35kV干式空心并聯(lián)電抗器故障簡析

引言

隨著電網(wǎng)逐步發(fā)展,人們對電網(wǎng)供電可靠性及功率因數(shù)的要求越來越高,而并聯(lián)電抗器能夠提供感抗用于抵消輸電線路剩余的容性無功功率,從而有效提高功率因數(shù),因此并聯(lián)電抗器在500kV變電站無功補(bǔ)償裝置中占據(jù)著重要地位。

干式空心并聯(lián)電抗器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行維護(hù)成本低、性價比高等顯著優(yōu)點(diǎn),在500kV變電站無功補(bǔ)償裝置中被廣泛使用。近年來,匝間短路造成干式空心電抗器燒損的故障頻發(fā),已經(jīng)威脅到電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

同時,根據(jù)紅河電網(wǎng)對干式空心并聯(lián)電抗器運(yùn)行情況的分析顯示,誘發(fā)干式空心電抗器故障的主要原因是制造工藝差,絕緣材料耐熱等級低,尤其干式空心并聯(lián)電抗器斷股的情況需重點(diǎn)關(guān)注。

1干式空心并聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)

干式空心并聯(lián)電抗器線圈選用截面積較小的鋁導(dǎo)線立式繞制,繞制鋁線呈平行結(jié)構(gòu),多股鋁線疊加后最終繞制成多層同心式筒形線圈。

紅河電網(wǎng)500kV變電站采用的干式空心并聯(lián)電抗器從內(nèi)到外共有14個包封,每個包封為3層結(jié)構(gòu),有內(nèi)、外層絕緣包封,中間為鋁線繞制的線圈,內(nèi)、外層絕緣包封為無緯玻璃絲帶及環(huán)氧樹脂膠材質(zhì)。每個包封由性能良好的絕緣撐條隔開,形成上下通風(fēng)氣道。其所有線圈引出線及調(diào)匝環(huán)與鋁質(zhì)星形接線架連接處全部用氬弧焊焊接。干式空心并聯(lián)電抗器實質(zhì)為多層鋁線圈并聯(lián)而成。

下面結(jié)合干式空心并聯(lián)電抗器的結(jié)構(gòu),就近期發(fā)生的兩起電抗器故障進(jìn)行分析。

2某(500-變電站3(0-1k1L電抗器斷股

2.1斷股情況描述

對某500kV變電站35kV1-1L電抗器進(jìn)行周期性檢查和常規(guī)試驗,其直流電阻測試數(shù)據(jù)如表1所示,并附上該電抗器直流電阻歷史值,如表2所示。

分析以上數(shù)據(jù)可知,電抗器三相直阻不平衡率為1.54%,與歷史值0.76%、0.73%相比,有較大增長,并且主要表現(xiàn)為B相直阻較A相、C相增大。判斷可能原因為:(1）受天氣影響:(2）B相有斷股或虛接。

為了驗證天氣對不平衡率的影響,在不同的時間進(jìn)行了多次試驗,試驗結(jié)果沒有多大出入,所以可以排除天氣原因。由于干式空心并聯(lián)電抗器采用多層線圈并聯(lián)繞制,導(dǎo)線斷股必然會改變原有的線圈直流電阻。經(jīng)反復(fù)查找,發(fā)現(xiàn)電抗器B相一根引出線有斷裂情況,如圖1所示。經(jīng)氬弧焊焊接處理后,再次進(jìn)行了測試,偏差為0.93%,和三相偏差1.54%相比有顯著降低,和歷史數(shù)據(jù)相比還是有一些偏大。但將A、B兩相進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn)A、B兩相之間的偏差和歷史值幾乎相同,經(jīng)過檢修人員反復(fù)查找確認(rèn),可以判斷斷股情況已處理。

圖1電抗器上端引出線斷股處

2.2斷股原因分析

2.2.1制造工藝的問題

引出線處與鋁線圈焊接時焊接工藝粗糙,留有大量毛刺,產(chǎn)生了較大的附加電阻,附加損耗使接線端子處溫度過高,導(dǎo)致絕緣劣化,長時間運(yùn)行致使電抗器斷股。同時也可能存在虛焊現(xiàn)象。

2.2.2電壓沖擊

電抗器引出線處易受到操作電壓的沖擊,投入運(yùn)行時在大電流的作用下發(fā)熱膨脹,斷電退出運(yùn)行后冷卻收縮,如此反復(fù)多次,造成引出線處與包封間的焊接破損松動,在電磁振動的作用下最終可能導(dǎo)致電抗器斷股。

2.3斷股發(fā)展機(jī)理

干式空心電抗器采用多層并聯(lián)結(jié)構(gòu),線圈的軸向電應(yīng)力為零,在穩(wěn)態(tài)工作電壓下,沿線圈高度方向的電壓分布均勻,匝間平均分配相電壓。但是在斷股后,匝間電壓會局部上升。在少量斷股時,不會導(dǎo)致相關(guān)保護(hù)動作,但很可能導(dǎo)致故障擴(kuò)大。長久運(yùn)行將使絕緣擊穿,造成匝間短路。

3某500kV變電站35kVl二lL電抗器燒毀

3.1故障情況描述

某500kV變電站后臺機(jī)發(fā)35kV1二1L電抗器過流Ⅱ段動作信號,313斷路器跳閘,在主控室看見35kV1二1L電抗器B相上部冒出火光。

從現(xiàn)場35kVI段母線電壓錄波波形圖可知,在0時刻開始出現(xiàn)零序電壓,保護(hù)啟動,約在120ms時,零序電壓逐漸增大,B相電壓逐漸減小,故障發(fā)展趨勢明顯,但未達(dá)到過流Ⅱ段保護(hù)動作時限:約在590ms時,零序電壓逐漸減小,B相電壓逐漸恢復(fù),過流保護(hù)Ⅱ段正確動作,故障被切除。

故障時的三相電流分別為Ia=0.938A,Ib=1.727A,Ic=1.110A,電抗器過流Ⅱ段保護(hù)整定值為0.9A,時限為0.5s,B相電流明顯增大。該電抗器在平常巡視檢查中并未發(fā)現(xiàn)異常狀況,日常巡視測溫數(shù)據(jù)顯示,其本體、中心部分及頂端均符合要求。為明確該電抗器故障的具體原因,對電抗器進(jìn)行了解體檢查分析,情況如下:

(1）電抗器三相本體表面絕緣涂層已出現(xiàn)一定粉化現(xiàn)象,有少量樹狀放電痕跡:B相本體頂部、底部外表面部分有黑灰,底部地面有燒焦的黑渣、燒斷的鋁線、燒熔的鋁渣。

（2）電抗器頂部引出線處無斷股現(xiàn)象,調(diào)匝環(huán)也未出現(xiàn)斷裂情況,故可排除調(diào)匝環(huán)斷裂造成電流分配不均以致起火的可能。

（3）電抗器頂部從內(nèi)數(shù)的第四（從內(nèi)往外數(shù)）包封及其附件的鋁排已燒斷,可判斷第一起火點(diǎn)為第四包封上部,如圖2所示。

圖2電抗器頂部檢查情況

（4）解剖發(fā)現(xiàn)第四包封的鋁線已熔化,其余包封鋁線完好,如圖3所示。

圖3第四包封起火情況

根據(jù)電抗器檢查及解體情況分析,可以判斷35kV1-1L干式空心電抗器起火原因為絕緣擊穿以致匝間短路,起火點(diǎn)為第四包封上部。

3.2電抗器燒毀原因分析

3.2.1繞制工藝的問題

干式空心電抗器在用鋁線繞制繞組時,若線軸的配重不足,鋁線繞制速度過快、受力不均勻或者機(jī)器突然停止等均可能造成鋁線松緊度和粗細(xì)不一,導(dǎo)致各鋁線圈電阻變化,最終造成電流分布不均。同時,絕緣層的密封性不良會導(dǎo)致電抗器絕緣受潮,造成絕緣降低,這些均是引起匝間短路的主要因素。

3.2.2線圈各支路電流不平衡

由干式空心電抗器結(jié)構(gòu)可知,其線圈由近百條并聯(lián)鋁導(dǎo)線組成,個別鋁導(dǎo)線電流偏差較大時會造成其余鋁導(dǎo)線間電流分布不均衡。該鋁導(dǎo)線過流發(fā)熱,最終導(dǎo)致匝間絕緣劣化,長時間累積效應(yīng)將會導(dǎo)致絕緣劣化,最終演化成匝間短路。

3.2.3絕緣材料選用不當(dāng)

干式空心電抗器在運(yùn)行時散熱不良已成為共性問題,尤其電抗器頂部為熱量集中部位。根據(jù)Montsinger絕緣材料壽命定律,對于B級絕緣材料,當(dāng)溫度增加10℃時,絕緣材料壽命將減少一半。目前,電抗器選擇的絕緣材料耐熱等級應(yīng)達(dá)到F級以上。經(jīng)查閱資料,該電抗器絕緣材料耐熱等級為B級,燒毀的35kV干式空心電抗器額定電流為1004A,電阻為19.73Q,可知其運(yùn)行時功率很大,所以電抗器運(yùn)行中將產(chǎn)生很大熱量,最終將導(dǎo)致絕緣材料急劇老化,引起匝間短路。

)維護(hù)建議

(1）鑒于以往干式空心并聯(lián)電抗器運(yùn)行維護(hù)中發(fā)現(xiàn)的問題,建議試驗人員至少應(yīng)每半年對電抗器進(jìn)行一次直流電阻試驗,并與出廠數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,可有效發(fā)現(xiàn)電抗器斷股故障。檢修人員應(yīng)檢查電抗器頂部調(diào)匝環(huán)和引流線的焊接處是否有斷裂或松動的情況。直阻測試時,若是兩組電抗器并排安裝,一組停電、另一組運(yùn)行時,測試值會因運(yùn)行的電抗器產(chǎn)生的磁場而導(dǎo)致測試不準(zhǔn)確,因此建議兩組同時停電檢查。

(2）縮短電抗器的紅外測溫周期,紅外測溫時應(yīng)對電抗器進(jìn)行全面測溫,尤其應(yīng)注意電抗器頂部的溫度測量。

(3）對于運(yùn)行時間超過5年的35kV干式電抗器,其外表面有龜裂或爬電痕跡的應(yīng)噴涂性能優(yōu)良的PRTV涂料,噴涂PRTV涂料時需徹底對電抗器外表面及通風(fēng)氣道進(jìn)行清理,建議采用最新的注漫技術(shù)對電抗器外表面和氣道內(nèi)均勻噴涂PRTV涂料。

(4）工藝是保證電抗器可靠運(yùn)行的重要條件,因此應(yīng)規(guī)范供應(yīng)商評價體系,選擇電抗器線圈繞制工藝優(yōu)良的制造廠商。

(5）技術(shù)協(xié)議應(yīng)對絕緣材料性能及耐熱等級提出相應(yīng)要求,選擇阻燃性較好的電抗器產(chǎn)品。同時,加強(qiáng)與廠家的技術(shù)交流及合作也是探求解決方案的有效手段。

(6）干式空心并聯(lián)電抗器的散熱問題應(yīng)納入重點(diǎn)研究范疇,通過電抗器在線監(jiān)測及狀態(tài)感知手段,提前發(fā)現(xiàn)電抗器隱患。

4結(jié)語

干式空心并聯(lián)電抗器故障類型多種多樣,大部分故障均為廠商制造工藝差,絕緣材料耐熱等級不滿足要求所致。為保障干式空心并聯(lián)電抗器可靠運(yùn)行,不僅要從源頭出發(fā),提升電抗器制造工藝,選擇優(yōu)良的絕緣材料,同時在運(yùn)行維護(hù)過程中還要加強(qiáng)監(jiān)護(hù),也可通過科技創(chuàng)新等手段改善電抗器的運(yùn)行環(huán)境,最終保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。