絕緣電阻下降越快，在過電壓作用后期絕緣電阻下降趨勢均開始變緩,但絕緣電阻值均在規程要求的10G以上。在不同的電壓等級下，局部放電起始電壓都隨著過電壓累積作用次數（達10000次以上）的增加而下降，且電壓幅值越高局部放電起始電壓下降越明顯。經分析，出現以上試驗結果，是因在電壓作用下匝間絕緣的薄弱位置出現局部放電、氣隙周圍固體絕緣材料的逐漸劣化。隨著累積次數的增大，放電就會由氣隙缺陷的邊緣向固體絕緣材料內部延伸，導致氣隙尺寸逐漸發展擴大和放電通道逐漸增長。因此，隨著過電壓累積次數的增加，絕緣缺陷的不斷發展導致匝間絕緣在更低的電壓下發生局部放電。

2 模擬電抗器本身缺陷的影響

2.1 模擬通風槽堵塞對電抗器的影響

選取一臺長期在室外存放的退運電抗器進行試驗，該電抗器通風槽內有大量絮狀雜物。對該電抗器進行常規試驗及匝間耐壓試驗，試驗結果合格。對電抗器施加工作電壓，用紅外測溫從正面、上面、下面多角度測量電抗器溫升，發現上部內層溫度較高，判斷電抗器因毛絮長期阻塞風道會影響風道散熱、導致局部過熱，長期如此運行將會加快絕緣老化，最終可能引起絕緣故障。另外，一旦發生絕緣故障有可能引燃層間絮狀雜物，造成電抗器上下貫通短路，引發更大的故障。

2.2 模擬絕緣撐條掉落對電抗器的影響

因電抗器在實際投運過程中會有一定程度的震動，長期震動可能導致絕緣撐條位移，影響電抗器散熱。現對一臺老舊電抗器進行加壓模擬投運，將其絕緣撐條人工移位或部分拆除，觀察試驗結果。結果表明，如過多的引拔棒松動變位就易引起電抗器運行異響，松動的引拔棒運行過程中易抖動與包封摩擦，破壞包封的外表皮，從而增加線圈斷線的風險。通過對變位的引拔棒進行復位并固定，電抗器在運行中發出的震動不會引起引拔棒抖動發出異響，也防止了引拔棒不斷抖動磨破包封，消除了安全隱患。

2.3 模擬絕緣破損對電抗器的影響

對一臺有外絕緣破損缺陷的電抗器進行試驗，隨著加壓時間的推移和電壓的不斷升高，缺陷位置的絕緣破損發展迅速，設備外觀有明顯的碳化現象。結束后通過對電抗器的解剖觀察與分析，發現電抗器的故障位置在第5包封層，解體后的第5包封層上部繞組有明顯的導線熔斷現象。判斷認為電抗器出廠環節存在的局部外絕緣表面薄弱點，會隨著時間的推移局部薄弱點逐漸顯現，從而引發局部污濕放電，進而損傷包封及導線絕緣，引發電抗器匝間短路故障。

2.4 模擬制造缺陷對電抗器的影響

對一臺有包紗工藝問題的電抗器進行試驗，以模擬存在絕緣破損制造缺陷的電抗器投運后將產生什么問題。對電抗器進行加壓并反復投切后，發現電抗器局部溫升明顯且包封絕緣出現過熱痕跡。中止試驗后對其進行了解體檢查。在解體過程中發現電抗器外表面局部有紗頭、紗棱的情況。紗頭是浸膠玻璃紗纏繞過程中長度不夠出現的接頭，毛紗是坩堝紗3團合成一股后進行包封纏繞，在合股過程中若3團張力不均時有可能出現毛紗情況，毛紗的存在有可能導致防閃涂料及絕緣層的破損，以至于長期運行的電抗器包封絕緣受潮、破損甚至絕緣擊穿。

3 結語

金屬異物入侵會導致干式電抗器局部發熱明顯，危害干抗正常運行，在運維過程中應對金屬異物著重關注并及時清理。在設計階段應采取防鳥措施，預防鳥類帶入金屬絲，且防護措施的安裝應采用絕緣螺栓。

根據現行電抗器狀態數據統計可知，運行年限、投切次數（20年以內、10000次以下）不直接影響電抗器絕緣及電氣參數。但從仿真模擬過電壓作用下（加壓次數超過10000次），絕緣電阻和局部放電的起始電壓會有明顯下降，其中絕緣電阻值還在規程要求范圍內，說明電抗器主絕緣還未破壞，但匝間絕緣有劣化跡象。建議在電抗器投運初期（以10000次為限），如沒有明顯異常可執行常規試驗項目，如絕緣電阻、直阻、電抗值試驗等，而在電抗器投切次數超過10000次后，開展以上常規試驗項目外，應進行試驗電壓更高的匝間絕緣試驗以考核電抗器匝間絕緣，判斷電抗器運行狀態。

為保證電抗器長期可靠的運行，應結合使用環境對設備進行定期檢查和維護保養，定期檢查電抗器繞組層間通風槽是否通暢，并結合停電清理風道和電抗器頂部的異物；對電抗器松動變位的引拔棒進行復位并固定，將有松動或移位的引拔棒輕敲，使偏移引拔棒復位。對難以復位的引拔棒，可截斷外露較長的部分。將以上處理過的引拔棒用浸膠玻璃絲帶綁扎固定防止再次松動變位。

對運行超過5年的產品應重新噴涂防污閃涂料，以確保防污閃涂料對電抗器的防護效果。例行檢修時進行外絕緣性能檢查，若電抗器表面有缺陷、損傷、涂層起皮、涂層脫落、放電等現象，應及時聯合廠家開展現場處理維護，并綜合考慮設備狀態評價、設備使用年限和經濟成本決定是否更新老舊設備；在電抗器的可研初設及廠內驗收階段，應結合生產實際加強對產品結構設計和施工工藝的要求和把控。在包封過程中應及時清除紗頭（毛紗）、紗瘤，在線圈固化后精整環節也要對通風道間散亂的玻璃紗進行清理。