干式空心串聯電抗器損壞原因分析及對策

      摘 要：近年來廣西電網發生多起干式空心串聯電抗器損壞事故，故障設備涉及不同生產廠家的產品和不同的運行年限。為了解故障原因，提高該類設備運行可靠性，介紹了干式空心串聯電抗器的結構及其繞制工藝中的薄弱點，分析認為局部過熱、散熱不良、絕緣材料劣化以及變電站諧波放大是造成干式空心串聯電抗器毀壞事故的主要原因，并分別從設備選型、出廠監造、設備安裝及運行維護方面提出相應對策。

    關鍵詞：電抗器原理；干式空心串聯電抗器；電抗器繞制工藝；絕緣材料劣化

    與油浸式、鐵心電抗器相比，干式空心串聯電抗器具有適應性好、可靠性高、維護簡單的特點，并且不存在磁飽和問題，因此在電網中得到廣泛應用。但由于沒有鐵心，干式空心串聯電抗器存在電抗器周圍磁場較大、電磁干擾范圍較廣等缺點。近幾年廣西電網多次發生干式空心串聯電抗器在運行中燒毀的事故，因此有必要對干式空心串聯電抗器的運行情況及故障原因進行統計和分析，并提出選型及運維方面的對策。

    一、串聯電抗器使用情況
    截止2012年12月，廣西電網在運的10kV及35kV電抗器數量共計4157臺，其中干式空心串聯電抗器2039臺，占48%；半心式電抗器1583臺，占38%；其余電抗器按數量從多到少排列，依次為鐵心干式電抗器、油浸式電抗器、磁屏蔽式電抗器。

    近10年來，由于干式空心串聯電抗器運行狀況欠佳，故障時有發生，根據故障的原因分析及其他省、市電網的運行經驗，2006年起，廣西電網新建或擴建變電站電容器組中的串聯電抗器推廣使用半心電抗器（戶內則要求使用鐵心電抗器），已投入運行的空心電抗器也逐步改造為半心電抗器。從2008年起，廣西電網公司的技術規范中明確規定戶外式的干式串聯電抗器應使用半心或油浸式電抗器，而不能采用全空心電抗器。因此，廣西電網運行的干式電抗器，2006年以前以空心電抗器為主；2006—2011年以半心電抗器居多；由于招標方式的改變，2011—2012年改為以空心電抗器為主。

    二、干式空心串聯電抗器損壞情況統計
2005—2012年，廣西電網10kV 及35kV干式電抗器共發生損壞故障52起，各年份干電抗器損壞數量情況如圖1所示。

    1、根據年限統計，除2007年和2010年發生故障較少外，其他年份發生故障的數量均在5臺以上，2009年甚至達到10臺；

    2、根據電抗器結構統計，干式空心串聯電抗器故障49起，干式鐵心電抗器故障3起，干式半心電抗器、油浸電抗器、磁屏蔽干式電抗器均沒有發生損壞故障；

    3、根據電壓等級統計，發生故障的主要是10 kV串聯電抗器，損壞臺數達41臺，35 kV 電抗器損壞11臺；

    4、根據生產廠家統計，主流廠家（在廣西電網占有率前4名的生產廠家） 和非主流廠家的故障率相當，幾乎所有廠家的產品均發生過電抗器燒毀故障。從以上分析可知，不同廠家、不同時期的干式空心串聯電抗器都發生過故障，這說明其故障原因不完全是制造、安裝質量問題，與其原理、結構方面的缺陷也有關。

    三、干式空心串聯電抗器的結構特點
    目前干式空心串聯電抗器多使用環氧樹脂浸漬過的長玻璃絲束對線圈進行包封，每個包封內有多根帶有股間（匝間）絕緣的不同規格的鋁線緊密并聯繞制而成，線圈各包封之間用環氧引拔棒支撐形成風道，線圈的上、下端使用由鋁排焊接的星型架定位，星型架接線板起導電作用并做進、出線母排。某公司生產的干式空心串聯電抗器結構圖如圖2所示，圖2中調匝線是為了調節各包封支路之間阻抗值的偏差。

    四、干式空心串聯電抗器損壞原因分析
    干式空心串聯電抗器損壞的原因主要有局部溫升過高、匝間絕緣擊穿。匝間絕緣材料如長期處在高溫、放電環境下，會引起絕緣材料脆化、劣化，逐漸失去原有的機械性能和絕緣性能，進一步加快材料的老化速度。干式空心串聯電抗器過熱及匝間絕緣損壞原因有以下幾個方面。

    1、干式空心串聯電抗器局部過熱
    干式空心串聯電抗器最突出的問題是局部過熱，有時最熱點溫度會超過100℃。溫度穩定性和熱狀態是電抗器設計、制造質量的重要指標，指出，采用B級絕緣的干式空心串聯電抗器，比較容易因為絕緣耐熱水平不夠導致電抗器燒毀事故發生，因而推薦采用F 級絕緣。2005 年起廣西電網運行的干式空心串聯電抗器均為F 級絕緣，但過熱導致燒毀問題仍時有發生。因此，筆者認為干式空心串聯電抗器各支路的設計以及制造工藝水平才是問題的關鍵。

    從圖2 可以看出，干式空心串聯電抗器的各個支路等效電路相當于有數十個支路并聯，假設僅考慮阻性電流，各支路電流的計算公式為：式中：Ii為第i 條包封支路的電流；I 總為匯流排總電流；N為股數。從該公式可知，如果各個支路阻抗不平衡，將會造成各支路電流不平衡。在設計時，廠家一般都會充分考慮電抗器繞組位置、線徑、互感、自感等因數對繞組阻抗的影響，但在實際繞制過程中，由于繞制機、工藝控制等原因，線圈的軸向高度、周向寬度、同心度、松緊度、包封厚度及密實程度等參數的微小偏差都將影響到各支路間的阻抗平衡，而且單靠調節匝線圈無法消除這些參數偏差造成的影響。如果幾十個并聯支路中的一個支路由于少匝、匝間絕緣不良等原因導致阻抗偏低，該支路將會承受更大的電流，造成局部過熱，進一步加劇薄弱點的崩潰。

    2、干式空心串聯電抗器散熱不良
    如前所述，干式空心串聯電抗器包封設計不良會導致各個包封的電流密度不一致，從而造成局部過熱，由于空心電抗器對外漏磁嚴重，如果電抗器周圍存在由金屬部件形成的閉合回路（如接地網），就會加劇局部過熱。如果電抗器包封之間風道太窄影響散熱，也會造成局部溫升過高。據歷次事故統計，故障損壞的電抗器往往是內層包封先損壞，而內層包封的散熱效果最差。2009年崇左供電局某變電站發生的2起串聯電抗器故障，正是內層包封發熱所致

    根據故障統計結果顯示，10kV電抗器的故障率遠高于35kV電抗器的，其中一個原因是10 kV電抗器的體積比35kV電抗器的小，散熱面積小，散熱效果差，從而導致其故障率高。此外，電抗器容量越大，發生匝間絕緣過熱的幾率越大，電抗器燒毀故障的概率就更高。

    3、干式空心串聯電抗器絕緣材料劣化
    干式電抗器絕緣材料表面開裂、進水受潮也是設備損壞的主要原因。絕緣材料開裂一方面是因為生產廠家采用的環氧樹脂配方有問題，導致絕緣材料在戶外紫外線、潮氣條件下容易老化；另一方面是因為導線材料與絕緣材料的膨脹系數不一致。干式空心串聯電抗器主要由2 種材料構成：導線（鋁線）和包封絕緣材料。干式空心串聯電抗器一般采用鋁線做載流導線，而鋁線的機械加工性能較差，同等直徑的銅、鋁材料的性能差別較大，鋁導線的膨脹率是銅導線的1.43倍，而銅導線的抗拉強度是鋁導線的2.5倍。

    干式空心串聯電抗器在繞制過程中，導線要承受一定的拉緊力，固化成型后，整個結構硬而脆，電抗器投運后，導線會發熱并發生熱脹，停電后又會冷卻收縮。干式空心串聯電抗器頻繁的投切過程，易引發導線疲勞，如果此時導線抗拉強度偏低、蠕變特性不良就容易發生斷裂，進而造成局部過熱、匝絕緣損傷。導線與絕緣材料的膨脹系數不一致，干式空心串聯電抗器頻繁的投切，還會造成包封開裂、線圈進水受潮，進而導致匝間絕緣故障。

    4、諧波影響
    變電站設備中的諧波電流也是引起電抗器損壞的重要原因之一。在并聯電容補償裝置中電抗器和電容器串聯后構成諧振回路，起到消諧或濾波的作用，可以提高功率因數和改善供電質量，但是如果并聯電容器組參數設置不當或是投入電容器數量不當時，則注入該電容器組的諧波電流將被放大或是某次諧波引起電容器組諧振致使電抗器過流、過熱。例如，某些變電站并聯電容器組的串抗率為6.0%，很容易引起4次諧波諧振；一些35kV礦區用戶線路中經常存在4次諧波源；主變壓器的運行方式和電容器組的組合投退時，也可能會引起諧波系數放大。此外，目前串聯電抗器幾乎處于無保護狀態，一旦發生諧振引起的過壓、過流現象，無保護裝置去切除故障源，就會造成電抗器毀壞。

    五、防范措施
    根據以上分析，提出以下幾點防范措施：
    1、選型方面。與空心電抗器普遍存在局部溫升過高以及運行中事故率較高的情況相比，半心式電抗器體積較小，發熱問題得到較好解決，而且不容易發生磁飽和問題，從2006年起在廣西電網大量投入運行以來，尚未發生過熱燒毀事故，因此在選型時應優先選用半心式電抗器。

    2、監造方面。電抗器絕緣材料應優先選用F 級的，杜絕使用不符合合同要求的絕緣材料。由于繞制精度不夠會使各包封的阻抗不平衡，導致電抗器發生局部過熱現象，因此監造時應重點監督電抗器溫升試驗及匝間絕緣試驗。

    3、安裝方面。繼續執行南方電網關于新建變電站的干式空心串聯電抗器禁止采用疊裝結構的反事故措施規定，避免電抗器由單相事故發展為相間事故。

    4、運行維護。加強對干式空心串聯電抗器的運行監測，尤其是紅外監測。正常情況下，電抗器從下往上的溫度應由低至高，均勻分布；同一圓周上的溫度應一致，無局部發熱現象。對于背景諧波比較復雜、嚴重的變電站，值班員應將電抗器列為重要的巡視設備，根據負荷情況，相應地增加巡視和紅外測溫次數。對電容器組中電抗率不滿足用戶負荷發展需求的，應重新校核或設計。