王 静，张 欣，黄荣辉

(深圳供电局有限公司，广东 深圳 518001)

干式空心电抗器故障原因及解体试验分析

王 静，张 欣，黄荣辉

(深圳供电局有限公司，广东 深圳 518001)

干式空心电抗器故障烧毁事故严重威胁电力系统的安全稳定运行.为了探寻干式空心电抗器在线运行事故原因，结合现场运行干式空心电抗器典型事故，从理论上分析了包封受潮和过电压两方面造成干式空心电抗器故障的机理；对深圳电网某故障干式空心电抗器进行了解体试验，对相绕组进行了直阻、电抗值和脉冲振荡波试验.解体试验结果显示，干式空心电抗器均存在三相绕组匝间短路现象，且脉冲振荡波试验对检测电抗器匝间短路缺陷具有较高的灵敏度.最后基于理论分析和试验数据提出了干式空心电抗器故障应对措施.

干式空心电抗器；匝间绝缘失效；脉冲振荡波试验；电抗器故障

无功补偿装置合理配置是优化电压、降低电网系统损耗的重要手段.为了提高功率因数，减少电能损耗，增强供电能力，国内在500kV系统的变压器低压侧安装了大量低压电抗器和电容器组，用以调整系统电压[1].干式空心电抗器因干式无油、安装简单、维护量小和运行成本低等优点被广泛使用[2]，但在运行中也存在不少问题，如绕组绝缘击穿引起保护跳闸甚至烧毁电抗器[3].

深圳地区处于沿海地带，空气湿度大、盐密大，电抗器材料容易受潮，对电抗器绝缘的破坏威胁较大，近两年来深圳电网电抗器故障率偏高.本文针对深圳电网故障电抗器进行故障统计及理论分析，开展干式空心电抗器解体试验，总结干式空心电抗器的绝缘失效规律，并提出干式空心电抗器运维改善措施，对电力系统干式空心电抗器的运行维护工作具有一定参考.

1 干式空心电抗器现场故障分析

干式空心电抗器损坏大部分外在表现为电抗器起火烧毁.导致起火烧毁的直接原因是匝间绝缘失效后形成“短路环”，“短路环”在漏磁感应电势作用下产生短路环流，环流使得短路线匝大量发热，绝缘加速老化，引发绕组匝间短路的“雪崩效应”，绝缘材料起火，最终造成电抗器烧毁[4-5].结合深圳电网电抗器的实际运行情况，电抗器匝间绝缘失效的原因主要包括电抗器包封受潮和过电压累积效应[6].

1.1 过电压造成绕组匝间绝缘损伤

1.1.1 电抗器截流过电压形成

电抗器分闸过程的单相等值回路如图1所示.图1中，US为系统等效电压源，LS为系统电源等值电感，CS为系统电源等值电容，L为电抗器单相等值电感，CL为电抗器的等值对地电容，LP和CP为断路器的等值电感和等值电容.假设t=t0时，断路器的两触头分离，采用断路器的截流值为Ich，此时电抗器等值电容电压为U0.

图1 电抗器分闸过程单相等值回路图Fig.1 Single equivalent circuit of break-brake process of the reactor

(2)从能量的角度阐述，电感负载被开断时的振荡过程是电磁能量相互转换的过程.当回路的总电磁场能完全转化为电场能时，电抗器的等值电容CL上的最大电压值为截流过电压Um，如公式(1)所示：

(1)

以U0为基准电压，电抗器分闸最高过电压倍数，如公式(2)所示：

(2)

由公式(2)可知，影响电抗器分闸过电压的主要因素有：

1)电抗器等值电感量的大小、连接设备的对地杂散电容量；

2)截断电流值，当电流在接近峰值处被截断时，过电压倍数最大，一般为2～3倍额定电压.

1.1.2 过电压导致电抗器现场事故

由1.1.1节可知，断路器对电抗器每投切一次，电抗器就要承受一次过电压，电抗器的绝缘就要经受一次破坏.当投切足够次数后，过电压对电抗器绝缘累积破坏达到极限，从而导致电抗器事故.

如表1所示，3起电抗器在投切后较短的时间内发生故障，具体情况统计如表2所示.电抗器在投切后30min以内发生故障，可认为是由于投切过电压造成电抗器匝间绝缘损伤已达到最大限度，最终导致绝缘失效，造成匝间短路，引起电抗器发热严重，导致电抗器故障.

如表1所示，由于故障前电抗器已经投切了几百次甚至上千次，多次投切过电压对电抗器绝缘损坏具有累积作用，当绝缘损坏到达一定程度时，开关再一次进行投切动作时，电抗器绝缘被完全破坏，电抗器将在投运后短时间内产生故障.

表1 故障电抗器投切情况统计
Tab.1 Statistical data of the switching process of the reactor

变电站功能位置动作时间故障前动作次数运行持续时间500kV变电站电容器组串联电抗器35DK2012-06-227092min10s500kV变电站电容器组串联电抗器17DK2013-03-0814933min20s500kV变电站电容器组串联电抗器32DK2013-03-2452622s

1.2 包封受潮导致电抗器现场事故

2012年6月22日，某500kV变电站35kV串联电抗器35DK烧毁后的电抗器现场图片如图2所示.

图2 电抗器现场图片Fig.2 Practical picture of the reactor

如图2所示，该电抗器烧毁最严重的位置是电抗器A相的最外层包封.最外层包封未采取遮挡措施，长时间遭受阳光直射，大大加快包封外层绝缘材料的老化，甚至造成包封表面裂缝，一旦遇到阴雨天，潮气与粉化后的环氧树脂接触，将危害导线匝间绝缘，造成匝间短路[7].

结合深圳电网2011年至2013年电抗器故障资料和深圳气象局网站记录的电抗器故障时的天气情况，统计结果如表2所示.近年来，除了2012年1月1日22DK电抗器故障时的天气是晴天外，其余电抗器故障时的天气均属于多云、雷雨的潮湿天气.

现场运行的电抗器长时间暴露于户外，长时间运行后，电抗器外层绝缘材料将老化，加上外表面污物沉积，将在外层包封形成污层.浇注的环氧树脂线包经过粉化，有可能发生断裂，雨水或潮气从裂缝中浸入导线，就会造成匝间短路.可见，包封受潮是造成干式空心电抗器故障的直接原因之一.

表2 2011年至2013年电抗器故障统计
Tab.2 Failure statistics of the reactor from 2011 to 2013

变电站发现时间投运时间天气状况功能位置500kV某变电站12011-09-171997-09-19阵雨多云电容器组串联电抗器44DK500kV某变电站12011-12-011997-09-19多云电容器组串联电抗器46DK500kV某变电站22012-01-012005-11-17晴并联电抗器22DK220kV某变电站32013-08-082005-05-01多云10kV1C3电容器组A相串联电抗器500kV某变电站42012-06-222004-12-01中雨电容器组串联电抗器35DK500kV某变电站42013-03-082004-11-01多云电容器组串联电抗器17DK500kV某变电站42013-03-242004-12-01雷雨多云电容器组串联电抗器32DK

(a)解体前外观 (b)第一层绕组 (c)第二层绕组图3 故障电抗器损伤图片Fig.3 Pictures of damaged reactors

2 故障电抗器解体试验结果分析

2013年3月8日，深圳某变电站35kV串联电抗器17DK有异响，设备停运后，经检查发现C相匝间短路，设备损毁严重.现场检查结果显示：电抗器本体C相线圈外包封已烧黑.该电抗器于2004年1月投运，额定容量2004kVar，额定电流607A，额定电抗1.888Ω.为深入研究电抗器内部故障原因，对电抗器进行解体分析.

2.1 电抗器解体结果分析

电抗器解体照片如图3所示.从外观看，C相外包封烧损最严重，初步判断是外包封绕组匝间短路造成.锯开C相线圈第一层绕组和第二层绕组，发现第一层绕组的绝缘玻璃布有两处烧毁比较严重的黑洞，线匝外包绝缘已基本烧熔；同时发现第二层绕组和第一层绕组相重合的地方也有明显烧损痕迹.

2.2 A、B相线圈试验结果

A、B两相线圈外表基本完好，但无法判定是否故障.因此，为了深入研究A、B两相线圈故障情况，分别对这两相线圈开展直阻、电抗值和脉冲振荡波试验[8].A、B两相线圈的直流电阻、电抗值测试结果如表3、表4所示.

表3 A相线圈试验数据
Tab.3 Test data of phase A core

A相绕组直流电阻/Ω电抗/Ω电感/mH电感初值/mH试验前0.01301.80875.7575.766试验后0.01301.81065.7635.766

表4 B相线圈试验数据
Tab.4 Test data of phase B core

B相绕组直流电阻/Ω电抗/Ω电感/mH电感初值/mH试验前0.012691.7325.5155.766试验后0.012721.7335.5185.766

针对A相绕组开展脉冲振荡试验，加20%额定电压作为参考电压波形，依次升高到30%额定电压、40%额定电压、50%额定电压，如图4(a)所示.

(a) A相绕组脉冲振荡波试验波形

(b) B相绕组脉冲振荡波试验波形图4 A、B两相绕组脉冲振荡试验电压波形Fig.4 The applied pulse oscillator voltage waveform of phase A and B

图4(a)中，纵坐标每隔电压为5000V.由图4(a)可知，随着施加电压幅值的升高，振荡频率发生了变化，说明A相绕组内部有绝缘缺陷.针对B相绕组开展脉冲振荡试验，加20%额定电压作为参考电压波形，依次升高到40%额定电压、60%额定电压，如图4(b)所示.图5(b)中，纵坐标每隔电压为5000V.由图5(b)可知，随着外施电压幅值的升高，振荡频率发生了变化，特别说明加压60%额定电压不到1分钟的时间内，电抗器出现冒烟现象，检查冒烟的包封发现存在黑点，说明B相绕组内部有绝缘缺陷.

2.3 解体及试验结果分析

从电抗器解体结果来看，C相绕组有两处明显的匝间短路放电点，由于C相绕组匝间短路缺陷，导致电抗器绕组电流增大，使绝缘相对薄弱的绕组放电，继而局部过热烧损.而造成电抗器绝缘薄弱的原因即为包封受潮和过电压造成匝间绝缘损伤积累.

从A、B相绕组的试验结果来看，一方面，A、B相绕组的匝间绝缘已经失效，如果运行人员延迟发现着火现场，势必会由匝间短路引起相间短路，A、B相绕组也会起火；另一方面，A、B相绕组被脉冲振荡波试验击穿前后，测得的直流电阻和电抗值基本没有变化，说明测电抗器的直流电阻值和电抗值很难发现匝间短路缺陷，所以建议用脉冲振荡波试验检测电抗器匝间短路缺陷.

3 电抗器故障应对措施

(1)做好电抗器运行维护工作.对于在运行的干式空心电抗器，应定期检查RTV涂层的憎水性，当RTV涂料憎水性达到4-5级时，应重涂RTV涂料，以保证环氧绝缘不受潮；利用检修时间清扫包封表面污物.

(2)做好电抗器绝缘性能检测工作.停电时进行包封引线检查和直流电阻测试，防范断线的发生；运行5年以上的干式空心电抗器推荐均采用脉冲振荡波试验；新出厂的干式电抗器应进行脉冲振荡波的交接试验.

(3)干式空心电抗器组采用多个并联包封，但受设计、制造工艺的局限，引起各包封电流密度分布不同，从而造成在线运行电抗器的部分包封出现温度过高的现象.因此，有效控制电流不均匀性对提高电抗器安全运行性能很重要，建议应对电抗器均流提出严格要求(如均流控制在5%以内) .

4 结论

本文根据深圳电网35kV电抗器的故障情况进行了理论分析和解体试验分析，得出如下结论：

(1)户外运行环境影响干式空心电抗器的绝缘性能.干式空心电抗器长期暴露于户外大气条件下，长时间运行后绝缘老化，包封受潮是造成电抗器故障的直接原因.

(2)刀闸频繁操作产生的过电压威胁干式空心电抗器的绝缘性能.投切干式空心电抗器会在电抗器上产生过电压，对电抗器绝缘破坏具有累积效应，是造成电抗器故障的重要原因.

(3)应采用脉冲振荡波试验检测匝间短路缺陷。直流电阻和电抗值测试有时很难发现匝间短路缺陷，建议用脉冲振荡波试验检测电抗器匝间短路缺陷.

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Analysisonfailureandbreakupofdry-typeair-corereactors

WANG Jing, ZHANG Xin, HUANG Rong-hui

(Shenzhen Power Supply Company Limited, Shenzhen 518001, China)

The operation accident of dry-type air-core reactor is a serious threat to the safe and stable operation of power system. Lots of work was done to research on the reasons causing operation accident of dry-type air-core reactor. Theoretical analysis was conducted with typical operation accidents of dry-type air-core reactor. Package moisture and overvoltage can cause the operation accident. The disintegration tests of dry-type air-core reactor in Shenzhen power grid were carried out. Tests of conducting direct resistance, reactance value and impulse oscillation wave test were also conducted to the winding. The experiments results provide evidence for the accidents reason in detail. And solutions were proposed to response for the dry-type air-core reactor accident at last. The impulse oscillation wave experiment has a high sensitivity to detect the inter turn short circuit fault. Fault prevention measures are proposed for operation accidents of dry-type air-core reactor.

dry-type air-core reactor;inter-turn insulation failure; pulse oscillation experiment; reactor accidents

2017-01-10

王静，女，1036828200@qq.com

1672-6197(2018)01-0064-05

TM47

A

(编辑：姚佳良)