35 kV干式并聯電抗器家族缺陷分析及改進措施

孟 毅，李凱宇

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

35 kV干式并聯電抗器家族缺陷分析及改進措施

孟 毅，李凱宇

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

介紹了一起35 kV干式并聯電抗器家族缺陷，分析了缺陷產生的原因。指出電抗器調匝線圈安裝位置對其所處附近電場強度有重要影響，當調匝線圈安裝于繞組頂層時，調匝線圈附近局部最大電場強度將遠大于其安裝于繞組底層時，在電抗器投切操作過電壓條件下，更易發生局部放電或擊穿，將導致調匝線圈起火和燒毀電抗器。同時指出了家族缺陷電抗器調匝線圈制造工藝存在的問題，介紹了該起家族缺陷的認定情況，對家族缺陷電抗器產品設計、制造及運行維護提出了改進措施。

干式并聯電抗器；家族缺陷；匝線圈；操作過電壓

0 引言

干式空心電抗器具有結構簡單、電抗值線性度好、質量輕、設備成本低、安裝維護方便等特點，自1980年代起在我國電網得到了廣泛應用[1-2]。以湖北為例，目前國網湖北省電力公司有大量高壓干式空心電抗器用于變電站（換流站）無功補償、濾波，變電站（換流站）及輸電線路限流等場所，電壓等級覆蓋6 kV、10 kV、20 kV、35 kV、66 kV、110 kV以及500 kV，在運數量約為3 303組（交流設備三相計1組）。隨著干式空心電抗器運行數量的逐年增多及運行年限的增長，早期產品由于存在技術不成熟或工藝控制不到位等因素導致產品質量缺陷逐漸顯現[3-4]，其中少數廠家型號產品缺陷故障高發，呈現明顯的家族缺陷特征。分析設備運行中發現的批次性或家族性問題，采取積極有效的措施進行克服，對提高制造廠家產品設計制造水平，保障同類設備安全可靠運行具有重要意義。本文介紹了湖北電網一起35 kV干式并聯電抗器家族缺陷情況，分析家族缺陷原因，提出了改進措施。

1 缺陷及故障介紹

分析湖北電網干式空心電抗器運行情況，發現國內某公司（以下簡稱“該公司”）生產的35 kV干式并聯電抗器產品故障發生率高，主要表現為運行中電抗器頂部起火，導致設備跳閘，產品燒毀。統計歷年共計發生燒損故障11臺次，其中幾次典型故障情況如下。

2008年8月31日，玉賢變2-3L電抗器C相頂部出現燃燒現象并且火勢向下蔓延[5]，位于頂部的防雨罩及調匝線圈均燒毀，電抗器上部包封燒毀。該組電抗器為2006年2月出廠，2006年6月投運，型號為BKGL-20000/34.5W。玉賢變2-3L電抗器C相起火初期照片如圖1所示。

圖1 玉賢變2-3L電抗器C相起火Fig.1 The fire of 2-3L C-phase Reactor in Yuxian substation

2010年3月13日，磁湖變2-2L電抗器A相頂部調匝線圈燃燒，熔渣掉落地面導致草坪起火，該組電抗器為2008年4月出廠，2008年6月投運，型號為BKGKL-20000/34.5W。

2013年2月1日，孝感變1-1L電抗器C相頂部起明火，頂部防雨罩及調匝線圈完全燒毀，頂部環氧樹脂包封燒黑，頂部星形架坍塌。該組電抗器歷史運行中時有故障發生，2010年8月10日發現該組電抗器A相上部有兩股引線斷裂，不能投運；2011年12月5日該組電抗器C相頂部調匝線圈多處燒融、燒斷，融化的鋁線渣掉落到地上引起草坪大面積著火，2011年12月17日現場更換了C相調匝線圈。該組電抗器為2000年12月出廠，2001年12月投運，型號為BKGKL-20000/34.5W。

2013年3月13日，孝感變1-2L電抗器C相頂部起明火，頂部防雨罩及調匝線圈完全燒毀，頂部環氧樹脂包封部分燒黑，頂部星形架坍塌。該組電抗器為2000年12月出廠，2001年12月投運，型號為BKGKL-20000/34.5W。孝感變1-2L電抗器C相燒毀現場如圖2所示。

圖2 孝感變1-2L電抗器C相頂部燒毀Fig.2 The burned 1-2L C-phase Reactor in Xiaogan substation

2014年10月10日，光谷變4-1L電抗器B相頂部調匝線圈燒焦，并有輕微冒煙現象。該組電抗器為2008年3月出廠，2008年7月投運，型號為BKG?KL-20000/35W。

2015年2月15日孝感變1-2L電抗器A相頂部起明火，頂部防雨帽及調匝線圈完全燒毀，地面掉落金屬燒熔物體。該組電抗器為2000年12月出廠，2001年 12月投運，型號為 BKGKL-20000/ 34.5W。上述故障電抗器產品均為該公司生產。

2 缺陷及故障原因

針對該公司產品多次故障開展調查，綜合分析產品燒損原因如下。

2.1 結構設計問題

調匝線圈是干式空心電抗器主要組成部件。受電磁計算模型、精確度及制作工藝限制，電抗器制作完成后，各包封間電流密度不均衡，與計算值存在差異，需加設調匝線圈進行平衡。電抗器頂部和底部裝設“米”字形支架，該支架是電抗器各包封電流的匯流回路。對干式交流并聯電抗器而言，其頂部支架一般接電源側進線端子，底部支架通常接出線端子，三相交流并聯電抗器通常接成星形連接，運行中中性點不接地。調匝線圈一般安裝固定于電抗器頂部或底部支架上，以便于調匝線圈接頭分別與電抗器各包封及支架相連接[6-8]。

華中電網有限公司與武漢大學針對玉賢變2-3L電抗器燒毀故障對調匝線圈附近電場進行計算，結果表明，當電抗器包封表面光滑完好時，在調匝線圈安裝于頂部支架與包封繞組頂層相連，或安裝于底部支架與包封繞組底層相連兩種方式下，匝間絕緣和包封端部邊沿倒角處存在較大的電場強度。具體計算結果如表1所示。

表1 調匝線圈局部最大電場強度 （單位：V/mm）Tab.1 The local maximum electric field strength near the regulating coil

由表1可見，調匝線圈安裝于頂部或底部幾乎不對匝間絕緣最大電場強度造成影響，但是當調匝線圈安裝于頂部時，包封端部邊沿倒角局部最大電場強度值遠大于當其安裝于底部時，是匝間絕緣最大電場強度值的1.9倍。同時計算表明，在電抗器包封表面局部破壞、存在裂痕條件下，當調匝線圈安裝于頂部時，裂痕附近包封外側表面局部最大電場強度明顯大于其安裝于底部時。

檢查該公司2010年以前產品，發現調匝線圈均安裝于電抗器頂部支架上（電源進線側），此種安裝方式致使調匝線圈接頭處于局部高電場強度的工作環境下，如調匝線圈絕緣強度不足或損傷，電抗器投切操作引起的暫態過電壓將造成接頭處因過高電位梯度發生局部放電甚至擊穿。上述電抗器故障中即有多起發生在電抗器投入運行數小時后，此外，調匝線圈安裝于頂部支架上，在電抗器制造、搬運、安裝過程中更容易受外力破壞（如踩踏、誤撞等），造成絕緣損傷，因此這對調匝線圈絕緣工藝提出了更高的要求。

2.2 調匝線圈制造工藝問題

在例行檢修及故障調查過程中，多次發現該公司35 kV干式并聯電抗器調匝線圈與頂部支架及與電抗器包封連接導線接頭的焊接工藝粗糙，電抗器運行中產生的振動造成個別連接導線斷裂。同時振動造成了支架對調匝線圈產生摩擦，破壞調匝線圈絕緣。這直接造成了調匝線圈放電、擊穿或局部過熱起火。燒損的調匝線圈外觀如圖3所示。在制造廠繞制工藝方面，調匝線圈采用手工繞制，所用環氧樹脂為常溫固化，其絕緣強度低于采用機器繞制、高溫固化的本體包封。

圖3 磁湖變2-2L電抗器A相調匝線圈外觀Fig.3 The appearance of the regulating coil of 2-2L A-phase reactor in Cihu substation

3 家族缺陷的認定

家族缺陷管理是電網設備缺陷管理和電氣設備性能技術監督的重要環節。國家電網公司電網設備缺陷管理規定（國網（運檢/3）297-2014）對家族缺陷的定義為：經確認由于制造廠設計、材質、工藝等同一共性因素導致的設備缺陷或隱患成為家族缺陷。如某設備出現家族缺陷，則具有同一設計、和/或材質、和/或工藝的其它設備，不論其當前是否可檢出同類缺陷，在這種缺陷或隱患被消除之前，都成為家族缺陷設備。根據該規定，國家電網公司和省級電力公司均可認定和發布家族缺陷。

目前國網湖北省電力公司共裝用該公司35 kV干式并聯電抗器31組，歷年共計發生燒損故障11臺次，燒損率11.83%，燒損產品均為2010年及以前生產。該公司產品燒損故障頻發，燒損率遠高于其他公司同類產品，呈現家族缺陷特征，經分析調匝線圈存在設計與制造工藝問題。因此，國網湖北省電力公司開展了家族缺陷認定并進行了發布，認定該公司2010年及以前生產的35 kV干式并聯電抗器存在重大家族缺陷，涉及該公司BKGL-20000/34.5W、BKGKL-20000/34.5W、BKGKL-20000/35W、BK GKL-15000/34.5共4個型號產品。

根據該公司文件，針對湖北省內玉賢變2-3L電抗器、磁湖變2-2L電抗器燒毀及其他省多起故障暴露的問題，該公司對調匝線圈予以了特別重視和關注，并于2010年10月起進行了設計與工藝改進，采取了將調匝線圈移至電抗器底部、對調匝線圈穿過支架的孔上加設絕緣套等措施。改進后產品尚未發生重大燒損故障，因此未納入本次家族缺陷發布范圍。

4 改進措施

對該類家族缺陷產品設計、制造工藝建議的改進措施為：一是改變調匝線圈安裝位置，以避免運行中調匝線圈因電抗器投切操作過電壓發生絕緣損傷，同時減少在制造、搬運、安裝過程中受外力破壞的可能性；二是完善制作工藝，避免因焊接及支架毛刺對調匝線圈絕緣造成損傷，改進調匝線圈繞制和絕緣固化工藝，加強調匝線圈制作工序工藝控制和檢驗力度；三是參考或引進國內外先進的設計方法與制造工藝，通過精確電磁計算，取消調匝線圈，在線圈繞制過程中，從繞組起端開始到尾端結束只采用一根導線。

結合該類產品故障情況、運行維護檢修經驗及家族缺陷形成原因，對存在該類家族缺陷的35 kV干式并聯電抗器提出針對性運行維護措施：一是縮短電抗器狀態檢修周期，例行紅外測溫周期縮短為每星期一次，電抗器投入帶電后應開展紅外測溫，重點檢查電抗器頂部溫度，適當縮短停電檢修試驗周期；二是電抗器停運后應檢查垂直風道是否存在堵塞，發現異物及時清理，保持空氣流通，檢修時重點檢查調匝線圈與支架及與本體包封連接處接頭外觀是否良好，檢查調匝線圈支架固定處磨損情況；三是對電抗器基礎下方草坪進行硬化改造，避免起火造成故障范圍擴大危及其它設備；四是結合電抗器狀態縮短設備壽命計劃周期，逐步安排進行更換。

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Analysis and Countermeasures of 35 kV Dry-type Shunt Reactor Familial Defect

MENG Yi,LI Kaiyu
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China)

A familial defect of 35 kV dry-type shunt reactors is introduced,and the causes of the defect are analyzed in this paper.It is found that the installation position of the regulating coil has an important influence on the electric field strength nearby.When the regulating coil is installed at the top of the winding,the local maximum electric field strength near the coil is much larger than that at the bottom of the winding.Partial discharge or breakdown of the regulating coil is easy to oc?cur under the condition of the reactor switching overvoltage,which may cause the regulating coil to catch fire and burn the reactor.And the problem existing in the regulating coil manufacturing pro?cess is also pointed out.The identification of the familiar defect is introduced.The countermea?sures are put forward in the product design,manufacture and maintenance aspects.

dry-type shunt reactor；familiar defect；regulating coil；switching overvoltage

TM472

A

1006-3986(2016)07-0013-04

10.19308/j.hep.2016.07.003

2016-06-01

孟 毅（1982），男，湖南益陽人，高級工程師。