干式空心電抗器關(guān)鍵運(yùn)維技術(shù)及使用壽命研究綜述

王耀 羅新 谷裕

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州510663）

0 引言

干式空心電抗器在國(guó)外已經(jīng)有30余s年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)普及也有20余年。由于干式空心電抗器線性特性好、參數(shù)穩(wěn)定、噪聲小、免維護(hù)，因此用量逐漸增加[1-3]。電抗器在運(yùn)行過(guò)程中，容易出現(xiàn)著火、燒毀故障，電網(wǎng)公司由于干式電抗器著火導(dǎo)致跳閘的事故時(shí)有發(fā)生。因此，對(duì)于干式電抗器的紅外測(cè)溫技術(shù)及熱場(chǎng)分布特性研究對(duì)其壽命評(píng)估具有十分重要的工程意義。在評(píng)估干式空心電抗器運(yùn)行壽命時(shí)，內(nèi)絕緣電-熱壽命、外絕緣熱壽命、短路耐受特性、工藝水平、質(zhì)量控制水平都是制約產(chǎn)品壽命的關(guān)鍵因素，此外，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行維護(hù)等后期措施也是保證產(chǎn)品使用壽命的重要補(bǔ)充手段[4-5]。

本文將對(duì)干式電抗器產(chǎn)品壽命現(xiàn)狀進(jìn)行分解評(píng)估，對(duì)換流站、變電站常用干式電抗器進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，從而為干式電抗器的運(yùn)維提供參考依據(jù)。

1 影響干式空心電抗器壽命的主要原因統(tǒng)計(jì)

據(jù)筆者公司所發(fā)生的干式電抗器故障統(tǒng)計(jì)，除去極特殊的系統(tǒng)故障和不可控外力以及電抗器先天設(shè)計(jì)壽命不足外，影響干式空心電抗器壽命的主要原因有：

（1）電抗器線圈導(dǎo)線存在先天缺陷，異常發(fā)熱導(dǎo)致匝間絕緣老化直至造成匝間短路，最終引起電抗器起火，使電抗器損壞。

（2）電抗器出線頭因焊接不當(dāng)，振動(dòng)疲勞開(kāi)斷，使電抗器各層導(dǎo)體分流紊亂，某些導(dǎo)層異常過(guò)熱，最終加速電抗器絕緣老化。

（3）電抗器包封層表面因固化應(yīng)力集中，在經(jīng)歷頻繁投入、退出時(shí)，熱脹冷縮引發(fā)線圈表面開(kāi)裂，縫隙處易積污和存儲(chǔ)潮氣，誘發(fā)局部放電，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒蝕內(nèi)部導(dǎo)線絕緣，最終引發(fā)匝間短路或沿面閃絡(luò)。

（4）電抗器線圈沿面出現(xiàn)漏電起痕和樹(shù)枝性放電，最終導(dǎo)致沿面閃絡(luò)，使電抗器損壞。

（5）電抗器頻繁受過(guò)電壓和過(guò)電流沖擊，線圈產(chǎn)生機(jī)械性受力疲勞損傷，縮短產(chǎn)品使用壽命。

以上原因大體可總結(jié)為三點(diǎn)：主要原材料質(zhì)量問(wèn)題、工藝質(zhì)量控制問(wèn)題以及電氣與機(jī)械性能問(wèn)題[6-7]。數(shù)次干式電抗器解剖結(jié)果表明，故障往往多發(fā)于中間包封處，該處溫升一般最高，絕緣薄弱點(diǎn)最容易劣化。無(wú)論何種原因?qū)е碌碾娍蛊鞴收献罱K都將表現(xiàn)為內(nèi)部某處發(fā)熱、溫升過(guò)高，進(jìn)而發(fā)生燒毀或閃絡(luò)短路故障。

2 干式電抗器溫度場(chǎng)有限元仿真

南方電網(wǎng)超高壓輸電公司所轄換流站、變電站使用的并聯(lián)電抗器、串聯(lián)電抗器、濾波阻尼電抗器都發(fā)生過(guò)燒毀事故，因此本文采用COMSOL仿真軟件對(duì)干式電抗器的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，研究其內(nèi)部溫度特性。電抗器的損耗、仿真模型的建立、邊界條件的設(shè)置等在文獻(xiàn)[8-10]中有詳細(xì)介紹，此處不再贅述。下面對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 并聯(lián)電抗器（BK）仿真計(jì)算結(jié)果

該電抗器額定電流為1 050 A，絕緣等級(jí)為F級(jí)，冷卻方式為空氣自冷，技術(shù)條件符合IEC 60076-6《電抗器》及技術(shù)協(xié)議要求。由電抗器本體、防雨罩、絕緣支撐件等組成，電抗器本體包括16層包封。設(shè)置邊界條件并加載損耗之后進(jìn)行電抗器熱流耦合計(jì)算，得到電抗器的溫度場(chǎng)分布如圖1所示。

圖1 并聯(lián)電抗器的溫度場(chǎng)分布圖

從圖1可以看出，電抗器的熱點(diǎn)溫度為376.9 K，熱點(diǎn)位置位于第11層包封（自電抗器中心由內(nèi)向外）由下往上約90%處，熱點(diǎn)溫升為73.75 K。從熱源密度的分布上看，第1層包封的熱源密度是最大的，但其溫升卻不是最大的，原因是第1層包封外表面的自然對(duì)流散熱條件較好，空氣的流動(dòng)會(huì)帶走一部分熱量，使溫度降低。第11層包封的熱源密度不是最大的，但是在所有包封層中也是相對(duì)較大的，且第10層、第12層包封的熱源密度也比較大，加上第11層包封處在電抗器包封的中部，因此散熱相對(duì)較差，溫度最高。除第11層包封外，第2層、第3層、第10層、第12層包封的溫升較高。從軸向上來(lái)看，各包封層軸向上的溫度分布都存在以下規(guī)律：各包封層上端溫度較高，中間溫度次之，而下端溫度較低。

2.2 阻尼電抗器（ZKK）仿真計(jì)算結(jié)果

該阻尼電抗器額定電流為233 A，絕緣等級(jí)為F級(jí)，技術(shù)條件符合IEC 60076-6《電抗器》及技術(shù)協(xié)議要求。ZKK電抗器本體包括4層包封，對(duì)電抗器各包封層的損耗進(jìn)行計(jì)算，并加載在相應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，得到阻尼電抗器溫度場(chǎng)分布的結(jié)果如圖2所示。

圖2 阻尼電抗器的溫度場(chǎng)分布圖

從圖2可以看出，電抗器的熱點(diǎn)溫度為347.6 K，熱點(diǎn)位置位于第2層包封（自阻尼電抗器中心由內(nèi)向外）由下往上約85%處，熱點(diǎn)溫升為48.35 K。第3層包封由下往上約85%位置處的溫度為346.9 K，溫升為47.65 K，是溫度較高的包封。第2層、第3層包封處于電抗器包封的中間位置，散熱條件較差，因此其溫度較高。

2.3 串聯(lián)電抗器（CK）仿真計(jì)算結(jié)果

該串聯(lián)電抗器額定電流為233 A，絕緣等級(jí)為F級(jí)，技術(shù)條件符合IEC 60076-6《電抗器》及技術(shù)協(xié)議要求。CK電抗器本體包括11層包封，對(duì)電抗器各包封層的損耗進(jìn)行計(jì)算，并加載在相應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，得到串聯(lián)電抗器溫度場(chǎng)分布的結(jié)果如圖3所示。

圖3 串聯(lián)電抗器的溫度場(chǎng)分布圖

從圖3可以看出，電抗器的熱點(diǎn)溫度為356.8 K，熱點(diǎn)位置位于第2層包封（自串聯(lián)電抗器中心由內(nèi)向外）由下往上約85%處，熱點(diǎn)溫升為58.65 K。溫度較高的還有第7層包封，第7層包封由下往上約85%位置處的溫度為349.4 K，溫升為51.25 K。處于電抗器包封中間位置的幾層包封，散熱條件較差，因此其溫度都相對(duì)較高。

根據(jù)并聯(lián)電抗器、串聯(lián)電抗器、濾波阻尼電抗器的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，可以知道在日常運(yùn)行中溫升較大點(diǎn)所處包封，據(jù)此在檢修運(yùn)維時(shí)需對(duì)溫升較高的包封加強(qiáng)關(guān)注，廠家在生產(chǎn)制造時(shí)也應(yīng)注意這些包封的制造工藝及制造質(zhì)量。

3 干式電抗器關(guān)鍵運(yùn)維措施

針對(duì)上文的溫度場(chǎng)分布及使用壽命影響因素分析，結(jié)合筆者公司近十年的電抗器運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)及故障分析統(tǒng)計(jì)，總結(jié)干式電抗器的12條關(guān)鍵運(yùn)維措施如下：（1）定期檢查是否有鳥(niǎo)類在電抗器或絕緣支架上筑巢。（2）定期檢查是否有異常聲響，是否有螺栓或其他部件松動(dòng)；檢查電抗器噪聲罩的棉上是否有螺栓脫落；檢查地面上是否有掉落螺栓或其他物體。（3）定期檢查電抗器外表面是否有放電痕跡出現(xiàn)。（4）定期檢查電抗器外表面是否有明顯的不正常變色情況發(fā)生。（5）定期檢查聲罩表面RTV涂層的質(zhì)量，如有脫落跡象，必須及時(shí)進(jìn)行局部處理。

（6）采用紅外成像儀，定期檢查整體電抗器是否有過(guò)熱點(diǎn)產(chǎn)生（防止有電場(chǎng)中存在懸浮金屬）。

（7）檢修時(shí)對(duì)電抗器內(nèi)部各風(fēng)道進(jìn)行除塵，并檢查是否存在異物。

（8）檢修時(shí)檢查絕緣子傘面是否有破損，并清洗和擦拭絕緣子傘面（用稀釋的丙酮溶液或清水）。

（9）檢修時(shí)檢查電抗器整體螺栓是否有松動(dòng)。

（10）檢修時(shí)檢查地線接觸是否良好。

（11）檢修時(shí)檢查電抗器線圈上下出線頭有無(wú)松動(dòng)（可手動(dòng)試探）。

（12）檢修時(shí)檢查電抗器線圈上端是否曾有漏雨跡象。

以上運(yùn)維措施可為檢修、運(yùn)行人員在干式電抗器維修、維護(hù)、制定運(yùn)維策略時(shí)提供參考。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)筆者公司對(duì)于干式電抗器近20年的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)及故障統(tǒng)計(jì)，對(duì)影響干式空心電抗器壽命的主要原因進(jìn)行了分析總結(jié)，并對(duì)3款常規(guī)干式電抗器產(chǎn)品進(jìn)行了溫度場(chǎng)計(jì)算，總結(jié)了12點(diǎn)有關(guān)干式電抗器的關(guān)鍵運(yùn)維措施，可為檢修、運(yùn)行人員提供參考。

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