油浸式并联铁心电抗器缺陷分析及整改措施

田肖飞，孙文星，杨贤，马志钦，欧小波

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

并联电抗器可以补充容性充电功率，吸收无功功率，提高功率因数；削弱空载或轻载时长线的电容效应，稳定电网的运行电压，改善供电质量，保证线路及电站设备的可靠运行，是送变电系统中主要的电气设备之一[1-3]。目前低压并联电抗器主要采用干式空心并联电抗器和油浸式并联电抗器2种。干式空心并联电抗器结构简单，无绝缘油，价格低廉，因此在国内的应用非常广泛；另一方面，干式空心并联电抗器也存在着很大的缺点，例如占地大，漏磁大，绝缘受环境影响大易发生绝缘老化，易发生故障，缺少有效的运行监控手段等[4-7]。油浸式铁心并联电抗器虽然造价较高，但因为同变压器一样具有外壳，是在封闭的环境中运行，绝缘不受外界影响，稳定性高，不易发生故障，占地少和漏磁小，可通过油化分析、压力监测等方式对电抗器进行监控[8-13]，逐渐显示出较大的优势。

日本生产的油浸式铁心并联电抗器主要为“一”字型铁心结构，国内大部分厂家生产的油浸式铁心并联电抗器也为“一”字型铁心结构。相比于“一”字型的结构，“品”字型铁心结构具有节约原材料、体积更小的优势，因此值得推广应用。图1为“品”字型油浸式铁心并联电抗器的外形，其铁心结构如图2所示，电抗器内部结构如图3所示。

图1 油浸铁心电抗器外形Fig.1 Configuration of oil-immersed shunt iron core reactor

图2 “品”字形铁心结构Fig.2 Structure of “pin” type core图3 电抗器内部结构Fig.3 Internal structure of oil-immersed reactor

目前“品”字型铁心结构的油浸式铁心并联电抗 器产品尚不成熟，未大范围推广使用，缺乏运维数 据及经验的累积。为此，广东电网首次应用“品”字 型大容量油浸式铁心并联电抗器，但投运后发现了 该类型电抗器的一些集中缺陷，针对这些集中缺 陷，本文进行了原因分析和提出了整改措施，在整 改完成后重新投运，运行结果验证了整改措施的有 效性，对“品”字型大容量油浸式铁心并联电抗器的 推广应用具有重要意义。

1 缺陷概况

在运某4台“品”字型大容量油浸式并联铁心电抗器自2015年投运以来不但存在过热缺陷，还存在噪声大、振动大的问题，严重影响了500 kV主变压器的安全运行和整个电网的稳定运行。

1.1 过热缺陷概况

某500 kV变电站4台35 kV油浸式并联铁心电抗器(2号母线W2的1号、2号电抗器与4号母线W4的1号、2号电抗器)于2015年11月底投运。2015年12月初对这4台油浸式并联电抗器取油样进行色谱试验，W4 的1号电抗器油中乙炔体积分数为6.09 μL/L，W2 的1号电抗器油中乙炔体积分数为0.16 μL/L，另外2台试验结果合格。结合厂家的意见，于2015年12月底对压紧铁心的固定铁件进行拆除处理，消除铁心多点接地情况。电抗器投运2天后重新取油样进行分析，试验结果显示4号母线1号电抗器油样中总烃的体积分数为1 162.09 μL/L、氢气的体积分数为318.16 μL/L、乙炔的体积分数为7.65 μL/L，严重超标，总烃、氢气的体积分数与处理前的试验数据相比增长了1倍。油中溶解气体故障诊断[14-19]结果表明W4的1号电抗器存在低能量放电兼过热故障。

1.2 噪声异常缺陷概况

某500 kV变电站2台油浸式并联铁心电抗器在投运后存在电抗器震动剧烈的问题，特别是油箱右侧的散热器支撑母管以及其他附件，电抗器周围噪声值为85.7 dB，超过80 dB。

2 缺陷原因分析

对油浸式铁心并联电抗器的故障原因进一步分析，将故障电抗器进行返厂解体检查。

2.1 过热缺陷原因分析

2.1.1油化试验分析

厂家对W4的1号电抗器油进行油化分析，试验结果见表1。

表1W41号电抗器油中气体分析数据Tab.1DGAdataofW4NO.1reactorμL/L

氢甲烷乙烷乙烯乙炔一氧化碳二氧化碳总烃240.07580.86127.98658.278.45823011 375.56

2.1.2 吊罩检查

2.1.2.1 检查项目

吊罩检查项目见表2。

表2 W4 1号电抗器吊罩检查项目Tab.2 Inspection items of W4 NO.1 reactor hanging cover

2.1.2.2 检查结果分析

油浸式铁心电抗器接地系统如图4所示。将整体接地，利用底架与油箱底部定位螺杆(如图5所示)接触进行接地，检查发现铁心(及夹件)存在接地不可靠现象，在电抗器运行过程中，铁心易出现悬浮电位产生放电，导致乙炔含量过高，需要对整个铁心接地系统进行改进。

图4 电抗器内部的接地结构Fig.4 Grounding structure of reactor internals

图5 铁心通过定位螺杆与油箱底的接触进行接地Fig.5 Grounding of iron core by connecting set bolts with bottom of tank

在拆除铁心中心拉杆之前，对铁轭上部接地引线与油箱之间的绝缘电阻进行测量，结果为0。测量如图4中所示的绝缘隔离的中心拉杆，发现两者之间的绝缘电阻为0，形成了电流流通回路。在电抗器运行过程中，在交变电磁场的作用下产生环流，导致局部过热并产生相应的特征气体。

在拆除铁心中心拉杆之后，对上、下夹件与铁轭之间的绝缘电阻进行了测量，所得结果见表3。

表3 绝缘电阻的测量结果
Tab.3 Measurement results of insulation resistance

检查项目测量值/MΩ下铁轭-上夹件2 800上铁轭-上夹件280上铁轭-下铁轭3 500下铁轭-下夹件(未分离)2.30上铁轭-下夹件300上夹件-下夹件2 300

从表3可看到，下夹件与下铁轭之间的绝缘电阻为2.3 MΩ，结果异常。对底架和下铁轭进行分离处理后，两者之间的绝缘电阻恢复正常，可判断两者之间的绝缘比较薄弱。

2.2 噪声过大缺陷原因分析

油浸式并联铁心电抗器本体结构与油浸式变压器类似，但铁心电抗器与变压器在铁心结构、压紧结构、运行方式等方面与变压器有本质的区别，使得铁心电抗器的运行状况与变压器相比更为复杂。

铁心电抗器铁心由分段的铁心饼和气隙叠装而成。由于增加了分段气隙，电抗器铁心的漏磁通比变压器大很多，可达到总磁通的30%，是常规变压器漏磁通比例的数十倍，而高比例的漏磁通会导致铁心的剧烈震动，并产生噪音。

另外，铁心由分段的铁心饼组成，在工频交流电的作用下，铁心饼之间会产生电源频率相近电磁力，同时铁心激磁使得铁心硅钢片产生磁滞伸缩。磁滞伸缩和电磁力也会导致铁芯的振动，并产生噪声。铁心电抗器因漏磁较大，在油箱壁上装设了磁屏蔽，也会引起油箱磁屏蔽和油箱的振动，并产生噪声。

铁心电抗器线圈的导线在漏磁通产生的漏磁场的作用下也会产生电磁力，引起振动和噪声。综上所述，由于铁心电抗器特有的结构特点，导致其运行时产生的噪声和振动相比同等级的变压器而言要大很多，因此对于噪声和振动的控制成了衡量铁心电抗器制造水平的重要标准。

从上述分析来看，该型大容量油浸铁心并联电抗器在设计与制造时对振动的控制不足是缺陷的主要原因。

3 整改措施

3.1 针对过热缺陷的整改措施

根据油化分析和吊罩检查结果，问题集中在铁心(及夹件)接地不良；铁心(及夹件)与铁心中心拉杆之间存在环流；夹件与铁轭之间绝缘不良。针对上述问题提出以下处理方案。

3.1.1 接地不良的整改措施

a)改进接地系统，将铁芯与夹件分别在油箱盖上通过10 kV接地套管引出，并通过瓷支柱绝缘子引下；

b)接地引线改用50 mm2软铜线；

c)油箱盖与油箱壁进行短接处理，防止出现“打火”现象；

d)在油箱盖上低压侧加装2个10 kV接地套管，在油箱壁上焊接小支架，通过瓷支柱绝缘子将黄绿接地线引到油箱下部，并使用标识区分夹件与铁心；

e)铁心底架与油箱底全部绝缘处理，δ5电工绝缘纸板3件，铺设前对其进行干燥、浸油处理；

f)减小油箱底定位钉外径，由现在的56 mm修改为45 mm，加装5 mm厚的绝缘角环，安装前对其进行干燥、浸油处理。

绝缘角环、绝缘纸板、减震垫的安装顺序如图6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)(按abcde顺序安装)所示，装配完成如图7所示。记录定位螺杆与绝缘角环、绝缘纸板之间的绝缘阻值(绝缘电阻大于200 MΩ)。电抗器铁轭与夹件之间的绝缘整改如图8所示。

图6 绝缘角环、绝缘纸板、减震垫的安装顺序Fig.6 Erection sequence of insulation angled ring, insulating cardboard and shock pad

图7 绝缘角环、绝缘纸板、减震垫安装完成图Fig.7 Finished installation of insulation angled ring, insulating cardboard and shock pad

3.1.2 针对环流的整改措施

中心拉杆穿越铁轭部分(轭高417 mm)进行切削处理，切削厚度小于2 mm。切削部分包1 mm绝缘。3根中心拉杆和下底架安装完毕后，然后分别测量3根中心拉杆对上铁轭、夹件、下铁轭的绝缘(绝缘电阻大于200 MΩ)。

3.1.3 夹件与铁轭间绝缘不良的整改措施

将图4中下铁轭和下夹件以及上铁轭和上夹件之间的绝缘更换为δ10电工绝缘纸板，如图8(a)、(b)所示。在中心拉杆穿越铁轭部分增加绝缘纸管，保证两者之间的完全隔离，该位置的绝缘纸管安装后不能脱落。δ10电工绝缘纸板进行干燥、浸油处理后，下铁轭和底架之间用千斤顶将下夹件复位，测量两者之间的绝缘(绝缘电阻大于200 MΩ)。改进后的铁心接地结构如图9所示。

图8 电抗器铁轭与夹件之间的绝缘整改示意Fig.8 Rectification of insulation between yoke and yoke clamping

图9 改进后的铁心接地结构Fig.9 Improved grounding structure of iron core

3.2 针对噪声过大的整改措施

3.2.1 油浸式并联铁心电抗器建模仿真计算改进

为改进油浸式并联铁心电抗器设计，使用ANSYS Maxwell进行电磁仿真，对电感、漏磁场、电磁力、线圈涡流损耗等进行了核算，为优化设计提供理论支持。

油浸式并联铁心电抗器结构复杂，为提高仿真效率，对线圈及铁心的模型进行简化，并忽略磁屏蔽、金属件、油箱等的影响，图10(a)、(b)分别为油浸式并联铁心电抗器的立体三维结构和简化模型。

图10 油浸式并联铁心电抗器结构Fig.10 Structure of oil-immersed shunt iron core reactor

在静态场下，根据磁场储能计算公式，电感储存的能量

(1)

式中：L为电感；I为流过的电流；B为磁感应强度；H为磁场强度；dΩ为体积元。

经计算，三相电感值及与额定电感(64.75 mH)偏差见表4。

表4 三相电感值及偏差值
Tab.4 Three-phase inductance values and deviation values

相位磁场储能/J电感/mH偏差/%A64 195.465.50+1.16B16 065.865.57+1.27C16 068.165.58+1.28

结果偏差在合理范围之内，验证了所建模型的正确性。

图11为油浸式并联铁心电抗器整体磁通密度矢量图，磁通在3个铁心柱中流通；图12为A柱铁心饼磁密分布云图，经计算，铁饼截面磁通量-0.37 Wb，铁饼平均磁通密度为1.31 T，与电磁计算值相符。

图11 三维仿真磁通密度矢量图Fig.11 3D simulation model of magnetic flux density

图12 A柱铁心饼磁通密度矢量图Fig.12 3D simulation model of phase A’s iron core

然后采用虚位移方法对电磁力进行求解。经典虚位移法用差商代替微商，通过计算虚位移时的变化确定电磁力

(2)

静磁场仿真铁饼表面电磁力矢量图如图13所示。

图13 铁饼表面电磁力矢量图Fig.13 3D simulation model of electromagnetic force on surface of iron core

经计算，铁饼表面电磁力为201.52 N/m2，与公式计算的194.52 kN/m2偏差+3.6%；线圈表面电磁力轴向10.31 kN/m2，径向0.84 kN。

3.2.2 油浸式并联铁心电抗器结构和工艺改进

针对油浸式并联铁心电抗器噪声过大的缺陷，提出了以下若干整改措施和工艺改进方式：

a)核算铁心饼电磁力，在铁心装配时给予数倍电磁力的压力，对铁心柱进行压紧；

b)对于三相铁心饼进行垂直度和平整度测试，保证三相铁心柱垂直和水平面平整度，保证铁轭与铁心柱的压紧贴实；

c)在铁心装配完成后，采用液压装置进行压紧，保证三相铁心压紧程度一致；

图14 声级测定结果Fig.14 Test results of sound levels

d)在铁心压紧结构中设置防松止退装置，防止运行中压紧螺杆的松退；

e)在器身结构中设置减震垫，改变器身的共振频率，降低噪声；

f)在磁屏蔽与油箱固定处设置紧固装置，将磁屏蔽与油箱壁固定为一体结构，减少磁屏蔽振动和噪声；

g)线圈结构改为连续饼式线圈结构，能够保证线圈的均匀压紧，降低线圈部分导致的噪声和振动；

h)降低油浸式并联铁心电抗器运行时铁心的磁通密度，减少硅钢片的磁滞伸缩引起的铁芯振动；

i)在电抗器与水泥基础之间设置减震橡胶，改变电抗器与水泥基础之间的共振频率，增大噪声与振动的阻尼效果。

在整改后对油浸式并联铁心电抗器进行了噪声测试。按照国家标准，电抗器的声级测定按变压器声级测定的标准进行[20]。采用声压级测量方式，轮廓线应距绕组表面2 m，规定轮廓线应位于绕组高度1/2的水平面上。试验过程中考虑到不希望出现的试验室边界和试品附近的物体产生的声反射的影响，首先计算环境修正系数K[21]，即

(3)

式中：S为试验室吸声面积；A为测量表面积。

(4)

式中：N为测量点总数；LpAi为第i个测量点上测出的声压级。

(5)

式中：M为测量点总数；LbgAi为在第i个测量点上测出的背景噪声声压级。

最后，通过下式计算出修正的平均声压级：

(6)

在本次进行声级测量时，布点方式根据标准要求，对试品按照图14所示的布点方式设置测量点。

经计算，整改后油浸式并联铁心电抗器修正A计权表面声压级为78.2 dB，已经降到80 dB以下，结果合格。

4 结论

通过油化分析及吊罩检查可以判断油浸式并联铁心电抗器铁心(及夹件)接地不可靠、运行中铁心(及夹件)易形成环流导致过热故障的原因如下：铁心接地不可靠；绝缘隔离的中心拉杆两者之间绝缘电阻为0，形成了电流流通回路；底架和下铁轭之间的绝缘电阻无穷大，两者之间的绝缘存在问题，最终导致电抗器出现过热及放电现象。通过仿真分析及解体检查可以判断油浸式并联铁心电抗器噪声过大的原因为油浸式并联铁心电抗器结构设计不合理，导致运行时电抗器对振动的控制不足。以上分析说明该型电抗器在设计上存在缺陷，这将导致此类油浸式并联铁心电抗器出现连续集中缺陷。针对该型电抗器缺陷的原因分析，本文提出了相应的整改措施：修改同类油浸式并联铁心电抗器的结构设计，并提高工艺制造。