戴瑞海，夏晓波，林 坚，季凌武，江少成

（温州电力局，浙江 温州 325000）

0 引言

根据近年统计分析干式空心电抗器（以下简称电抗器）故障资料，发现造成其烧毁的主要原因是匝间绝缘短路故障[1-3]，而目前国内缺乏有效的试验设备，进口的试验设备又非常昂贵。因此，研制一种能够有效检测电抗器匝间绝缘故障的廉价设备显得十分迫切。

理论研究发现当电抗器存在匝间绝缘缺陷时，施加于电抗器两端电源频率越高，其电感改变越大[4-5]。根据这一原理，目前国内外已研制、生产了一些不同类型电抗器匝间绝缘故障检测装置，但其性能往往达不到相关标准的要求，主要表现在：试验电压不够高、每秒放电次数和振荡频率达不到IEEE标准要求；试验设备超重及体积超大；试验数据可信度不高，容易造成电抗器匝间绝缘状况判断不正确；不能进变电所现场试验，尤其室内电抗器根本无法试验。

在分析这些不成熟的试验装置基础上，用倍压塔、限流电阻及触发球隙实现对放电频率的控制，突破了电抗器匝间绝缘检测试验关键技术。

1 电抗器匝间绝缘试验方法分析

对于电抗器匝间绝缘检测的试验，国家标准和IEEE标准都作了规定，其基本方法可归纳为以下几种：

（1）感应电压法。与变压器匝间绝缘试验的方法相同，用感应电压法间接地对被试线圈施加电压，达到匝间耐压检查的目的。

（2）直接施加工频电压法。用试验变压器对电抗器施加工频电压，考核电抗器匝间绝缘耐受过电压的能力。

（3）若方法（2）所要求的试验容量和电压超出了试验能力，可用雷电冲击电压试验代替。目前西安中扬电气公司就采用雷电冲击电压试验考核匝间绝缘。

（4）高频振荡能量吸收法。这是一种基于能量吸收原理，检测绕组匝间故障的方法。

（5）高频振荡电压法。当电抗器存在匝间绝缘缺陷时，施加于电抗器两端电源频率越高，其电感改变越大。根据这一原理，通过对电抗器施加高频振荡脉冲，记录电抗器两端的电压或电流波形，并与先前数据及同型号电抗器试验数据比较，可以判断其是否存在匝间绝缘缺陷[6]。

前4种试验方法，存在试验容量大、灵敏度不高等不足；高频振荡电压法试验结果较好，但目前缺乏优良的试验设备。

2 几种基于高频振荡电压法的试验装置分析

高频振荡电压法是一种对电抗器直接施加高频脉冲电压的方法[6-7]。根据IEEE C57.21和IEEE C57.26标准推荐电抗器匝间绝缘检测电路的工作原理，国内一些研究单位设计了多种实现方法。如文献[8]提出了图1所示的试验方案（方案一）；苏州某电力试验设备企业设计了如图2所示的试验方案（方案二）。

虽然文献[8]给出了方案一的试验波形，但通过仿真和试验分析，可以发现只能实现50次/s的放电，只有标准规定次数的一半。方案一在球隙击穿瞬间，由于ωL极大，阻抗接近零，试验变压器通过限流电阻短接，存在输出功率过大的问题，峰值达300 kVA，如图3所示；方案二也存在类似过载问题，球隙击穿时电源瞬时输出功率如图4所示。

图1 电抗器绝缘试验装置（方案一）原理

图2 电抗器绝缘试验装置（方案二）原理

图3 球隙击穿时试验变压器输出功率（方案一）

图4 球隙击穿时试验变压器输出功率（方案二）

方案一、二的实现需要容量很大的试验变压器，成本高、运输困难，不能在电抗器运行现场使用。另外，方案一、二均存在球隙击穿过程中试验变压器亦参与脉冲电容器和试验电抗器LC振荡的情况，振荡频率不能真实反映电抗器电感变化。

通过对以上两种试验装置的仿真和试验，发现其不成熟的主要原因在于球隙击穿后形成通路，流过球隙电流较大，电弧呈红色，不能及时熄灭。

在经过多次仿真和试验探索之后，提出用旋转电极实现的电抗器匝间绝缘检测装置（方案三），如图5所示，同步电机带动的两旋转电极相位差90°。应用高速旋转的电极在电容与电抗器谐振时，强行切断变压器输出，从而保证变压器输出不会通过球隙直接形成回路，也确保了其输出不会过流。

图5 电抗器绝缘试验装置（方案三）原理

该方案的工作原理：变压器输出通过高压硅堆整流桥整流给稳压滤波电容C1充电，C1电压保持在一稳定值。旋转电极1、旋转电极2互相垂直，以3 000 r/min恒定速度转动。当旋转电极1导通时，C2被充电至试验电压，此时旋转电极2处于关断状态；5 ms后，电极2导通，C2对电抗器放电，LC谐振开始，此时电极1处电弧已被强行拉开，处于关断状态，变压器输出不会经电极形成回路。

对方案三仿真计算得到电抗器两端电压波形（见图6），电源输出功率不到15 kVA，相比方案一、二要小得多。

运用旋转电极方案组成试验装置对电抗器进行试验，测得电压波形如图7所示（分压比2000）。

图6 电抗器两端电压仿真试验波形（方案三）

图7 电抗器试验电压波形（方案三）

在额定电压下对电抗器试验时，电源功率不到20 kVA，较之前述两方案有实质性的突破，解决了球隙击穿瞬间试验变压器输出功率过大的问题，而且能实现对电抗器放电60次/s，达到IEEE有关标准的要求。

但该方案使用了旋转电极，放电时两间隙同时击穿，电波在两间隙、多种波阻抗不同导体中不断地被折射、发射，产生频率和幅值均很高的干扰信号，严重影响试验测量及结果分析的准确性。另外电极高速旋转，可能造成装置本身震动，也影响装置的稳定工作。

3 新型试验装置的研究

方案三虽然很好地解决了方案一、二球隙击穿时变压器输出功率过大，球隙间电弧不易熄灭的问题，但同时带来了严重的干扰。可以发现电抗器匝间绝缘检测的关键技术在于满足放电次数和振荡频率的前提下，控制电容对电抗器放电时变压器输出功率不过载，电容与电抗器组成LC振荡回路应尽量排除各种干扰。

充分比较前述三种方案的特性，在进一步试验和仿真的基础上，提出了采用大电阻限流、触发点火的试验方案（方案四），如图8所示。

图8 电抗器绝缘试验装置（方案四）

该方案的工作原理：变压器输出电压通过倍压塔升至额定试验电压，倍压塔兼具有稳压滤波功能。倍压塔通过电阻R给电容C充电至额定试验电压U；每隔10 ms球隙在点火装置触发下击穿放电1次（即放电频率为100 Hz），实现脉冲电容C对电抗器L放电，LC谐振开始。由于限流电阻R阻值达10 MΩ，倍压塔对LC振荡频率影响可以忽略；LC谐振期间，通过R流向脉冲电容C的电流非常小，不影响球隙间电弧熄灭。LC谐振结束后，球隙间电弧熄灭。脉冲电容C重新充电近10 ms至额定试验电压，球隙在点火装置触发下再次击穿，新的LC振荡开始……如此循环，直至试验停止。

方案四克服了前述三种方案的缺点，变压器输出功率不过载，不会出现方案三中那样的干扰信号，能实现对电抗器60次/s匝间耐压试验，同时变压器输出功率小于15 kVA，又能得到比较准确的测量波形。装置由于采用倍压塔升压，要求升压变压器输出电压可以较低，整套装置所需设备体积、重量均较小，容易进入变电所无功补偿室使用。

4 电抗器匝间绝缘试验数据分析

对电感值分别为180 mH，280 mH的2只电抗器进行试验，在电抗器正常和存在匝间短路的情况下，按相关标准分别施加80 kV，180 kV试验电压，测出电压、电流波形。

电感值约为180 mH的电抗器匝间绝缘试验结果如图9，10所示；电感值280 mH的电抗器匝间绝缘试验结果如图11，12所示。试验分压比1000；图中实线是电抗器完好状态下试验波形；虚线是电抗器存在匝间短路状态下试验波形。

图9 180 mH的电抗器匝间绝缘80 kV试验电压波形（分压比1000）

图10 180 mH的电抗器匝间绝缘180 kV试验电压波形（分压比1000）

图11 280 mH的电抗器匝间绝缘80 kV试验电压波形（分压比1000）

从试验波形中可以直观明显地看到存在匝间短路时，电抗器两端的电压和流经电抗器两端电流的振荡频率比电抗器完好时的频率要高，衰减速度要快。这表明大量能量消耗在短路环上，即涡流损耗和环流损耗。1 min试验结束后，发现短路环附近线圈温度比电抗器上其他位置温度高出10℃，这也表明短路环在试验中消耗了大量能量。对未知匝间绝缘故障位置的电抗器，亦可由此变化来确定故障位置。

实际使用过程中，可以对比A，B，C三相电抗器的试验波形，也可以将试验波形与先期的试验波形进行对比。当2次波形差异不大的时，可将试验数据进行傅立叶变换，查看其频谱分布曲线，以判断电抗器是否存在匝间绝缘缺陷。如图13为图12所示的电感值为180 mH的电抗器匝间绝缘180 kV试验电压波形频谱。

图12 180 mH的电抗器匝间绝缘180 kV试验电压波形（分压比 1000）

图13 180 mH的电抗器匝间绝缘180 kV试验电压波形频谱

5 结语

通过比较几种不成熟的电抗器匝间绝缘检测装置，发现其不成熟的原因后，提出了采用倍压、大电阻限流、触发点火的试验方案，研制了一套体积小、重量轻的试验装置。

利用该试验装置对电抗器的匝间绝缘试验证明，用脉冲振荡电压法并利用比较电抗器线圈两端的电压（或流过线圈的电流）波形变化情况来判断电抗器的匝间绝缘状态是可行、有效的。同时也证明所设计的电抗器匝间绝缘度试验装置能满足有关IEEE标准的各项指标要求，并对检测电抗器匝间绝缘具有较高的灵敏度，能满足现场试验的要求。

[1]夏长根.一起35 kV干式并联空心电抗器故障分析[J].电力电容器与无功补偿，2009（10）：43-45.

[2]钱之银，杨凌辉.并联干式电抗器故障原因分析[J].华东电力，2000（12）：10-13.

[3]徐基泰.40年来电抗器技术的发展[J].变压器，2004，41（3）：45-49.

[4]江少成.干式空心电抗器匝间绝缘检测方法及试验装置的研究[D].西安：西安交通大学，2005.

[5]魏新劳.大型干式空心电抗器设计计算相关理论研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2002.

[6]郭香福，梁凤山.涡流探伤在电抗器线圈绕组质量控制中的应用[J].变压器，2003，40（2）：22-24.

[7]IEEE Std C57.21TM-2008 IEEE standard requirements,terminology,and test code for shunt reactors rated over 500 kVA[S].

[8]IEEE Std C57.16-1996 IEEE standard requirements,terminology,and test code for dry-type air-core series-connected reactors[S].

[9]刘冀，曹滨.200 kV连续脉冲振荡匝间绝缘耐压试验装置的研制[J].变压器，2004，41（4）：1-3.

[10]李水旺，赵海翔.高频振荡电压下干式空心电抗器的电流特性[J].变压器，2001，38（7）：4-6.