干式空心电抗器烧损故障分析

楚金伟, 陈伟民, 张良, 张晋寅, 周海滨

(中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东 广州510663)



干式空心电抗器烧损故障分析

楚金伟, 陈伟民, 张良, 张晋寅, 周海滨

(中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东 广州510663)

针对某500 kV变电站在一个月内连续发生两次35 kV干式空心电抗器烧损故障的问题(出现故障的电抗器将被迫停运检修，影响到电力系统的无功功率的调节)，通过多方面的分析，认为连续发生故障的电抗器存在绝缘薄弱点，在长期运行中受到热老化和操作过电压等综合因素的影响，演化为局部缺陷，并发展成匝间绝缘短路故障而导致电抗器本体起火烧损。建议从干式空心电抗器寿命周期的首尾两个节点采取管控措施，以提高其运行维护质量。

干式空心电抗器；解体分析；匝间绝缘试验；分层电流测试；温升试验；管控措施

干式空心电抗器由线圈、金属结构件和支柱绝缘子组成一个整体。根据电抗器的容量大小，将其线圈做成若干个内外并联的包封，并在每个包封间用玻璃丝制通风道撑条进行分隔，形成散热气道，并保证良好的散热特性。线圈顶部或底部构架上绕制调匝环，以调节电抗器电流密度，令实际数值与设计数值保持基本一致。在电抗器外表面，通常使用绝缘漆来增加外绝缘强度，大部分设备还采用室温硫化硅橡胶 (room temperature vulcanized silicone rubber，RTV)喷涂以抵挡紫外线对绝缘的破坏[1-5]。

干式空心电抗器结构特殊，大多数故障都是由电抗器外包封开裂，引起内部匝绝缘受损所至[6-10]，一般的常规预试很难发现电抗器内部绝缘缺陷及发展趋势，即使历年预试维护定检情况均为正常，并不能说明其内部绝缘保持完好，微小绝缘缺陷可能处于发展状态，存在着安全隐患。

为了加强该类设备的运维管理，有必要通过解体检查及相应试验来进一步查明故障原因，遏制类似缺陷故障的再次发生，保障电力系统的安全运行。

1　事故案例

在天气无雨、电网运行正常的情况下，某500 kV变电站35 kV干式空心电抗器的V相、W相在一个月内连续发生两次烧损故障，导致电抗器保护电流Ⅱ段母线动作跳闸。现场检查，发现故障电抗器V相7～8号层之间内部线圈明显烧损，W相7～10号层之间内部线圈出现烧损痕迹，如图1所示。

图1　故障电抗器烧损情况

2　解体检查

发生故障的电抗器共有14个包封，每个包封有多层导线，每层由3根轴向平行、线规相同的三层聚酯薄膜包绕导线并联绕制上百匝，且线圈外部均匀缠绕环氧玻璃丝。具体参数见表1。

表1电抗器设计参数

参数名称设计值额定相电压/kV34.5/3最高电压/kV40.5额定电流/A1004单相额定容量/Mvar20额定电抗/Ω19.8额定频率/Hz50匝间绝缘耐热等级薄膜B级,环氧F级整体绝缘耐热等级F级

第一起故障中，电抗器V相没有发生明显燃烧现象，拆解检查后，发现电抗器7号包封外侧端部有多点铝渣喷溅后的凝固物,如图2所示。

图2　V相7号包封外部铝渣凝固点

图3　V相8号包封内部炸裂喷口

与之相对的8号包封线圈端部内侧有多点炸裂喷口，剥开包封后发现有长约100 cm、宽约9 cm的铝绕组烧蚀熔断区域，距离电抗器顶端约15 cm，如图3所示。该区域的包封出现喷口将烧融的铝喷出，在7号包封外表面上留下了大量熔融铝的化合物和黑色烟熏痕迹。确定8号包封内部为起始故障包封，其上部距离顶端15 cm处烧蚀熔断最严重，对应包封上的喷口最大。

第二起故障中，电抗器W相的调匝线圈出现烧蚀并熔断，与调匝线圈熔断点对应位置的包封存在明显烧蚀痕迹。将该台电抗器从外向内的包封锯开后，在8号包封端部发现贯穿性方形孔洞，其外形尺寸约14 cm×14 cm，如图4所示，表明该处故障部位出现了较大的过火面积。

图4　W相8号包封烧蚀贯穿孔洞

检查后还发现该电抗器W相的7号、8号、9号包封气道内有较多的熔融铝渣凝固物，其余包封气道内也有不同程度的熏黑现象。确定8号包封内部为起始故障包封，并引发了相邻包封出现连带烧蚀、烧穿现象。

根据解体检查情况，2台电抗器的故障起始点均位于8号包封上端，从设计结构分析，该包封位于电抗器的中间位置，散热条件较差，热空气沿着各个包封气道对流向上，使包封上端的温度最高。干式电抗器需要通过大气形成磁回路，在电抗器端部的磁漏较大，导致各部位承受的截流过电压分布不均，使电抗器端部的绝缘薄弱点更容易受到热和操作过电压的共同作用而被劣化击穿。

3　试验验证

3.1导线匝间绝缘测试

为进一步跟踪电抗器多年运行之后的匝间绝缘老化程度，在两相故障电抗器拆解检查完成后，取解体电抗器的完好包封，在上、中、下绕组处各取4匝导线进行击穿电压试验，测量导线与相邻导线(匝间、层间)的工频击穿电压，试验接线如图5所示。

图5　温升试验接线

测试结果：最大、最小击穿电压分别为 19 kV、10 kV；各处平均击穿电压为 16.3 kV，在15～18 kV的区域范围之内，电抗器正常运行工况下的匝间电压不大于200 V，表明干式空心电抗器未烧毁部分的匝间绝缘电气强度远高于运行时匝间电压，认为故障电抗器并未出现整体老化，发生短路故障是由于局部缺陷或者存在明显绝缘薄弱点。

3.2温升试验

为考核该批次故障电抗器的温升设计是否满足标准要求，选取了某一相干式空心电抗器，施加20 A的总电流，对每一个并绕线圈的电流进行测量，发现该相电抗器11号包封电流超过设计电流值的14%，超过了厂家控制值的10%要求，表明电抗器的设计状况与实际情况有一定偏差, 选取该包封，增加测温探头，进行温升试验，如图6所示。

图6　温升试验现场

参照GB/T 1094.6—2011《电力变压器 第6部分：电抗器》[11]，在温升测试前测量电抗器的上部温度和底部温度差值为7.5 K。随后施加23.4 kV电压，电流达到1.16 kA，频率为50 Hz，持续加压7 h后温度稳定，继续稳定2.5 h后进行温升测量，所得结果如图7所示。

图7　温升试验曲线趋势

电抗器包封位置和电抗器分层电流偏差均对包封温升有影响，越位于中间位置的包封，其温度越高；分层电流正偏差越大的部位，其温升越高。

参照直流电阻不同温度下的换算公式

(1)

则试验中绕组的温升为

(2)

式(1)和式(2)中：R1、R2分别为温度t1、t2下的直流电阻值；T为电阻温度常数，干式空心电抗器使用的铝导线取T=225。

现场测量初始环境温度为17 ℃，对应的冷态直流电阻值为37.30 mΩ，可根据图7中多组直流电阻测量值进行计算，绕组的平均温升小于45 K，满足国标B级及以上绝缘的温升要求和技术规范书要求，但大于厂家的内部控制值43 K，说明生产工艺的控制存在不足。

11号包封处的测温探头在最终环境温度18.3 ℃下测得包封表面最热点温度为81.4 ℃，温升达到了63.1 K，位于11号包封的距离上端部15 cm处，与分层电流测试的结果一致。

4　故障原因分析

4.1原因分析

引起匝间短路的原因主要有4个方面：电抗器开裂受潮；外绝缘爬电；匝间绝缘整体劣化；匝间绝缘局部存在缺陷。通过解体分析、厂家资料检查、匝间绝缘耐压试验、温升试验等方面工作得出以下结论：

a) 2台故障电抗器均配置防雨罩，包封开裂受潮的可能性较小，可排除开裂受潮的影响。

b) 检查电抗器各包封表面后，未发现树枝放电或滑闪痕迹，表明故障电抗器未发生外绝缘闪络，可排除外绝缘爬电的影响。

c) 检查烧蚀区域的包封裂纹较新，判定为故障高温所形成。除烧蚀区域外，各包封其他部位外观较好，引拔棒压痕处颜色正常，无环流、过热迹象。对故障电抗器完好的包封导线匝间进行工频击穿电压测试，击穿电压均大于厂家内部控制值，可排除电抗器运行过程中发生整体过热劣化的情况。

4.2试验结果分析

温升试验结果说明电抗器的平均温升和热点温升满足B级绝缘的要求，说明该批次产品基于其设计参数的要求不存在明显问题，但要特别指出的是该产品于2011年生产，对应的薄膜绝缘耐热等级为B级要求(对应温度值130 ℃)，已不能满足现行运行的要求。查询中国南方电网有限责任公司于2015年重新修订的技术规范书，薄膜绝缘耐热等级应达到H级(对应温度值180 ℃)，远远高于早期设计的技术参数选用标准，即在干式电抗器整体绝缘耐热等级仍然为F级(对应温度值155 ℃)的要求时，原先设计、生产的B级薄膜可视为设备本体的绝缘薄弱点。在长期运行后，这些绝缘薄弱点在正常热老化、电动力和操作过电压冲击等综合因素的累积作用下，演化为局部缺陷，并进一步扩大，最终造成匝间绝缘击穿。根据现场情况，两起电抗器故障均发生在投切之后的较短时间内，电抗器投切过程的过电压是造成匝间短路的直接原因。由于投切过电压一般不超过5倍的峰值运行电压，因此可认为电抗器被投切过电压击穿前，局部缺陷的绝缘性能已经严重劣化，与推论分析一致。

电抗器V相发生第一次故障时，三相电抗器处于不对称运行的工况，对U、W相电抗器造成冲击，在一定程度上导致W相电抗器绝缘缺陷部位加速损伤。在之后的投切过程中绝缘薄弱点被击穿，造成匝间短路，促使在短时间内发生第二次故障。

5　前期工作建议

结合故障电抗器的资料核查、解体分析、同批次产品的温升试验和匝间绝缘材料选用和绝缘等级评价等工作的分析，认为此次发现连续故障的电抗器在出厂时就存在绝缘薄弱点，并在长期运行中受到热老化、机械力和操作过电压等综合因素的影响，演化为局部缺陷，并进一步发展成匝间绝缘短路故障，形成环流，产生的热量使电抗器起火烧损。

由于干式电抗器的结构特点，一旦发生匝间绝缘短路故障，缺陷状况不可被修复，应视为设备寿命周期结束。为提高该类设备的运行维护质量，建议从其寿命周期的前期(招标和监造)和后期(发生匝间短路故障时刻)首尾两个节点采取管控措施。针对尚未入网的干式空心电抗器，建议在前期把控好以下3点：

a) 应要求厂家随设备提供式空心电抗器匝间绝缘结构的热老化试验报告。

b) 在招标技术规范书中明确电抗器采用的绝缘结构和薄膜材料的耐热等级，建议最少采用一层聚酰亚胺薄膜，结合监造工作，检查设备所用材料和采用的结构是否满足要求。

c) 在现有出厂试验报告的基础上，增加调匝后的电抗器分层电流测试。

6　后期工作建议

针对在运行的干式空心电抗器，尤其是早期设计、生产的薄膜绝缘耐热等级仅达到B级要求的设备，其特殊的结构型式而无法开展技术改造。因此，建议在后期开展以下工作：

a) 外观检查。检查有无断线；检查调匝环外观是否完好，接线处是否牢固无异常，环与铝排接触处是否有磨损的痕迹。如发现外绝缘老化，应将老化绝缘层清理干净，重新喷涂 RTV 胶或防紫外线漆。如发现断线修复，应安排专业氩弧焊焊工现场焊接修复，焊接后复测直流电阻，合格后再投运。

b) 运行温度测量。干式电抗器每次投切后的两个小时内加强巡视和温度检测。如发现温升异常,对于线包温升过高的产品，开展直流电阻测量、电感测量、外观检查等；对于调匝环温升过高的产品，应重新制作调匝环。

c) 直流电阻测试。 测试值与现场交接值或预试值对比，如三相不平衡度超过2%，应作进一步检查。测量时应避免周围带电设备对测量产生干扰。

d) 噪声检查。噪声检查作为日常巡检项目，利用分贝仪判断声音是否均匀；是否有高频噪声。如发现设备噪声异常，应安排停电作进一步检查。

e) 绝缘过电压试验。在运行的干式空心电抗器还可以结合停电检修间隙，电抗器按出厂试验电压的80%进行匝间绝缘过电压试验，提前发现绝缘缺陷。

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[11] GB/T 1094.6—2011，电力变压器 第6部分：电抗器[S].

陈伟民(1987), 男, 湖北宜昌人。工程师, 工学硕士, 主要从事一次设备缺陷分析工作。

张良(1981), 男, 黑龙江漠河人。工程师, 工学硕士, 主要从事高压线圈类设备技术监督工作。

(编辑王夏慧)

Analysis on Burning Fault of Dry Air-core Reactor

CHU Jinwei, CHEN Weimin, ZHANG Liang, ZHANG Jinyin, ZHOU Haibin

(M & T Center of EHV Power Transmission Company of CSG, Guangzhou, Guangdong 510663, China)

In allusion to problems of twice burning faults of 35 kV dry air-core reactor in one month in 500 kV substation which causes forced shut-down and maintenance of the faulted reactor and affects reactive power regulation of the power system, this paper carries out extensive research analysis and considers there are weak points of insulation in the faulted reactor which may be evolved to partial defects by influence of some comprehensive factors such as thermal aging and switching over-voltage in long-term running, and finally develop into turn-to-turn insulation short-circuit faults causing burning faults. It suggests to adopt control measures in the beginning and the end nodes of life cycle of dry air-core reactor so as to improve operational maintenance qualities.

dry air-core reactor; disassembling analysis; turn-to-turn insulation test; stratified current test; temperature rise test; control measure

2015-12-14

2016-03-03

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.07.023

TM477

B

1007-290X(2016)07-0117-05

楚金伟(1981)，男，河北衡水人。高级工程师，工学硕士，主要从事高电压技术研究及技术监督工作。