戶外干式空心電抗器全絕緣問題探討

毛祥飛++蘇虎山

摘 要：戶外干式空心電抗器是無功補償裝置中重要組成設備之一。干式空心電抗器常見的故障主要有匝間短路、小動物及鳥類引起的相間或相對地短路等。該文對干式空心電抗器的故障的原因進行了綜合地闡述，提出了干式空心電抗器全絕緣處理的解決方案，并在絕緣材料和施工工藝方面進行了探討，為今后杜絕電抗器發生絕緣事故提供了有針對性的參考。

關鍵詞：干式空心電抗器 故障原因 處理方案

中圖分類號：TM47 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（c）-0056-04

該文通過對戶外干式戶外空心電抗器常見事故原因的分析，綜合闡述了事故發生的原因。從材料的選型到最終確認使用的驗證過程及經過絕緣處理后所能達到的預期效果，該文都做了詳細的敘述。介紹了戶外干式空芯電抗器進行全絕緣處理的詳細施工過程，尤其對電抗器匝間處理工藝進行了重點介紹。

經過全絕緣處理，相當于在電抗器表面形成了一道堅固的防護外衣。即使出現小動物攀爬也不會發生絕緣事故，保障了戶外干式空芯電抗器的安全可靠運行。

1 戶外干式空心電抗器運行中所存在的問題及故障原因分析

在電力系統中，無功補償設備具有如下作用：（1）提高電網的功率因數；（2）優化電能質量；（3）降低線路自損；（4）有效消除電力系統諧波。無功補償設備是否能夠安全可靠運行將影響整個電力系統的無功平衡和電網的正常運行。干式空心電抗器是無功補償設備的重要組成之一，設備通常運行在戶外環境中。

1.1 電抗器本身原因造成的故障

（1）由于材料膨脹系數的不同以及絕緣材料劣化。

干式空心電抗器最突出問題是絕緣材料老化龜裂。電抗器絕緣材料表面開裂，將導致線圈進水受潮等問題，引起電抗器匝間絕緣事故。

絕緣材料開裂一方面是由于電抗器生產廠家采用的環氧樹脂配方存在問題，導致絕緣材料在戶外紫外線、潮濕條件下容易出現老化；另一方面是因為導體材料與絕緣材料的膨脹系數不一致。

當電抗器投運后，導線會發熱并發生熱膨脹，停電后又會冷卻收縮。干式空心電抗器頻繁的投切動作，易引發電抗器導線疲勞。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、匝間絕緣損傷。導線與絕緣材料的膨脹系數不一致，干式空心電抗器頻繁的投切，還會造成包封開裂，將引起匝間線圈進水受潮，進而導致匝間絕緣事故。

（2）表面污物沉積和絕緣材料老化的共同作用。

干式空心電抗器在戶外復雜壞境條件下運行一段時間后，其表面會有污穢物堆積，同時表面絕緣材料也可能會出現粉化現象，形成污穢層。在雨天或大霧天氣，表面污層受潮，導致表面泄漏電流增大，產生電熱效應。這使得表面電場集中區域的水分蒸發較快，部分區域出現干區，引起表面局部電阻改變。電流在該中斷處形成很小的局部電弧，局部放電由此引起。

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。絕大多數樹枝狀放電產生于電抗器端部表面與星角架相接觸的區域。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，并在高溫下出現導線熔化。

（3）電抗器局部熱量集中。

造成電抗器溫升原因有：焊接質量問題，接線端子與繞組焊接處焊接電阻產生附加電阻而發熱。另外由于溫升的設計裕度很小，使設計值與國際規定的溫升限值很接近。除設計制造原因外，在運行時，如果電抗器的氣道被異物堵塞，造成散熱不良，也會引起局部溫度過高引起著火。

1.2 電抗器受外界因素造成的故障

異物引起的短路故障也是電抗器損壞的重要原因。尤其在冬天，室外溫度較低，而戶外干式空心電抗器作為發熱源，其內部發熱量較大，經常有鳥類或小動物在電抗器中取暖棲息，容易引起電抗器組的相間或相對地短路故障，見圖1。有造成電抗器損壞，甚至著火的風險。根據國網相關數據統計，電力系統每年都會出現大量因鳥類棲息、小動物攀爬或者異物的搭接引起的戶外干式空心電抗器短路事故，給國家造成巨大經濟損失。見圖1。

2 全絕緣處理方案

2.1 干式空心電抗器全絕緣技術關鍵點

由于電抗器本身線圈有環氧樹脂和玻璃纖維等絕緣材料纏繞，干式空心電抗器全絕緣研究與應用的技術關鍵點就是采用何種處理工藝對所有外露導電部位進行全絕緣處理，同時采用特殊工藝對電抗器匝間進行全絕緣處理，實現干式空心電抗器整體全絕緣，同時保證不影響設備的正常運行。

通過全絕緣處理后，干式空心電抗器在運行過程中，即使出現有小動物攀爬到電抗器相間，也不會造成電抗器相間短路，從而避免了設備事故的發生。絕緣處理后包封匝間線圈不再出現細微龜裂，能夠有效的阻止線圈受潮、老化，避免線圈短路燒毀設備的可能性，杜絕事故的發生。

根據對近幾年電網內發生的疊裝式干式空心電抗器相間短路事故分析，提出以下全絕緣處理方案：優選一種可靠優良而且常溫下可以自干的絕緣材料對電抗器的外包封（包括上下星角架、連接法蘭、絕緣子金屬件）進行噴涂，噴涂可分2～4次，總體厚度不低于0.5 mm。對于匝間應使用淋涂特殊工藝以保證匝間經處理后絕緣層均勻。對噴后薄弱部分可再次涂刷絕緣涂料。該方案在不需要大幅度改造已投運電抗器本身的前提下，耗工小，可行性高。通過優選絕緣材料，確定噴涂處理工藝及淋涂工藝，兩種工藝相結合的方式對電抗器進行整體全絕緣處理，已達到電抗器最佳安全運行效果。

2.2 全絕緣處理用絕緣材料應滿足的技術要求

串聯電抗器、限流電抗器一般情況下安裝在戶外，運行時間久。所使用絕緣材料應具備施工簡易、耐污閃、防潮、良好憎水性、阻燃、導熱等特性，為此，制定出全絕緣處理所用絕緣材料必須滿足如下技術要求。

（1）耐絕緣性能應高于電抗器疊放布置時的相間短路電壓：電壓等級為10 kV的戶外型疊放干式空心電抗器，涂層的耐壓水平應該大于12 kV；電壓等級為35 kV的戶外型疊放干式空心電抗器，涂層的耐壓水平應大于42 kV。

（2）導熱性。導熱性能優良，及時釋放設備熱量。

（3）包覆性。高強度、高附著力、與設備形成一體。

（4）耐老化性。防潮、憎水、耐臭氧、耐輻射、耐紫外線、耐老化，可實現免維護長周期運行，使用壽命長。防止外部環境酸堿鹽等對涂層的腐蝕。

（5）易施工。就地成型，使用方便，施工工期短，適合于異型設備及構件的表面保護和特殊電氣接點部位的絕緣防護處理。

（6）安全性。無毒、無污染、無腐蝕。

2.3 全絕緣處理用絕緣材料選型

按照絕緣材料技術要求對國內絕緣材料進行調研，經過多方面試驗比較，最終確定使用硅橡膠高壓絕緣涂料對電抗器進行全絕緣處理。以下對該涂料樣品試驗結果進行介紹。

（1）對樣品進行工頻耐壓試驗。

圖2為絕緣材料的試驗方案，用于測試涂料完全固化后的耐壓性能。測試方法：取1段鋁排，清潔表面后噴樣品涂料2遍。待涂料固化后，鋁排1端接地，涂料固化表層接高壓，試驗涂料干膜的耐壓值。

硅橡膠高壓絕緣涂料在不同厚度干膜條件下的耐壓試驗，具體數據見表1。

該樣品2次噴涂后可以滿足10 kV電壓等級的干式空心電抗器相間短路要求；通過增加噴涂遍數后重新做耐壓試驗。噴涂5遍后干膜耐壓試驗升壓到45 kV絕緣材料才擊穿。通過數據我們可以看出硅橡膠高壓絕緣涂料具有優良的絕緣性能。

（2）電抗器星角架全絕緣噴涂試驗。

使用硅橡膠高壓絕緣涂料對電抗器星角架進行絕緣處理，噴涂次數為5遍，待絕緣材料完全固化。將上星角架和下星角架進出線端子分別接高壓和地，并使用一根短接線連接上星角架和下星角架之間的絕緣涂料表面。見圖3。

從圖3中可以看出，跨接于兩層星角架之間的短接線等效于攀爬于電抗器相間的小動物。使用100 kVA耐壓試驗升壓變壓器對上部星角架施加高壓U后，上下兩星角架干膜絕緣涂料沒有發生擊穿現象，相與地之間不導通，沒有電流通過短接線。通過此項試驗證明，盡管有短接線（小動物）的存在，但是電抗器相間沒有發生接地現象。U值參見表2。

通過試驗結果，并結合產品型式試驗報告、導熱性能試驗報告，確定硅橡膠高壓絕緣涂料為干式空心電抗器全絕緣處理最佳絕緣材料。

2.4 現場施工工藝

采用絕緣材料對干式空心電抗器進行全絕緣處理，可以實現在不移動電抗器、不動用大型起吊安裝設備的情況下，方便地對已投運電抗器進行設備改造。建議采用以下解決方案。

（1）采用硅橡膠高壓絕緣涂料對電抗器的線圈部分進行絕緣防護噴涂，涂層厚度0.5 mm，有效地防止電抗器線匝因包封開裂而出現匝間短路事故。

（2）采用硅橡膠高壓絕緣涂料對電抗器的星角架部分進行全絕緣處理，涂層厚度：10 kV時為1.5 mm，35 kV時為2.3 mm，防止因鳥類棲息、小動物攀爬或異物搭掛而引起的相間短路或相對地的短路事故。

2.4.1 電抗器施工工藝

（1）干式空心電抗器用抹布從電抗器內側到電抗器外側，從電抗器上面到電抗器下面進行清潔。用表面處理劑對需要噴涂的部位進行全面的清理。

（2）等表面處理劑完全揮發后，開始對電抗器進行噴涂處理。處理的總體原則是先內后外、從上到下、先層間后表面、先線圈后支架。對空心電抗器線圈內部進行噴涂時，施工人員要帶防毒面具，做好安全防護。

（3）絕緣層厚度要求為：電抗器表層的厚度為0.5 mm。先對空心電抗器的內部和層間進行噴涂處理，等涂料表干后，用手電仔細檢查找出未涂部位及涂層厚度不合要求的部位，噴涂不易實現的部位要用毛刷蘸取涂料進行刷涂，達到要求的厚度后用噴槍再噴一遍，使表面光潔。內部和層間處理完成后，對電抗器外表面進行噴涂處理，包含電抗器的連接母排、絕緣子金屬構件都一并進行處理，同樣需要檢查、刷涂和復噴。不得出現缺損、堆積、流淌等現象。

（4）完成絕緣處理后，再分別用黃、綠、紅、三涂料對相應的A、B、C三相進行相色噴涂。保證相色涂層均勻完整的覆蓋電抗器外表面，不得出現缺損、堆積、流淌等現象。

2.4.2 電抗器匝間施工工藝

（1）電抗器匝間施工要與普通噴涂區分開，應使用淋涂工藝。

（2）將硅橡膠高壓絕緣涂料用稀釋劑按比例稀釋。

（3）調整好噴槍流量，不應噴出霧化涂料。調整好氣壓，噴槍噴淋流速不應過快。

（4）使用專用噴槍在匝間從上往下進行淋涂，匝間下面放置一個涂料回收桶，把從匝間上邊流下的涂料回收。

（5）一個匝間淋涂完成一次后，厚度大約為0.1 mm。靜止15 min，待表面稍干后再進行第二次淋涂，經過多次淋涂后，匝間確保厚度達到0.5 mm，涂層厚度均勻。

2.4.3星角架母排施工工藝

（1）將母排用硬質毛刷清理表面污垢及腐蝕物，使用表面處理劑對母排及絕緣子表面進行全面清潔。

（2）35 kV電抗器星角架絕緣層厚度要求為2.3 mm，10 kV電抗器星角架絕緣層厚度要求為1.5 mm。

（3）采用高級羊毛刷蘸取硅橡膠高壓絕緣涂料對星角架母排進行涂刷，保證涂刷均勻，然后采用硅橡膠絕緣膠帶呈45°角對母排進行纏繞，纏繞絕緣膠帶時需注意膠帶覆蓋層寬度要保持一致，增加審美感，拉力要適中。纏繞完最后一層膠帶后，再用液體硅橡膠高壓絕緣涂料對表面進行相色涂刷。

圖4為一組全絕緣化改造完畢的無功補償裝置效果圖：

3 結語

無功補償裝置在配電網中對提高電網功率因數和供電效率，改善供電質量的起到重大作用，對供電系統甚至整個電網都起著至關重要的作用。其重要組成部件之一干式空心電抗器對無功補償裝置安全運行的意義重大。該文對干式空心電抗器故障原因進行分析，對絕緣化改造材料選取、施工方案等進行了探討，通過對干式空心電抗器全絕緣化改造以實現設備的安全可靠運行。

參考文獻

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