35 kV干式空心电抗器匝间绝缘现场试验

张良， 吕家圣， 王永红， 聂洪岩， 陈禾， 彭翔， 魏新劳

(1.南网超高压公司检修试验中心，广东广州 510600;2.哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨 150080)

0 引言

为调节电网的无功功率，在超高压、大电网变电站的设计标准中要求串联或并联一定数量的电抗器，此外在电网中电抗器也常用于滤波、限流等场合。与传统的油浸式铁心电抗器相比，干式空心电抗器具备电抗值线性、结构简单、质量轻、不易磁饱和等优点，因而其投运数量迅速增加。随着干式电抗器投运数量及投运时间的增加，故障也逐步增多［1-4］。线圈受潮、材料缺陷、局部过热、投切频繁及局部电弧等故障最终会导致电抗器的匝间短路烧毁电抗器，甚至造成更大的事故［5-7］。为了减少干式空心电抗器的匝间绝缘故障问题，除提高电抗器的制造水平、弄清电抗器的运行环境外，还要有有效的试验方法及相应的试验设备［8］。

由于干式空心电抗器的磁路开放，传统用于变压器、铁心式电抗器纵绝缘检测的感应电压试验不适用于其匝间绝缘的检测［9-10］。国际标准IEC60076-6、国家标准GB1094.6、行业标准JB/T5346及国家电网公司“10～66 kV干式电抗器技术标准”都推荐，对35kV电压等级及以下的干式空心电抗器采用匝间过电压试验替代雷电冲击试验。行业标准JB/T10775、美国IEEE Std C57.16及IEEE Std C57.21标准直接要求对干式空心并联电抗器进行匝间过电压试验［11-17］。

只是对干式空心电抗器进行出厂检验是不够的，因为有些新电抗器的匝间绝缘缺陷并不是很明显，而是由于运行过程中受到多种因素的持续作用后，逐渐发展形成的。现有的预防性试验规程中对干式电抗器的试验项目主要为阻抗测量和红外测温，没有规定匝间绝缘试验项目。为了及早的发现运行中电抗器后发展成的匝间绝缘缺陷，应该有重点的对运行中的电抗器匝间绝缘进行定期的预防性检验［18］。

本文通过对广西某500 kV变电站15台35 kV并联电抗器及12台35 kV串联电抗器的现场试验，成功地探索了干式空心电抗器匝间过电压现场试验的可行性，并根据试验中的现象总结了现场试验中应该注意的一些关键问题。

1 匝间过电压试验方法

1.1 标准规定

GB1094.6-2011规定，脉冲振荡法匝间过电压试验的振荡频率小于100 kHz，试验持续时间1 min，放电次数不少于3 000次，且要求幅值稳定，每次放电的初始峰值应为■1.332倍(户外设备)或■2倍(户内设备)GB1094.3中表2和表3中给出的额定短时感应或外施耐压试验电压(r.m.s.)，经核算试验电压水平如表1所示。

表1 国家标准规定的初始放电电压(kV)Table 1 Initial discharge voltage in the national standard

1.2 匝间过电压试验原理

匝间过电压试验是通过重复地对一个电容充电并经球隙对电抗器放电来实现，这种放电产生比雷电冲击更陡的波头。施加在电抗器上的过电压类型为一个具有指数衰减正弦波形的操作冲击。原理电路如图1所示。

图1 匝间过电压试验电路Fig.1 Circuit of the turn-to-turn over-voltage test

充电电容为CC，电抗器电感为L，回路电阻为R，根据电工原理，在放电过程中，电感绕组上的过电压为

当δ足够小时，ω=ω0。此时电抗器上的电压可以近似为式(2)，振荡频率可以近似为式(3)。

振荡波形的频率仅与充电电容值、电抗器的电感量及回路电阻有关，与施加电压的大小无关。即若电感没有故障，不同电压下振荡波的频率应该完全相同。

2 试验条件

2.1 试验设备

标准规定的电路中，球隙开关采用的是自然放电的方式。1 min完成3 000次的高密度充放电，这会造成球隙自然放电电压下降，导致电抗器上振荡电压幅值迅速降低，且放电次数不稳定。试验所用设备采用可控放电技术解决了这一问题［9］，原理电路如图2所示，图中:T1为调压器;T2为试验变压器;T3为点火变压器;D为高压硅堆;R1为充电电阻;RH、RL分别为电阻分压器的高压臂和低压臂;S为球隙开关;CC为主电容;CH、CL分别为电容分压器的高压臂和低压臂;L为被试电抗器。

图2 试验设备电路Fig.2 Circuit of the test equipment

试验设备的主要技术参数如表2。

表2 试验设备的主要参数Table 2 Main paramenters of the test equipment

2.2 被试电抗器及系统接线

本次现场试验电抗器共计27台，其中15台并联干式空心电抗器，12台串联干式空心电抗器，其主要参数如表3。

表3 电抗器的主要参数Table 3 Main paramenters of reactors

列举一组被试并联电抗器及一组被试串联电抗器在系统中的接线电路如图3，图中:L为单相干式空心电抗器，每组3台;C为补偿电容器组;QF为SF6断路器;GW为隔离开关;CVT为电压互感器;MOA为避雷器。所有并联电抗器与串联电抗器都通过绝缘子支撑，与大地绝缘。并联电抗器组的中性点不接地。

图3 被试电抗器在系统中的接线Fig.3 Wiring circuit of tested reactors in the power system

2.3 试验电压确定

按GB1094.6标准规定，35 kV户外干式空心电抗器的匝间过电压试验电压为160 kV，考虑到被试电抗器已经运行一定年限，试验电压幅值应该适当降低。参考一般电力设备交接试验电压值为其80%出厂试验电压值，本次预防性试验电压选择干式空心电抗器70%出厂试验电压值(112 kV)进行尝试。

依据GB1094.6标准，试验电压施加过程为:首先施加约30%出厂试验电压(33.6 kV)，得到并存储为参考电压波形;将电压升高至112 kV并持续放电1 min，一直监视试验电压波形振荡频率(过零点)对参考电压波形的变化，由此判断电抗器匝间绝缘是否存在缺陷。

3 试验中遇到问题分析

3.1 遇到的问题

现场首先对并联电抗器进行试验，由于缺乏经验，初始接线方法不正确，试验不能正常进行。在持续脉冲振荡放电电压下，设备地电位抬高严重，试验设备控制系统出现了指示灯频繁闪烁及直流充电电压测量数显表烧毁的问题。

3.2 问题原理分析

现场干式空心电抗器成品字形布置。试验时，断开并联电抗器组的断路器QF及隔离开关GW，将该并联电抗器组退出运行，对3台电抗器分别试验。考虑操作的方便性，在被试电抗器下端的中性点施加高压，在被试电抗器的断路器侧接工作地，其余两台电抗器首尾短接。按照单点接地原则，工作地与保护地分别布线，保护接大地，放电球隙下端的设备地为公共地。包括了整个放电回路的接线电路如图4所示。试验过程出现了上述的设备不能正常工作问题，发现该接线方法错误。

图4 错误接线电路Fig.4 The wrong wiring circuit

经分析，单点接地方式没有错误，问题出于存在空间杂散电容和接地线的引线电感，在高频脉冲振荡电压下，它们的影响不能被忽略。

干式电抗器外表面积大，各电抗器的间距小，在电抗器间、电抗器与地(含护栏等设施)间以及电抗器匝间存在较大的杂散电容。任意两台电抗器的杂散电容分布如图5，其中:C10代表电抗器间单位高度杂散电容，C20代表各电抗器匝间单位高度杂散电容，C30代表各电抗器对地单位高度杂散电容，C4代表各电抗器下星形架对地杂散电容。

图5 两台电抗器的杂散电容分布Fig.5 Stray capacitance distribution of two reactors

各杂散电容分布参数等效到电抗器两端，简化的等值电路如图6，其中:C1H和C1L代表上下两端电抗器间杂散电容，C2代表各电抗器匝间杂散电容，C3H和C3L代表各电抗器上下两端对地杂散电容。

图6 杂散电容分布简化电路Fig.6 Simplified circuit of stray capacitance distribution

考虑以上杂散电容和引线电感时，图4回路的简化等效电路如图7，其中:Lg1代表工作地引线电感，Lg2代表保护地引线电感，C5为2C1H(如图6)，C6为3(C3H+C3L+C4)(如图6)。

图7 错误接线的等效电路Fig.7 Equivalent Circuit of the wrong wiring

考虑引线电感和杂散电容满足ω2Lg2C6≪1，有

高压输出也会经杂散电容C2+C5在工作地引线电感上形成压降，但该压降不会造成设备地电位抬高。

由此可知，造成设备地电位抬高的原因是流过对地杂散电容的电流在保护地引线上形成了电压降落。

3.3 解决方案

根据以上分析，解决设备地电位抬高的方法之一是减小对地杂散电容电流。为此修正了图4接线，新接线方式如图8所示，等效电路如图9所示。

试验设备高压输出经C6与大地连通，经保护地线与高压设备构成回路，在保护地引线电感上形成压降。按照交流电压关系近似，设备地电位抬高幅值可近似表述为

图8 正确接线电路Fig.8 The correct wiring circuit

图9 正确接线的等效电路Fig.9 Equivalent Circuit of the correct wiring

图9中:C7为2C3H+3(C3L+C4)，C8为C3H，且C7+C8=C6(见图7)。当 ω2L(C2+C5)≪1时，设备地电位抬高幅值为

对比式(6)与式(5)，由于Lg1≪L，正确接线时设备地电位抬高明显减小。

如果被试验电抗器组的中性点直接接大地，同理分析，也会造成设备地电位抬高严重。一般35 kV电网为不接地系统，这种情况不会发生。如存在直接接地，建议试验时断开。串联电抗器试验时与电容器的接线也须解除。

解决设备地电位抬高的方法之二是减小保护地的电感。应该把设备放电回路部分尽量靠近被试电抗器，缩短保护地线长度。

设备接线方法是基于并联电抗器讨论的，它也适用于串联电抗器。修改接线后设备工作正常，顺利完成了试验任务。

4 试验结果

本次试验共对27台干式空心电抗器进行耐压试验，共检测出2台故障电抗器，故障率7.4%。两台故障电抗器均为串联电抗器，2004年投运至今已运行8年。通过检测的设备投运至今已超过3个月，未出现匝间绝缘故障。

两组典型的电压波形对比如图10与图11所示。图10为电抗器无匝间故障波形，图11为电抗器有匝间故障波形。

图10 合格电抗器的试验波形Fig.10 Test waveforms of qualified reactor

图11 不合格电抗器的试验波形Fig.11 Test waveforms of unqualified reactor

通过匝间绝缘试验电抗器的两个试验电压波形的频率完全相同，未通过匝间绝缘试验电抗器在出现匝间故障后，振荡频率和衰减速度加快。

5 结论

通过对27台35 kV干式空心电抗器匝间绝缘过电压的现场试验研究，得到如下结论:

1)用高频脉冲振荡法在变电站现场进行干式空心电抗器的匝间绝缘检测是可行的;

2)现场试验时，应从被试电抗器的上端引入高压，下端接工作地线;应将试验设备的放电回路尽量接近被试电抗器，缩短保护地线和工作地线的长度。

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