66kV相控电抗器烧毁故障分析

李绘妍，赵明淑，魏 晔，汤思涵，王禹霏

(国网抚顺供电公司，辽宁 抚顺 113008)

66kV相控电抗器烧毁故障分析

李绘妍，赵明淑，魏 晔，汤思涵，王禹霏

(国网抚顺供电公司，辽宁 抚顺 113008)

简述了干式空芯电抗器的结构原理和用途，以及干式空芯电抗器在运行中常见的几种故障。详细介绍了李石寨变电站66 kV SVC用相控干式空芯电抗器烧毁事故的经过，对干式空芯电抗器烧毁事故的原因进行了论证、分析，找到设计、制造过程中，由于线圈的绝缘存在质量问题，覆膜绝缘制造工艺存在先天缺陷，导致匝间短路，致使大面积烧毁。提出了为避免此类事故再次发生，应该加强出厂及交接感应耐压试验。

电抗器；漏磁；局部过热；匝间击穿；污闪

Abstract:This paper describes the dry air core reactor structural principle and purpose, while briefly dry air core reactors in operation several common faults. It says in detail the substation 66 kV SVC with phased-dry type air core reactor burn accidents through .The dry type air core reason reactors burn accidents are demonstrated, analysis and using the popular elimination.Finally it finds the design, manufacture process.Due to quality problems insulated coil, the inter-turn short circuit, resulting in a large area burned. To avoid such accident happen again, we should strengthen the factory and handover induced overvoltage with stand test.

Keywords：reactor；leakage flux；local overheating；breakdown；pollution flashover

电抗器又称电感线圈(L)，在电力系统中被广泛应用，是能在电路中起阻抗(XL)作用的电气设备。电力系统中采用的电抗器，按其绕组内有无铁芯分为铁芯式电抗器和空心式电抗器2种形式，油浸铁芯式电抗器的结构与变压器相似，主要由线圈、铁芯和油箱等部件组成,干式空芯式电抗器实质上就是一个无导磁材料的空芯线圈[1]。

干式空芯电抗器的绕组，是用聚脂薄膜绝缘的铝导线绕成的多个单层线圈，其首尾端是分别并联的。层间用聚脂薄膜或间隔放入空气气道作为绝缘或散热，实际上相邻间接近同电位，故层间绝缘较可靠[2]。绕组绕成后干燥浸渍聚脂并固化，在其上下放置类似蜘蛛网状防磁材料支架夹紧，支架下用绝缘子和撑脚固定于地面基础，基础混凝土的各钢筋间需相互绝缘，不能构成回路，以防止漏磁引起涡流损耗[3]。干式电抗器是空芯的单相结构，三相组可以叠放在一起，或水平排列或三角形排列。

由于设计和制造存在先天缺陷，近几年干式空芯电抗器事故率很高。2012年9月14日，李石寨变电站仅仅运行3天的66 kV SVC用相控干式空芯电抗器就发生烧毁事故。

1 电抗器在电力系统中的作用

电抗器在电力系统中应用很广泛，因为电力系统随着负荷的不断增大，系统的短路电流也越来越大，如果不加以限制，要保持电气设备的动态稳定和热稳定是非常困难的。为了满足某些断路器遮断容量的要求，常在出线断路器处串联电抗器，增大短路阻抗，限制短路电流；在滤波器中与电容器串联或并联用来限制电网中的谐波；还可以通过调整并联电抗器的数量来调整运行电压；另外在SVC中为保证TCR调节控制性能准确采用的相控电抗器等。

2 干式空芯电抗器常见故障及原因

2.1相间短路

由于干式空芯电抗器没有外壳遮蔽，特别是叠装结构的电抗器，由于其相间距离较近，如小动物或较大的鸟类窜入电抗器内，会造成相间短路故障，不但损坏电抗器，而且会引起主变压器跳闸，造成大面积停电。

2.2匝间短路

电抗器匝间绝缘击穿短路是引起干式空芯电抗器损坏的重要原因。由于制造工艺问题，电抗器绕组如果在某处有夹渣、毛刺等缺陷，绝缘用的聚脂薄膜就可能损坏，导致该处在运行过程中发生匝间短路，产生局部过热，在长期的热累积效应下，造成局部温度过高, 产生绝缘老化，匝间短路范围不断扩大，使得电抗器包封电流不断增大，最终造成从下至上贯穿性烧毁，铝导线被烧断，同时将引起相邻两包封的包封绝缘烧损[4]。

另外电抗器的电抗比较大，在运行时随着负荷电流的增大而发热，时间长容易导致绝缘老化引起匝间短路，在匝间短路时电抗器的相电流变化不大，但是如不及时切除，由于电抗器漏磁磁场的强烈交感作用，电弧将会危及整个线圈，造成全相短路。这时非故障相的电流达到额定电流的1.73倍，时间一长，这些线圈也会因过热发生绝缘击穿。

2.3树枝状放电

以环氧树脂固化外包绝缘的电抗器线圈，其表面的绝缘强度也不能与表面光滑均匀的瓷套相比拟，由于线圈的对地电容和匝间纵向电容的影响，电压分布并不均匀。在不均匀电场强度作用下，受到潮湿和污秽影响，电抗器表面电位梯度偏高的地方，空气将局部游离形成电晕和迅速移动的分支滑闪放电[1]。空气游离的同时将分解出臭氧和一氧化氮，这些气体与绝缘表明的水分结合而生成亚硝酸或硝酸，它腐蚀绝缘使之炭化，在绝缘表面蚀成深槽，而降低了绝缘强度。久而久之，电抗器运行时的噪声开始增大，本体开始松动，沿撑条将发生爬电，最终在电抗器的线圈表面发生树枝状放电现象，严重时可使电抗器起火烧毁。因此，除了线圈匝间绝缘烧损事故外，线圈表面树枝状放电也是导致干式空芯电抗器事故的主要原因之一。

2.4漏磁

干式空芯电抗器由于没有铁芯对磁通的规范，也不能采取磁屏蔽的措施，所以电抗器周围空间存在强大的磁场。为了避免电抗器相互间以及对临近的金属架构和接地网电磁感应造成影响，制造厂规定了彼此间应保持的距离。

漏磁的危害：在电抗器轴向位置有接地网，径向位置有设备、遮拦、构架等，都可能因金属体构成闭环造成严重的漏磁问题，对周围环境造成严重的影响。漏磁在闭环中将感应出数百安培的电流，这不仅增大电抗器的损耗，更因其建立的反向磁场同电抗器的部分绕组耦合而产生严重问题。如径向位置有闭环，将使电抗器绕组过热或局部过热。如轴向位置有闭环，将使电抗器电流增大和电位分布改变，故漏磁对电抗器的危害很大。

2.5污闪

电抗器在户外的大气条件下运行一段时间(2～3年)后，其表面会有污物沉积，同时表面喷涂的绝缘材料也会出现粉化现象，形成另一种污层。在大雾或毛毛雨时，表面的污层会受潮，导致表面泄漏电流增大，产生热量。由于电抗器的表面电场强度分布不均，在电场集中区域的水分蒸发较快，这样就造成表面部分区域出现干弧区。在干弧区的电压分布较高，会产生局部放电。随着时间的增长，电弧将发展并发生合并，在表面形成树枝状放电，当沿面树状放电贯穿两极时,形成沿表污秽闪络。

2.6温升

电抗器有些事故是由于运行中线圈某点温度高，加速了聚酯薄膜老化，使其失去绝缘性能，从而会缩短电抗器的使用寿命。造成温升的主要原因如下。

a. 温升的设计裕度取值很小，使设计值与国标规定的温升限值很接近。

b. 在制造过程中，绕制绕组时线轴的配重不够，绕制速度不均，有过快和停机现象，这样势必造成绕组松紧度不好和绕组电阻的变化。

c. 绕组的线径选择接近目标限值，则电抗器的电阻值就偏小。因为电抗器的额定电流较大，所以负载损耗增大，运行中产生的热量也可能超标。

d. 接线端子与绕组焊接处的焊接电阻是由于焊接质量的问题产生的附加电阻，该焊接电阻产生附加损耗使接线端子处温升过高。

2.7谐波

随着冶金、煤炭、化工、电气化铁路等非线性负荷不断入网运行，其在用电过程中将产生大量谐波注入电网，造成电网电能质量下降，供电设备安全运行可靠性下降，运行寿命缩短，严重时可以造成电网事故。对于电抗器来说，谐波可能造成电抗器与局域网内的容性设备共同引起谐波放大，严重时局域网甚至发生谐振，引发电抗器烧毁事故。

3 干式空芯电抗器故障实例

3.1李石寨66kVSVC用相控干式空芯电抗器参数

额定电压/频率：66 kV/50 Hz

额定电流：371 A

额定电感：237.7 mH

额定雷电冲击水平：325 kV

额定工频耐压水平：165 kV

导线材料：铝导线

绝缘等级：整体F级，匝间H级

3.2干式空芯电抗器烧毁的经过

2012年9月14日13：40：33—13：41：25，SVC的A相电流开始变化，范围是600～640 A(峰值)；13：41：26-13:42:04，A相电流继续增大范围640～680 A(峰值)。随后，电抗器的电流峰值到达1 500 A，此时SVC控制器计算得到的A相电流全波有效值达到749 A，最终引起速断保护动作。根据事故录波，当时母线电压A、B、C相没有变化，B、C相电流均在370 A左右正常运行，A、B、C相触发角正常(由于现有的电抗器保护都无法提供快速有效保护。因此，实际运行中是运行人员发现电抗器冒烟、着火后，由运行人员操作跳开断路器)。故障波形、数据如图1、图2所示。

图1 故障波形图

图2 故障数据

2012年9月15日早到达现场，经现场查看，AB相电抗器下线圈外部起火，在出线端子的部位，起火点位于第9—11包封处，中间瓷瓶有一支熏黑，对应底部瓷瓶及地面有烧融的铝氧化物，其他部位未见异常，故障照片如图3、图4所示。

图3 燃烧后熏黑的部位

图4 烧融的残渣

3.3故障原因分析

2012年9月26日，抚顺供电公司相关人员、生产厂家人员会同相关专家，对损坏电抗器进行现场解剖。解剖发现，第10包封导线已从下到上贯穿性烧毁，包封下部和上部各有一个大洞出现，有大量导线融化的金属残渣。第9和11包封也被严重波及，包封绝缘被烧毁，烧损部位焦黑一片，如图5—图7所示。

图5 第9包封烧损情况

图6 第11包封烧损情况

图7 第10包封烧损情况

3.4确定事故原因

通过翻阅事故当时记录可知，仅仅投运31 h；事故当日即2012年9月14日，天气晴朗，风速2～3级，温度18～27 ℃；从外观检查，包封绝缘的整体性完好，绝缘材料没有发生裂纹和开裂等现象；事故现场没有发现小动物的尸骸；安装地点不存在金属闭环；李石寨变电站谐波测试没有超标。为进一步确定电抗器事故原因，在厂家的配合下从2012年10月7—10日晚，历时4天对返厂的所有相控电抗器进行仔细的外观检查，同时进行非常严格的各种电气试验，试验项目包括：直流电阻试验、负载损耗试验、温升试验、红外测温试验、震荡波感应耐压试验。

依据现场调查、外观查看和试验数据，可以判断该次电抗器烧毁事故与相间短路、树枝状放电、漏磁、污闪(污闪的三要素是作用电压、污秽、潮湿)、温升和谐波等无关。此次事故的原因应该是导线本身有夹渣、毛刺；或铝线拉丝过程失误导致部分导线过细；或绕包线圈时施工人员不小心碰破覆膜绝缘(绝缘膜为电工聚酯薄膜，熔点≥256 ℃，电气强度≥190 V/μm。采用厚度为30 μm的绝缘膜，单层薄膜击穿电压≥5 700 V，采用3层半叠包工艺)。

经过综合分析，最后的结论是：由于覆膜绝缘制造工艺存在先天缺陷，导致在运行过程中发生匝间短路，产生局部过热，匝间短路范围不断扩大，最终造成贯穿性烧毁事故。

4 结论

电抗器匝间绝缘击穿短路是引起干式空芯电抗器损坏的重要原因。国家电网公司《十八项电网重大反事故措施》条文10.2.4.5提出“干式空芯电抗器出厂应进行匝间耐压试验，当设备交接时，具备条件时应进行匝间耐压试验。”又因为现有的电抗器保护无法提供快速有效的保护，实际运行中通常是运行人员发现电抗器冒烟、着火后，由运行人员操作跳开断路器。因此，通过匝间耐压试验严控电抗器制造质量，是一项行之有效的质量保障措施。需要强调的是，进行匝间耐压试验的设备必须能提供足够的匝间耐压试验能量或足够大的电压陡度。

以前，通常利用雷电冲击法进行空芯电抗器匝间耐压试验。鼓励采用震荡波法进行空芯电抗器匝间耐压试验，建议增加铝线探伤新方法，达到快速、准确、及时检查出导线损伤及其夹渣的目的，提高电抗器的运行可靠性。

[1] 王兆安，杨 君，刘进军，等. 谐波抑制和无功补偿[M]. 北京：机械工业出版社.2006:56.

[2] 蒋家久. TCR型SVC相控电抗器参数选择[J]. 大功率变流技术，2009(4)：44-48.

[3] 粟时平，刘桂英. 静止无功功率补偿技术[M]. 北京：中国电力出版社，2006:116.

[4] 郑志勤，刘劲松. 黑龙江省500 kV电网装设高、低压电抗器情况调查与分析[J]. 东北电力技术，2007，28(4)：21-23.

[5] 应 勇，赵义松. 66 kV电抗器故障引起电压互感器爆炸事故分析[J]. 东北电力技术，2011，32(7)：51-52.

Analysis of 66 kV Phase-controlled Reactor Accident

LI Huiyan，ZHAO Mingshu，WEI Ye，TANG Sihan，WANG Yufei

(State Grid Fushun Power Supply Company，Fushun，Liaoning 113008，China)

TM47

A

1004-7913(2017)07-0055-04

2017-05-20)

李绘妍(1988)，女，硕士，工程师，主要从事人力资源专业工作。