干式并联电抗器频繁击穿原因分析

朱文兵，师伟，朱孟兆，朱庆东

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

真空断路器具有低噪声、占地少、维护量少、高可靠性、检修频率低、使用时间长等优点，在国内外已成为35 kV 及以下电压等级中的主流断路器。真空断路器的灭弧能力非常强，造成灭弧时存在截流现象，导致真空断路器切除并联电抗器时会引发截流过电压。如果设备参数匹配不当，截流过电压会达到很高的水平，甚至会在断路器开断时发生重燃或复燃现象，引起并联电抗器、母线上产生很高的过电压，导致运行设备的绝缘击穿引发事故［1-2］。

作为无功调节装置，运行中电抗器需要经常被投切，过电压问题在开合并联电抗器组时会表现得极其严重。以某安装并联电抗器的变电站为例，该变电站曾多次发生由于真空断路器开合并联电抗器产生操作过电压并导致设备烧毁的事故。实际测试了真空断路器开合并联电抗器时产生的操作过电压，并分析了并联电抗器绝缘击穿原因，提出更换SF6断路器的措施，有效避免了事故的发生，为后续处理类似问题提供参考。

1 概况

2015 年10 月至2018 年4 月，该站4 组35 kV并联电抗器陆续发生故障，故障现象均为在投入后数秒内发生故障，引起断路器过流Ⅰ段保护动作。

2 检查情况

图1—图4 为电抗器故障损坏情况。根据现场检查情况可以看出，几组电抗器故障现象基本类似，均为绕组首端或尾端对地电位的铁芯或夹件产生沿面闪络，造成铁芯、夹件及绕组表面大面积污染。

图1 甲Ⅰ电抗器故障情况

图2 甲Ⅱ电抗器故障情况

图3 乙Ⅰ电抗器故障情况

图4 乙Ⅱ电抗器故障情况

对检查情况进行分析，造成多台电抗器连续发生闪络的原因可能有［3］：

1）设备存在设计或制造缺陷，导致设备绝缘不良，在运行电压下发生击穿。将其中一台电抗器返厂维修后，重新进行全部型式试验及例行试验，试验结果均为合格。同时，该型号电抗器属于成熟设计，在其他变电站运行情况良好，但在该站却连续发生多次电抗器击穿情况，初步排除设计或制造质量不良原因。

2）系统存在过电压，过电压超出电抗器绝缘耐受水平导致电抗器击穿。根据故障情况分析，电抗器故障均发生在投入后数秒内，说明电抗器在合闸或上次分闸期间产生过电压损伤绝缘的可能性较大。

3 过电压测试情况

为验证电抗器投切期间是否存在过电压，现场用断路器对更换后的甲Ⅰ电抗器进行了5 次投切操作，同时开展过电压测试。实测到C 相断路器出现5次弹跳和4 次重燃现象。

在5 次合闸过程中，C 相断路器均出现弹跳现象，产生了较高的过电压，如图5 所示。合闸过电压波形放大后如图6 所示。

在5 次分闸过程中，有4 次分闸时C 相断路器出现重燃现象，产生了较高的过电压，如图7 所示。分闸过电压波形放大后如图8 所示。

图5 合闸时弹跳过电压波形

图6 合闸时弹跳过电压放大波形

图7 分闸时重燃过电压波形

图8 分闸时重燃过电压放大波形

表1 给出了5 次投切电抗器过程中实测的电抗器侧相对地过电压数据。由表1 可以看出，电抗器C相多次出现幅值较大的过电压，合闸时相对地过电压最大幅值为211 kV，达到基准电压kV 的约6.4 倍，分闸时相对地过电压最大幅值为201 kV，达到基准电压的约6.1 倍，远远超过GB／T 50064—2014 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中规定的4.0 倍。均超出电抗器冲击耐受电压185 kV 的绝缘水平。

在0～2 mm区域，SMILE组在中间层手术前后差异界于临界值（Z=-1.956，P=0.051），其余层次和范围术后角膜光密度均比术前小，差异均具有统计学意义（均P＜0.05），见表1。

表1 投切电抗器时电抗器侧相对地过电压倍数

4 故障原因分析

4.1 过电压产生原因

真空断路器合闸过程中，会产生动触头与静触头接触后被反作用力推开，然后再接触又被推开的弹跳现象，造成断口的电弧发生重燃、截流现象，回路中产生高频的电磁振荡，产生过电压。分闸过程中，瞬态恢复电压上升速度超过断口绝缘强度恢复速度时，动、静触头间绝缘被击穿，电弧再次产生，出现重燃（重击穿）现象，并在重燃相上产生重燃过电压。

从测试结果可以看出，甲I 电抗器在合闸和分闸过程中均出现幅值较大的过电压。

4.2 保护措施作用分析

避雷器是最常用的过电压保护方法。该变电站采用避雷器星形接线方式，由于干式空心并联电抗产生的投切过电压为振荡电压波形，振荡频率非常高，造成避雷器保护高频响应效果较差［4-5］。

4.3 电抗器击穿原因分析

由于电抗器在投切过程中均产生了幅值较大的过电压，该电压已远超出电抗器冲击耐受电压185 kV的绝缘水平。在多次过电压的累积作用下，最终导致电抗器绝缘击穿。

5 处理措施

为限制真空断路器投切过程中的过电压，目前一般有2 种措施：

1）加装阻容吸收器。通过加装阻容吸收器，可以改变高频振荡回路，抑制过电压的产生。但由于阻容吸收器运行过程中故障率较高，目前已经很少采用。

2）更换断路器。选用截流值低的SF6断路器，可彻底避免因为截流、重燃等产生的操作过电压问题。

现场将真空断路器更换为SF6断路器，运行至今一切正常，有效避免了事故的发生。

6 结语

投切过电压测试结果表明用于投切干式电抗器的真空断路器在合闸和分闸过程中均会产生幅值较高的过电压，该过电压可能会超过电抗器的绝缘水平。

将真空断路器更换为SF6断路器可以有效地降低投切过程中的过电压，建议对于电抗器投切均采用SF6断路器。