35kV干式空心并联电抗器故障简析

引言

随着电网逐步发展,人们对电网供电可靠性及功率因数的要求越来越高,而并联电抗器能够提供感抗用于抵消输电线路剩余的容性无功功率,从而有效提高功率因数,因此并联电抗器在500kV变电站无功补偿装置中占据着重要地位。

干式空心并联电抗器由于具有结构简单、运行维护成本低、性价比高等显著优点,在500kV变电站无功补偿装置中被广泛使用。近年来,匝间短路造成干式空心电抗器烧损的故障频发,已经威胁到电网的安全可靠运行。

同时,根据红河电网对干式空心并联电抗器运行情况的分析显示,诱发干式空心电抗器故障的主要原因是制造工艺差,绝缘材料耐热等级低,尤其干式空心并联电抗器断股的情况需重点关注。

1干式空心并联电抗器结构

干式空心并联电抗器线圈选用截面积较小的铝导线立式绕制,绕制铝线呈平行结构,多股铝线叠加后最终绕制成多层同心式筒形线圈。

红河电网500kV变电站采用的干式空心并联电抗器从内到外共有14个包封,每个包封为3层结构,有内、外层绝缘包封,中间为铝线绕制的线圈,内、外层绝缘包封为无纬玻璃丝带及环氧树脂胶材质。每个包封由性能良好的绝缘撑条隔开,形成上下通风气道。其所有线圈引出线及调匝环与铝质星形接线架连接处全部用氩弧焊焊接。干式空心并联电抗器实质为多层铝线圈并联而成。

下面结合干式空心并联电抗器的结构,就近期发生的两起电抗器故障进行分析。

2某(500-变电站3(0-1k1L电抗器断股

2.1断股情况描述

对某500kV变电站35kV1-1L电抗器进行周期性检查和常规试验,其直流电阻测试数据如表1所示,并附上该电抗器直流电阻历史值,如表2所示。

分析以上数据可知,电抗器三相直阻不平衡率为1.54%,与历史值0.76%、0.73%相比,有较大增长,并且主要表现为B相直阻较A相、C相增大。判断可能原因为:(1）受天气影响:(2）B相有断股或虚接。

为了验证天气对不平衡率的影响,在不同的时间进行了多次试验,试验结果没有多大出入,所以可以排除天气原因。由于干式空心并联电抗器采用多层线圈并联绕制,导线断股必然会改变原有的线圈直流电阻。经反复查找,发现电抗器B相一根引出线有断裂情况,如图1所示。经氩弧焊焊接处理后,再次进行了测试,偏差为0.93%,和三相偏差1.54%相比有显著降低,和历史数据相比还是有一些偏大。但将A、B两相进行比较,可以发现A、B两相之间的偏差和历史值几乎相同,经过检修人员反复查找确认,可以判断断股情况已处理。

图1电抗器上端引出线断股处

2.2断股原因分析

2.2.1制造工艺的问题

引出线处与铝线圈焊接时焊接工艺粗糙,留有大量毛刺,产生了较大的附加电阻,附加损耗使接线端子处温度过高,导致绝缘劣化,长时间运行致使电抗器断股。同时也可能存在虚焊现象。

2.2.2电压冲击

电抗器引出线处易受到操作电压的冲击,投入运行时在大电流的作用下发热膨胀,断电退出运行后冷却收缩,如此反复多次,造成引出线处与包封间的焊接破损松动,在电磁振动的作用下最终可能导致电抗器断股。

2.3断股发展机理

干式空心电抗器采用多层并联结构,线圈的轴向电应力为零,在稳态工作电压下,沿线圈高度方向的电压分布均匀,匝间平均分配相电压。但是在断股后,匝间电压会局部上升。在少量断股时,不会导致相关保护动作,但很可能导致故障扩大。长久运行将使绝缘击穿,造成匝间短路。

3某500kV变电站35kVl二lL电抗器烧毁

3.1故障情况描述

某500kV变电站后台机发35kV1二1L电抗器过流Ⅱ段动作信号,313断路器跳闸,在主控室看见35kV1二1L电抗器B相上部冒出火光。

从现场35kVI段母线电压录波波形图可知,在0时刻开始出现零序电压,保护启动,约在120ms时,零序电压逐渐增大,B相电压逐渐减小,故障发展趋势明显,但未达到过流Ⅱ段保护动作时限:约在590ms时,零序电压逐渐减小,B相电压逐渐恢复,过流保护Ⅱ段正确动作,故障被切除。

故障时的三相电流分别为Ia=0.938A,Ib=1.727A,Ic=1.110A,电抗器过流Ⅱ段保护整定值为0.9A,时限为0.5s,B相电流明显增大。该电抗器在平常巡视检查中并未发现异常状况,日常巡视测温数据显示,其本体、中心部分及顶端均符合要求。为明确该电抗器故障的具体原因,对电抗器进行了解体检查分析,情况如下:

(1）电抗器三相本体表面绝缘涂层已出现一定粉化现象,有少量树状放电痕迹:B相本体顶部、底部外表面部分有黑灰,底部地面有烧焦的黑渣、烧断的铝线、烧熔的铝渣。

（2）电抗器顶部引出线处无断股现象,调匝环也未出现断裂情况,故可排除调匝环断裂造成电流分配不均以致起火的可能。

（3）电抗器顶部从内数的第四（从内往外数）包封及其附件的铝排已烧断,可判断第一起火点为第四包封上部,如图2所示。

图2电抗器顶部检查情况

（4）解剖发现第四包封的铝线已熔化,其余包封铝线完好,如图3所示。

图3第四包封起火情况

根据电抗器检查及解体情况分析,可以判断35kV1-1L干式空心电抗器起火原因为绝缘击穿以致匝间短路,起火点为第四包封上部。

3.2电抗器烧毁原因分析

3.2.1绕制工艺的问题

干式空心电抗器在用铝线绕制绕组时,若线轴的配重不足,铝线绕制速度过快、受力不均匀或者机器突然停止等均可能造成铝线松紧度和粗细不一,导致各铝线圈电阻变化,最终造成电流分布不均。同时,绝缘层的密封性不良会导致电抗器绝缘受潮,造成绝缘降低,这些均是引起匝间短路的主要因素。

3.2.2线圈各支路电流不平衡

由干式空心电抗器结构可知,其线圈由近百条并联铝导线组成,个别铝导线电流偏差较大时会造成其余铝导线间电流分布不均衡。该铝导线过流发热,最终导致匝间绝缘劣化,长时间累积效应将会导致绝缘劣化,最终演化成匝间短路。

3.2.3绝缘材料选用不当

干式空心电抗器在运行时散热不良已成为共性问题,尤其电抗器顶部为热量集中部位。根据Montsinger绝缘材料寿命定律,对于B级绝缘材料,当温度增加10℃时,绝缘材料寿命将减少一半。目前,电抗器选择的绝缘材料耐热等级应达到F级以上。经查阅资料,该电抗器绝缘材料耐热等级为B级,烧毁的35kV干式空心电抗器额定电流为1004A,电阻为19.73Q,可知其运行时功率很大,所以电抗器运行中将产生很大热量,最终将导致绝缘材料急剧老化,引起匝间短路。

)维护建议

(1）鉴于以往干式空心并联电抗器运行维护中发现的问题,建议试验人员至少应每半年对电抗器进行一次直流电阻试验,并与出厂数据进行比较,可有效发现电抗器断股故障。检修人员应检查电抗器顶部调匝环和引流线的焊接处是否有断裂或松动的情况。直阻测试时,若是两组电抗器并排安装,一组停电、另一组运行时,测试值会因运行的电抗器产生的磁场而导致测试不准确,因此建议两组同时停电检查。

(2）缩短电抗器的红外测温周期,红外测温时应对电抗器进行全面测温,尤其应注意电抗器顶部的温度测量。

(3）对于运行时间超过5年的35kV干式电抗器,其外表面有龟裂或爬电痕迹的应喷涂性能优良的PRTV涂料,喷涂PRTV涂料时需彻底对电抗器外表面及通风气道进行清理,建议采用最新的注漫技术对电抗器外表面和气道内均匀喷涂PRTV涂料。

(4）工艺是保证电抗器可靠运行的重要条件,因此应规范供应商评价体系,选择电抗器线圈绕制工艺优良的制造厂商。

(5）技术协议应对绝缘材料性能及耐热等级提出相应要求,选择阻燃性较好的电抗器产品。同时,加强与厂家的技术交流及合作也是探求解决方案的有效手段。

(6）干式空心并联电抗器的散热问题应纳入重点研究范畴,通过电抗器在线监测及状态感知手段,提前发现电抗器隐患。

4结语

干式空心并联电抗器故障类型多种多样,大部分故障均为厂商制造工艺差,绝缘材料耐热等级不满足要求所致。为保障干式空心并联电抗器可靠运行,不仅要从源头出发,提升电抗器制造工艺,选择优良的绝缘材料,同时在运行维护过程中还要加强监护,也可通过科技创新等手段改善电抗器的运行环境,最终保证电网的可靠运行。