油浸式并聯電抗器鐵芯屏蔽典型缺陷分析

徐 鵬，陳 昊，付文波，季克松，裴文龍

(國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

作為電網重要的無功補償設備，并聯電抗器在線路電容效應補償、電網無功分布改善、運行電壓調節等方面發揮著積極作用，對電網的安全穩定運行有著重要意義。

電抗器的屏蔽結構是電抗器的設計重點之一，為了均勻電場，部分設備制造廠家采用在并聯電抗器鐵芯外側加裝屏蔽層的工藝，屏蔽鐵芯硅鋼片棱角及表面毛刺、尖角等，鐵芯屏蔽層也被稱為地屏。

電抗器鐵芯屏蔽層對于屏蔽硅鋼片多級棱角、表面尖端降低電抗器局部放電量具有重要作用，分析其結構及缺陷發展對于消除隱患、維護電網安全具有重要意義。

以下針對油浸式并聯電抗器鐵芯屏蔽層典型缺陷展開研究，通過屏蔽層開裂、屏蔽層褶皺、屏蔽層片間短路等多起案例，分析并提出相應的技術防范措施。

1 屏蔽結構

電抗器鐵芯硅鋼片疊裝為圓形階梯結構時，無法避免地會出現多級棱角的情況，再加上硅鋼片切割過程中產生的毛刺、表面尖端等，當電抗器鐵芯勵磁時，在硅鋼片棱角、毛刺及表面尖端的部位易出現局部場強過高的情況。當場強超過臨界值時就會引發局部放電，即使短時間內不足以危及設備主絕緣，但已形成潛在的安全隱患，隨著運行時間逐漸發展，最終影響設備的正常運行。

鐵芯屏蔽層包繞在電抗器鐵芯柱和鐵軛外部，可有效降低電位、均勻電場，對硅鋼片棱角、毛刺、尖端等場強易增高部位起到屏蔽作用，防止因硅鋼片棱角、毛刺及尖端引發的場強畸變影響外部繞組。

鐵芯屏蔽層材料多采用高頻電磁波不易穿透的銅箔或鋁箔，為減少渦流損耗，將銅箔或鋁箔裁剪成細條狀。鐵芯屏蔽層有“橫條式”和“豎條式”兩種結構。

鐵芯屏蔽層制作時，將裁剪好的銅箔或鋁箔粘在絕緣紙上，然后用短接片把所有銅箔或鋁箔的一側連接起來，并引出接地，一般將引出線接在夾件上，保證鐵芯屏蔽層可靠接地。

2 典型缺陷

在電抗器鐵芯和旁軛外部加裝屏蔽層可有效屏蔽硅鋼片尖端、毛刺等，能夠均勻電場分布、降低設備局放，但帶有鐵芯屏蔽層的電抗器投入運行后又會引發其他問題，比如因屏蔽層銅箔褶皺、斷裂引起的局部場強畸變，屏蔽層短接形成的環路引發局部過熱等。

2.1 屏蔽層開裂

某500 kV油浸式電抗器投運前現場交接試驗數據均無異常，投運后短時間內油色譜出現異常，乙炔增長至0.41 μL/L，氫氣、甲烷等組份均有所增長，且氣體濃度呈上中下分層的情況。

先后對該電抗器進行2次內檢，可視范圍內夾件、圍屏、絕緣螺栓、墊塊、拉帶、集磁板等部位均無異常，未發現放電導致的絕緣發黑現象。出線裝置屏蔽筒、上均壓環、下均壓環、均壓環屏蔽罩、引線絕緣完整，無顯著異常或放電痕跡。

進一步拆解檢查發現，靠近中性點套管旁柱的屏蔽層鋁箔及其緊貼的絕緣紙板對應處均有黑色痕跡，軸向位置在中部和下部。檢查屏蔽層等位連接接地銅帶，發現鋁箔與其連接處開裂，該電抗器鐵芯屏蔽層采用“橫條式”布置。

結合本次解體情況及設備停運前的色譜和電氣試驗情況，判斷屏蔽層鋁箔開裂是導致本次高抗投運后短期內出現油色譜異常的根本原因，該處開裂導致鋁箔和接地銅帶不可靠接觸，引起間斷性懸浮放電，在紙板和鋁箔上形成炭黑并在油中產生乙炔。

2.2 屏蔽層褶皺、斷裂

某1 000 kV電抗器于2013年9月投運，運行約6個月后首次出現微量乙炔，并呈間歇性緩慢增長趨勢，隨后該高抗退出運行，返廠解體檢查。

該電抗器鐵芯屏蔽層為“豎條式”結構，解體檢查發現，該電抗器A柱屏蔽層銅帶存在皺褶，局部存在黑色痕跡，其余無明顯異常；X柱屏蔽層(由兩張組成)表面有碳黑痕跡，銅帶側出現放電碳化現象，部分銅帶出現斷裂。

該高抗鐵芯屏蔽層干燥工藝采用傳統干燥方式。由于銅帶與紙板粘結在一起，紙板實際發生了熱塑性變形，因此銅帶受到紙板收縮的作用發生變形產生褶皺。電抗器工作時，在電磁力的作用下，鐵芯與器身產生振動。銅帶在電抗器器身振動的帶動下發生懸臂振動，在加速度與慣性力的作用下，在固定點處產生彎曲應力，當彎曲應力超過銅帶的抗拉強度時，發生了斷裂。

銅帶褶皺形成的尖銳電極引起了電場的畸變，電應力過于集中導致放電。這一現象在線路電壓出現波動或操作時，因電抗器的振動加大而被進一步放大。隨著故障的進一步發展，銅帶被破壞最終斷裂，其中分裂出去的部分銅帶成為了懸浮電極，造成局部電場分布愈加集中，放電能量與頻次增加，在此期間色譜有較為明顯的反應。

2.3 屏蔽層片間短路

某500 kV變電站并聯電抗器進行周期性取油樣檢測時，發現離線色譜總烴異常，出現微量乙炔，且色譜各組分數據較上個周期檢測數據均有明顯增長，利用三比值法判斷故障類型大致為中溫過熱。

對該并聯電抗器開展絕緣電阻、介損、直流電阻、直流泄漏等現場試驗，未發現異常，遂進行返廠解體分析。設備拆解前進行了絕緣、直阻、外施耐壓、感應耐壓等試驗，試驗結果與出廠及現場試驗進行對比，損耗有所增加，其他數據無明顯變化。試驗前后乙烯、乙烷等有所增加。

該電抗器鐵芯屏蔽層采用“豎條式”結構，一共有28片銅箔片構成，銅箔的一側用短接片實現片間連接，然后經一條短接線接在上夾件上實現等電位連接；銅箔的另一側片間留有間隙。拆解發現A相鐵芯柱屏蔽層第28片銅箔邊角折疊，搭接在第27片銅箔表面，兩片銅箔接觸部位存在黑色灼燒痕跡，對應位置外部絕緣紙亦存在黑色燒蝕痕跡。

該電抗器缺陷為制造廠裝配工藝問題所致，A相鐵芯銅屏蔽第28片銅箔邊角翹起、折疊，與相鄰第27片銅箔表面搭接。由于銅屏蔽銅箔一側已經通過短接片連接，另一側第27片和第28片銅箔的接觸使兩片銅箔之間形成閉合回路。在交變磁場作用下該閉合回路產生環流，由于兩片銅箔搭接位置接觸電阻較大，造成該位置產生局部過熱，進而引起銅箔表面燒蝕。

3 防治措施

從以上幾起故障案例可以看出，電抗器鐵芯屏蔽層缺陷會給設備運行帶來重大的安全隱患。由于屏蔽層包繞在鐵芯和旁軛外側，目前尚未發現可靠的檢查和監測手段，難以預知其缺陷發展和故障衍生過程，且因鐵芯屏蔽層缺陷導致的返廠修理需對電抗器進行較為細致的拆解，耗費大量人力、物力，因此，鐵芯屏蔽層選材、制作、轉移、包扎等過程都需引起重視。

(1) 屏蔽層的選材一般選用較薄的銅箔或鋁箔，裁剪時盡可能窄以減少渦流損耗。屏蔽層銅箔或鋁箔剪切過程中，表面易出現尖端、毛刺等，需進行打磨處理，保證表面光潔平整。銅箔或鋁箔剪切完成后需要粘貼在絕緣紙表面，粘合劑需涂抹均勻，保證銅箔、鋁箔粘貼平整，無鼓包或褶皺，銅箔或鋁箔與絕緣紙的粘合處無多余粘合劑殘留。

(2) 屏蔽層制作過程中非短接一側的銅箔或鋁箔嚴禁出現短路、虛接等情況，可在銅箔或鋁箔片間導通測試合格后再進行焊接。屏蔽層銅箔或鋁箔與短接片焊接過程中，需注意銅箔或鋁箔表面清潔，焊接處牢固、可靠，不允許出現虛焊、漏焊等。

(3) 由于屏蔽層面積較大，且屏蔽層制作和屏蔽層裝配多數不在一個車間，因此在屏蔽層轉移過程中易造成銅箔或鋁箔彎折，與絕緣紙粘合處鼓包，與短接片焊接處脫焊等現象。因此，屏蔽層轉移過程中需加強監護。轉移到位后確認銅箔或鋁箔無變形，表面平整無氣泡、鼓包或褶皺等，焊接處焊點可靠無松脫。

(4) 屏蔽層包扎過程中，由于受力不均或者粘合劑涂抹不均，銅箔或鋁箔邊角處容易出現翹起、折疊現象。因為銅箔或鋁箔片間間距較小，一旦邊角翹起，在包扎過程中有極大可能與相鄰銅箔或鋁箔片發生接觸，形成環路。銅箔或鋁箔片粘貼于絕緣紙的內表面，屏蔽層包繞、綁扎過程中不易被發現。因此在屏蔽層包扎前應檢查銅箔或鋁箔片是否存在異常，包繞過程中保證銅箔或鋁箔片首端和尾端邊角平整，包扎過程中注意受力均勻。

4 結論

在鐵芯、旁軛外側加裝屏蔽層可有效地均勻電場分布，降低局部放電發生的可能，但伴隨而來的屏蔽層工藝缺陷給設備的正常運行帶來極大威脅，再加上電抗器長期運行在震動環境下，對電抗器鐵芯屏蔽層制造工藝提出了更高要求。為避免以上事件再次發生，提高設備運行可靠性，提出以下建議。

(1) 在屏蔽層制作和電抗器裝配過程中，廠家應優化、改進工藝，加強關鍵部位和關鍵環節的測試，比如銅箔或鋁箔表面是否平整、片間是否構成回路、焊接點是否可靠等。

(2) 運維單位和監理單位需加強廠內關鍵點見證，尤其是易產生隱蔽性缺陷的環節，比如銅箔會鋁箔邊角折疊、短接片虛焊等。

(3) 屏蔽層缺陷，如接地線斷裂、片間短路及屏蔽層內部局部放電等在油色譜結果中能夠較為準確地反映，建議運維單位對于色譜異常的電抗器設備加強跟蹤，做好隱患排查。