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干式空心電抗器的運行分析及故障處理

2015-12-16

l  前言

大容量干式空心電抗器是近幾年研制開發的新型電抗器,它具有線性特性好、參數穩定、防火性能好等特點,因此用量逐漸增加。并聯電抗器經過長時間的運行,出現了不少的問題,有的被迫停運處理,有的逐漸演變成事故甚至設備燒毀。干式空心電抗器的運行故障主要是由于線圈受潮、局部放電電弧、局部過熱絕緣燒損等線圈匝間絕緣擊穿,以及漏磁造成周圍金屬構架、接地網、高壓柜內接線端子損耗和發熱等。

2  電抗器的作用

在超高壓、大容量的電網中安裝一定數量感性的無功補償裝置(包括并聯電抗器和靜止無功補償器),其主要目的:一是補償容性充電功率;二是在輕負荷時吸收無功功率,控制無功潮流,穩定網絡的運行電壓。各大電網均要求,在大中型變電站必須安裝電抗器來補償電容性的無功功率,做到就地補償,就地平衡,以保證電力系統的安全運行。

3  電抗器故障形成及處理措施

3.1  沿面樹枝狀放電和匝間短路的機理及處理措施

電抗器在戶外的大氣條件下運行一段時間后,其表面會有污物沉積,同時表面噴涂的絕緣材料也會出現粉化現象,形成污層。在大霧或雨天,表面污層會受潮,導致表面泄漏電流增大,產生熱量。這使得表面電場集中區域的水分蒸發較快,造成表面部分區域出現干區,引起局部表面電阻改變。電流在該中斷處形成很小的局部電弧。隨著時間的增長,電弧將發展并發生合并,在表面形成樹枝狀放電燒痕,形成沿面樹枝狀放電。由于絕大多數樹枝狀放電產生于電抗器端部表面與星狀板相接觸的區域11)。而匝間短路是樹枝狀放電的進一步發展,即短路線匝中電流劇增,溫度升高到使線匝絕緣損壞并在高溫下導線熔化而形成。

為了確保戶外電抗器不發生樹枝狀放電和匝間短路故障,應正確選用絕緣材料,改善工藝條件,提高工藝水平,改善工藝環境。保證電抗器的端絕緣、包封絕緣的整體性;絕緣膠應保證與導線具有良好的親和性,在運行條件和運行環境下,確保不產生裂紋和開裂現象;涂刷憎水性涂料可大幅度抑制表面放電,端部預埋環形均流電極的結構改進,可克服下端表面泄漏電流集中現象,即使不噴涂憎水性涂層或憎水性涂層完全消失,也能防止電極附近干區電弧的出現。頂戴防雨帽和外加防雨假層可在一定程度上抑制表面泄漏電流。此外,在污穢程度較嚴重的地區,應增加清理電抗器表面和絕緣子表面頻次。

3.2  溫升對電抗器影響

對近年來系統內幾起比較典型的干式電抗器事故進行了調查,發現電抗器運行溫度偏高。設計選擇的絕緣材料耐熱等級偏低是造成故障的主要原因。下面列舉幾個比較典型的事故。

(1)1997年7月29日9時07分,青海電力公司硝灣變35kV 54號開關速斷保護動作跳閘。檢查發現1號電抗器B相線圈有嚴重的燒傷痕跡,經試驗確認為匝間短路。分析認為,設計中端部電場過于集中,因工藝上未加RTV涂料的缺陷而發生水樹現象,致使事故發生,該電抗器返廠處理后于1998年4月投入運行。

(2)2002年5月14日0時28分,陜西神木變(330kV)2號主變低壓35kV并聯電抗器B相因外包封開裂,內部絕緣受潮引起匝間短路放電。經分析,電抗器表面樹枝狀放電最終導致短路后融化的金屬氣體噴射至A相引線上,又導致A,B相間短路。該事故導致變壓器受到直接短路沖擊退出運行。

(3)2003年6月5日重慶萬州局萬縣變(500kV)35kVI-2號電抗器在大雨天氣下外包封發生匝間短路,在煙塵和金屬顆粒的作用下發展為相間短路。分析后認為,也是由于樹枝狀放電作為先導,最終導致事故發生,該產品被迫返廠更換外包封。

根據溫度實測和解體分析,證實以上電抗器事故都是由于運行中熱點溫度高,加速了聚酯薄膜老化,當引入線或橫面環氧開裂處雨水滲入后加速了老化,喪失了機械強度,不能裹緊導線;當雨水多次滲入時,造成匝間短路引起著火燃燒。

3.2.1  電抗器運行時的溫升限值

在一定溫度下,絕緣材料不產生熱損壞的時間稱為絕緣材料的使用壽命。大型電抗器的電流在3 500A以上。這樣大的電流流過電抗器,即使電抗器的電阻很小(mΩ級),功率也在千瓦以上。電器產品的損耗越大,運行中產生的熱量就越大,在一定的條件下,電抗器的溫升也就越高,而溫升增高會加速絕緣材料的老化,使其失去絕緣性能,從而也會縮短電抗器的使用壽命。這說明電抗器溫升的高低是保證其質量和使用壽命的重要指標,因此GBl0229-1988和IEC標準中均對電抗器正常使用條件下的溫升做了專門的規定。

國標之所以對電抗器的溫升做嚴格的限制,是因為溫升直接影響著電抗器所用絕緣材料的使用壽命。根據Montsinger的壽命定律,絕緣材料的熱老化與溫度有如下關系:t=Aexp(aθ)。式中:t為絕緣材料的使用壽命;A為常數,B級材料約為6.5x105;a為常數,約為0.088;9為絕緣材料的溫度。

由上式看出,對于B級絕緣材料,每當溫度增加10℃,絕緣材料的使用壽命減少一半,這就是絕緣材料的10℃定則。A級絕緣材料為8℃,稱為8℃定則。溫升是保證電抗器質量和運行壽命的重要指標,電流越大就越難滿足要求。

形成溫升的主要原因有:溫升的設計裕度取得很小,使設計值與國標規定的溫升限值很接近;還有制造的原因,如繞制繞組時,線軸的配重不夠、繞制速度過快和停機均可造成繞組松緊度不好和繞組電阻的變化。另外,接線端子與繞組焊接處的焊接電阻是由于焊接質量的問題產生的附加電阻,該焊接電阻產生附加損耗使接線端子處溫升過高。另外,在焊接時由于接頭設計不當、焊縫深寬比太大,焊道太小,熱脆性等原因產生的焊縫金屬裂紋都將降低焊接質量,增大焊接電阻。   

3.2.2處理措施  

處理措施:①選擇合理的耐熱等級絕緣材料、設計運行溫度更合理的干式電抗器,從根本上解決電抗器戶外運行安全性較低的問題,以增加其使用壽命。②開展有效的防紫外線老化包封的防護漆的選型和研制,從根本上杜絕樹枝狀放電的出現。③改善電抗器上部引線與線圈的密封,2)。④戴帽防止日曬或雨淋,或是搭大棚,以改善通風條件,改善電抗器運行的環境溫度。⑤改善工藝條件,提高工藝水平,改善工藝環境,減少人為因素的影響。

干式空心并聯電抗器組特點之一是由多個并聯的包封組成,但由于設計和制造工藝上的問題,會造成各包封電流密度不一致,導致運行中部分包封溫度高?,F在某些廠家為了提高經濟效益,過分地提高電流密度,造成熱點溫升過大是電抗器故障的根本原因。因此,適當降低電流密度,提高絕緣耐熱等級是改善電抗器運行特性的根本措施。

3.3  漏磁

3.3.1  漏磁產生的原因及危害

在電抗器軸向位置有接地網,徑向位置有設備,遮欄、構架等,都可能因金屬體構成閉環造成較嚴重的漏磁問題,對周圍環境造成嚴重的影響。若在磁場范圍只有較大鐵磁物質,無閉環回路問題不大,若有閉環回路,如地網、構架、金屬遮欄等,其漏磁將感應環流達數百安培。這不僅增大損耗,更因其建立的反向磁場同電抗器的部分繞組耦合而產生嚴重問題,如是徑向位置有閉環,將使電抗器繞組過熱或局部過熱,如同變壓器二次側短路情況,如是軸向位置有在閉環,將使電抗器電流增大和電位分布改變,故漏磁問題并不能簡單地認為只是發熱或增加損耗。

3.3.2  處理措施

 只要消除閉合的金屬環路,如遠離金屬構架不使用金屬圍欄等,一般就可解決。較困難的是避免接地網及水泥構件中的閉環回路,應在安裝之前,核查安裝點是否存在閉環的接地網或含金眉閉環的水泥構件,合理地布置電抗器的安裝位置及接線端子位置。