35 kV干式空心电抗器烧毁故障原因分析及保护配置探讨

游 帅，陈仁刚，王潇洋

（国网山东省电力公司超高压公司，山东 济南 250118）

0 引言

低压电抗器通常分组装设于超高压变电站主变压器的低压侧，作用是维持无功平衡。当高压电抗器（下文简称高抗）装设容量不足或装设高抗有困难时，装设低压电抗器（下文简称低抗）可以起补足作用，按无功平衡的需要进行分组投切，运行灵活，投入低抗还可以抑制轻负荷时母线电压升高。干式空心电抗器结构简单、造价低、占地面积小，在国内500 kV 变电站中一般经专用断路器与变压器低压侧母线相连，作为无功补偿设备在电力系统中得到了广泛应用［1］。但干式空心电抗器运行年限较长后，绕组外部绝缘老化，且四周存在着强磁场产生涡流损耗，受鸟粪污物腐蚀等因素影响，匝间短路、绝缘闪络跳闸甚至烧毁的事故频繁发生［2-5］，对电网的安全稳定运行带来一定的威胁。

1 事故案例分析

1.1 事故经过

某500 kV 变电站3 号主变压器低压侧35 kV 3B电抗器2004 年投运，型号为BLGKL-20000/34.5，户外干式空心，三相水平品字形布置，额定容量为20 000 kvar，额定电压为，额定电流为1 004 A，额定电抗为19.8 Ω，投运时间已超过15 年。3B 电抗器332 断路器型号为3AQ1EG，绝缘介质为SF6，额定电压为72.5 kV，额定电流为4 000 A，额定短路开断电流50 kA，动作次数为2 000余次。

结合3 号主变压器上次计划停电，检修人员对3B 低抗进行了常规检修、绝缘电阻测量、直流电阻测量、匝间绝缘试验，结果如表1和表2所示，各项试验结果均正常。

表1 绝缘电阻测量、直流电阻试验结果

表2 匝间绝缘试验结果

某日14：08，35 kV 3B 电抗器332 开关过流Ⅱ段保护动作，332 开关跳闸，故障电流一次值2 205 A，开关跳开后，由于故障发展迅速，现场发现3B 电抗器A 相顶部冒烟着火，且火势较大。由于现场灭火需要，变电站运行值班人员紧急向调度申请将3 号主变压器由运行转为冷备用，16：15，现场明火被扑灭；18：30，将3B 电抗器转检修后，3 号主变压器恢复正常运行。

1.2 保护动作及录波分析

14：08：26.204，3B 电抗器保护动作跳闸，故障电流IA=7.35 A（二次值），过流Ⅱ段定值为5.02 A，延时0.5 s，即14：08：25.704，保护采集到故障电流已超过电流定值，进入过电流保护动作逻辑，经0.5 s 延时后，过流Ⅱ段保护动作，跳开3B 电抗器332 开关，保护动作正确。

3B 电抗器运行于500 kV 3 号主变压器低压侧35 kV 母线，主变压器低压侧只带站用变与3B 电抗器运行，由于站用变负荷电流较小可忽略，3 号主变压器低压侧电压、电流即为3B 电抗器电流、电压，此次故障时，3 号主变压器低压侧故障录波如图1 所示。由录波图可见，0 时刻以前，已经发生3B 电抗器A 相轻微短路，3 号主变压器低压侧A 相电流已经开始缓慢增大，但没有达到电抗器过流Ⅱ段保护定值，此后随短路故障越来越严重且发展非常迅速，0时刻A 相故障电流增大明显，同时由于电抗器内部导体融化纵向贯穿整个电抗器，导致A 相单相接地，由于35 kV侧为不接地系统，A相单相接地后，B、C两相电压明显升高。随着故障发展，在A 相故障电流达到过流Ⅱ段定值后，经0.5 s 延时保护动作跳开332 开关，故障切除后，3 号主变压器低压侧电压恢复正常，低压侧故障电流消失。

图1 3号主变压器低压侧录波

分析故障录波波形的主要特点有：

1）单相电抗器发生故障，即为电抗器内部匝间短路，与线路、主变压器、母线等故障情况不同，故障电流并不是立刻增大为短路电流，而是有一个缓慢增大的过程，这是由于短路绕组匝数不断增加造成的。而且整个故障过程中无零序电流，因主变压器35 kV 侧为中性点不接地系统，即使伴随单相接地也无法形成零序电流通路。

2）电抗器匝间短路故障一般都会伴随单相接地，是由于匝间短路后由于短路电流很大形成的电弧作用，导电物质融化，产生的融化物、浓烟沿风道上下扩张都会导致对绝缘子放电形成单相接地，单相接地后故障相电压基本为零，非故障电压几乎升高为线电压，同时产生较大零序电压。

3）单相接地后，35 kV 三角形接线的线电压并没有发生变化，所以加在电抗器上的电源也没有变化，因此单相接地不会对故障发展过程产生影响，图2为电抗器单相接地前后的3 号主变压器低压侧线电压，三相电压仍保持故障前的状态，三相电压相互差120°的正序关系，幅值几乎没有变化。

图2 3号主变压器低压侧线电压录波

1.3 故障原因分析

图3 为明火扑灭后的电抗器，检查发现3B 电抗器A 相内部包封、顶部防雨罩已完全烧毁，下方地面上有大量导体熔化后形成的金属膜及燃烧后的不明物质，如图4所示；A相电抗器开关侧接线板烧断，B、C相电抗器本体无异常。

图3 烧毁后的电抗器现场

图4 电抗器导体熔化物质

3B 电抗器自投运以来已超过15 年，12 月22 日经自动电压控制（Automatic Voltage Control，AVC）投切转运行状态，至故障前，已经连续运行120 h。通过检查故障现场及保护动作情况分析，判断3B 电抗器跳闸原因为：3B电抗器A相内部绝缘老化，故障初期发生少量匝间短路，随着匝间绝缘破坏积蓄能量增加，产生过热导致内部导体熔化，使匝间短路数量迅速增加，一次电流逐渐增大，当匝间短路绕组达到一数量后，一次电流折算到二次值后达到过流Ⅱ段保护动作定值后，经延时开关跳闸。由于故障发展迅速，在开关跳开前电抗器已经起火，虽然开关跳开后已切断电源，但电抗器本体仍继续燃烧，最终靠消防人员扑灭大火。

2 理论分析

2.1 匝间短路

电抗器事故发生最多的是由内部绝缘降低导致的匝间短路［6］，匝间短路一般是一相绕组部分线匝之间发生短路，如图5 所示。发生匝间短路后，故障匝中的短路电流很大，但往往反映到电抗器一次上的电流却不大，从上述3B 电抗器A 相烧毁事故故障录波中看，在整个故障过程中A 相故障电流增加程度并不大，因此达不到保护快速动作的定值，不能快速切除故障，但由于短路的线匝中故障环流很大，最终导致电抗器起火烧毁。

图5 匝间短路示意

2.2 电抗器匝间短路理论分析

主变压器低压侧35 kV母线为三角形连接方式，为中性点不接地系统，同时接于母线上的电抗器为星形连接方式且中性点也不接地。为方便分析故障，对于三相电源为三角形连接、三相负载为星形的△-Y 连接的三相电路，只要把三角形连接的对称三相电源等效变换成星形连接的对称三相电源，就可以变成Y-Y连接的对称三相电路。

转换式为：

对于电抗器来说，主变压器低压侧35 kV母线为供电电源，在电抗器整个故障过程中，电源并没有发生变化，由3 号主变压器低压侧线电压录波图中也可以得出结论。

在电抗器发生某一相内部匝间短路后，对电源来说，只是匝间短路的那一相电抗值发生了变化，因此三相负载阻抗ZA、ZB、ZC不相等，变为负载不对称的三相三线制电路，如图6所示。

图6 负载不对称的三相三线制线路

首先应用节点电压法求得负载中性点N′至电源中性点N的电压为

根据式（5）—式（7）可以作出各相负载电压的相量图，如图7所示。

图7 负载中性点位移

则三相负载上的电流分别为

因负载中性点不接地，此时三相电流满足关系

由于三相负载不对称产生的中性点位移，导致加在负载上三相电压也会发生变化，因此电抗器某相发生故障时，非故障相电流因为也会有不同程度的增加。由于三相负载阻抗不等及负载上三相电压不对称，因此三相电流也是不对称的，但由于35 kV 为中性点不接地系统，三相电流之和为零，无零序电流存在。

从理论方面分析电抗器单相故障的故障特征与实际的故障波形一致，即使在电抗器发生烧毁的严重事故时，整个故障过程中故障电流增加不大，导致现有的保护装置不能在故障初期快速动作切除故障。

3 保护配置情况

干式空心并联电抗器都是单相式结构，通常安装在户外，三相采用品字形或直列式布置。在实际的工程应用中，由于干式空心电抗器各相绕组之间发生相间故障的概率很小，在保护设计时可以不考虑电抗器的相间故障，同时也未考虑由于电抗器自身质量问题引起的匝间短路故障，且电抗器在单相接地后可正常运行，可由母线上的公用接地保护来监视，不须配置单独的接地保护，因此干式空心并联电抗器的继电保护比较简单，只设置电抗器引线相间短路的过电流保护，一般只装设电流速断和过电流保护，其整定定值按照DL/T 584—2017《3～110 kV电网继电保护装置运行整定规程》要求设置，即电流速断保护电流定值应躲过电抗器投入时的励磁涌流，一般整定为3～5 倍的额定电流，在常见运行方式下，电抗器端部引线故障时灵敏系数不小于1.3。过电流保护电流定值应可靠躲过电抗器额定电流，一般整定为1.5～2 倍额定电流，动作时间一般整定为0.5～1.0 s。

因此电抗器部分线匝之间发生短路时，故障匝中的短路电流很大，当短路匝数较少时，对于主变压器低压侧35 kV母线作为的电源来说，只是匝间短路的那一相电抗值发生了变化且变化较小，表现在相电流上的变化并不大，故障电流并不像变压器或线路故障那样产生几倍甚至几十倍额定电流的短路电流，所以低抗故障一般都是匝间短路不断发展后等到过电流保护动作切除故障，由于电流速断保护是按照引线相间短路而设置的，定值较大，一般不会达到电流速断保护的定值，而过电流保护的动作时间一般为0.5～1.0 s，所以在电抗器在保护动作前已经烧蚀或起火。

匝间短路时短路环内工频电流可达数千安，短时间内导线温度就能达到铝的熔点，引起线圈起火自焚。火灾发生后，如果不及时切断电源，电源将持续提供能量。因此，电抗器故障后切断电源的时间越短越好。

4 措施与建议

电抗器长期在室外恶劣环境下运行，加上操作过电压对电抗器造成累积性的绝缘损伤及系统电能质量的不好，造成电抗器导线绝缘性能的下降，导致绝缘层薄弱处匝间短路，形成环流引起着火事故的发生。低压电抗器作为变电站内必不可少的重要电力设备，优化保护配置，加快切除故障，同时提高设备质量，加强运行维护，是防止电抗器故障的重要手段［7-12］。

1）优化保护配置，借鉴高压电抗器匝间保护原理，研发匝间保护装置，增设电抗器匝间保护专用电压互感器，利用匝间短路专用电压互感器的零序电压作为匝间短路启动量，负序功率方向作为闭锁元件，在故障初期可快速切除故障，防止发生着火事故。

2）低压电抗器匝间短路后，一般会迅速导致单相接地，可以借鉴35 kV不接地系统小电流接地选线原理，当电抗器匝间短路发展成接地故障时，采用接地选线装置跳闸或手动断开开关对故障进行隔离。

3）选用油浸电抗器代替干式电抗器，利用其重瓦斯、压力释放等非电量进行报警或跳闸，可迅速隔离匝间短路故障，避免故障进一步发展，降低火灾发生风险。

4）改进设计工艺，优化电抗器结构，从根本上提高设备质量［13-14］，加强调匝环的制作工艺，增加调匝环内导线的绝缘强度；加强调匝用线的绝缘要求，改进绝缘层材质，导线与导电排间接触面处的绝缘改为绝缘管垫衬等措施。

5）优化检修策略，缩短低抗检修周期，结合停电重点检查线圈包封密封情况，按规程进行例行试验［15］，对比分析绝缘试验数据，及时清理电抗器气道及异物，并喷涂防污闪复合涂料。

6）加强运行维护，结合厂家产品型式，逐步更换密封性好、无缝隙的顶部防护罩，降低外界紫外线、雨水侵蚀；在低压无功设备周围装设驱鸟装置，防范鸟粪、污秽导致匝间绝缘降低。

5 结语

干式空心电抗器运行环境恶劣，同时由于产品质量问题，极易发生着火烧毁事故。另外，干式电抗器的保护配置简单，对内部短路灵敏度差，很难对其进行有效的保护，给电网安全运行带来隐患。为确保干式空心电抗器安全运行，本文从产品设计、制造工艺、保护配置及运维检修等各方面提出了优化改进措施，对工程实际具有一定的指导意义。