干式电抗器相比油浸式电抗器具有损耗小、噪声低、强度高、安装方便、维护简单、电抗值为线性等显著优点,因此得到了迅速发展和广泛应用。从全国范围看,从20世纪80年代起国内就开始使用进口干式空心电抗器,国内厂家从1990年左右也陆续开发研制出了国产的干抗产品并迅速在国内电力系统推广使用,发挥了显著的作用。目前国内新投运的110 kV及以上变电站绝大多数均使用干式电抗器作为补偿。而目前国内有一定规模的生产干式串并联电抗器的厂家至少在30家以上。

  需要强调的是,随着干抗的普及使用,投运的台数大量增加,产品质量参差不齐,为电力系统的安全稳定运行留下了许多事故隐患。再加上干式电抗器在系统中运行最长不超过20年,其设计、工艺和材料等许多方面存在着一些先天性的弊端,通过长期的实际运行考验,问题才逐渐暴露出来。这也是近年来干抗事故频发的一个重要原因。这个问题正逐步受到运行和制造单位的关注。

  文章正是基于以上原因,通过对国内发生事故和存在缺陷的干式电抗器的分析研究和资料整理,特别是通过与运行单位和制造单位的合作,进行了大量的实验室模拟试验和现场的试验研究,总结出了干式电抗器绝缘状况诊断的若干方法,目的是为运行单位提供具有操作性的检查办法和建议,以保证目前已经运行的和未来投入运行的干式电抗器的安全性不断提高。

1 对运行中干式电抗器绝缘状况的诊断方法和采取的措施

1.1 红外成像测温技术

  运行中干式电抗器会因电流流过和漏磁作用,产生热量。在电抗器表面不均匀分布,一般情况由于热空气沿气道对流循环向上,使得电抗器外包封绝缘温度由下向上逐渐升高。正常情况下,用红外热成像仪或点温仪观察电抗器表面温度分布规律,可见从下往上温度值由低至高,均匀分布,空芯电抗器离上星型架10~30 cm处为线圈温度的最高点(线圈的最高位置)。半芯电抗器离上星型架30~40 cm处为线圈温度的最高点。在同一圆周上的温度应一致,无局部发热现象。电抗器的接线端温度正常(部分产品上下星型架的中心点温度达100 ℃左右,该处为各包封电流汇流点,且处于磁场的中心位置,结构点温度与线圈无关,因此可正常运行)。   

  但对于故障电抗器,则可能由于散热不良和局部缺陷造成的电流密度过大而导致局部温度升高。如线圈的绝缘开裂受潮,和导线局部通流截面积减小都会导致电抗器的表面局部过热,要引起足够重视,因为这种缺陷往往会在短时间内导致事故。

  另外,由于安装问题或长期运行振动引起电抗器进出线端的接线铝排连接螺丝松动,接触不良导致端头发热。通过红外成像或点温仪可以灵敏地发现这个缺陷。

  根据我们对试验的经验总结和研究,应对电抗器在正常情况下的温度分布进行红外测温,留取基础图谱,以后根据干抗的运行情况,每年应至少进行一次测温,特别是在夏季高温情况下和电抗器带满负荷运行时间较长时,将测量图谱与基础图谱进行对比分析,观察外包封表面温度分布是否出现异常变化,特别是局部的温度变化(根据对事故干式电抗器的红外测量经验,局部纵向或横向温差超过15~20 ℃,且温差界限比较明显),应引起运行和修试人员足够的重视,必要时退出运行,进行相应的检查和试验。

1.2 外观检查

  根据事故分析经验,相当多的事故都是由电抗器外包封开裂引起内部匝绝缘受损造成的。因此对电抗器外表面的定期检查十分必要。根据我们的调研和分析,结合现场事故总结,可以分为以下几种情况进行检查:

  (1) 对干抗进行投运前的处观检查,重点是检查是否有受外力撞击后的结构变形的情况。由于运输、装卸和安装过程可能导致电抗器的线圈变形,影响到绝缘和结构稳定,因此应对外形进行目测检查,观察是否有明显的外形变化和局部凹凸现象。

  (2) 对于运行中的干式电抗器应至少每季度进行一次外观检查。为了保证检查的仔细程度,在护栏外观察时有必要使用望远镜对每台电抗器的外表面进行沿周面360°的全面检查。如发现裂纹或线条状碳黑痕迹应引起足够的重视,加强对电抗器的运行监督。配合红外成像测温技术进行测量。如发现有烟雾产生则必须立即退出运行。

  (3) 在夜晚光线较暗的情况下还应对干抗的外表面情况进行补充外观检查,每季度至少一次。重点注意观察电抗器的外表面是否放电或电晕发光现象。如有明显的发光点则应引起重视,补充红外测温手段进行测量。

  (4) 对于停电状况下的电抗器,运行人员则应进行近距离全面外观检查。检测周期可以根据运行情况决定。对于新投运的电抗器在运行前进行检查。对于连续运行超过半年的电抗器应利用停电机会进行检查,对于连续运行时间少于半年的电抗器则根据运行的情况不定期进行检查。检查的内容主要包括:

  1) 外表面是否存在环氧层开裂,表面RTV涂层是否有粉化、起皮或脱落现象。因为表面涂漆层或RTV涂料是为了外表面防雨、防潮、防紫外线。一旦出现表面涂层粉化、起皮或脱落现象则有可能导致环氧包封因长期温度变化和紫外线照射发生开裂受潮。

  2) 外包封表面是否有颜色的改变、爬电和表面色泽局部不一致的异常现象。由于表面开裂受潮很容易导致局部电场分布不均匀,从而发生爬电和匝绝缘击穿。同时内层受潮发霉和内层爬电也会导致局部色泽变化。

  3) 内部各层的气道是否畅通无障碍,是否有螺丝、垫块、棉纱等异物存在,是否有内部过热和熏烤的痕迹等,如有发现则应引起高度重视。

1.3 噪声检测

  运行中应注意监测电抗器的噪声情况,可以定期在一定距离处检测噪声的变化情况。如果运行中电抗器噪声大(正常运行中干抗不大于55 dB,且无异常杂音),有异常杂音及震动,应首先怀疑电抗器的安装存在不平或基座不稳的情况,其次要考虑电抗器内部可能发生层间短路的问题(在运行电抗器的实际分析中发现过这种情况,由于短路点线圈的层间电位可能存在1~2 V的微小差异,因此从短路点至线圈端部的并联铝排处会产生一个环流通路,对线圈的内部磁场造成影响,从而发出异常噪声)。

1.4 直流电阻测量

  根据我们的实验室模拟试验结果,现场可以进行直流电阻的测量,观察直流电阻参数的变化情况。根据厂家的判断经验,通常在三相电压平衡的条件下,三相电抗器的电流是平衡的,且不超过产品允许值(即线圈直流电阻的最大互差与三相平均值的比不超过±2%)。如果线圈内部断股或导线与端部铝排的焊接不良、脱焊,会导致直流电阻变化,因此如果三相直流电阻不平衡或与历史数据差别较大(换算到同一温度下比较超过出厂值或上次测量值的1%)应进行进一步的检查。该项工作在变压器检修时同步进行,或在其他检测方法判断干式电抗器异常时进行。

1.5 脉冲电压法试验

  脉冲电压法对于测量干式电抗器线圈匝间短路和匝间缺陷是比较灵敏的。但是对现场的设备要求和测量准确度有一定的要求。目前哈佛莱公司已经在市场上销售专门用于现场试验的设备和测量装置。国内厂家也在研制该项试验设备。脉冲电压法的原理电路图如图1所示。

L—被试线圈的电感;Cg—脉冲电容;Rw—被试线圈的电阻;S—放电开关;Rg—限流电阻

  图1 脉冲电压法原理电路图

  在试验时,电容Cg由直流电源充电,使充电电压达到一定值U0,开关S通常是放电球隙,当Cg被充电至一定值时,球隙放电,电容Cg与被试线圈L形成一定频率的阻尼振荡电路,其振荡频率为。当振荡放电电流衰减到零时,因整流直流电源提供的电流太小(因为Rg很大)不足以维持电弧,因此电弧熄灭。电弧熄灭后,电容Cg又开始充电,当充电电压达到球隙的击穿电压后,球隙再次放电,而后电容Cg与被试线圈串联发生阻尼振荡。这个过程不断重复直至直流电源被断开。

  这种方法虽然振荡频率随被试线圈电感变化而变化,但可通过选择电容器的电容量使振荡频率在一定的范围内变化,而又不影响匝间耐压效果。这种方法的优点是可以产生较高的匝间试验电压从而有利于发现匝间绝缘故障。

  将电抗器作为上述电路的被试线圈部分,如果电抗器有短路匝存在,则由于线圈之间互感的存在,将会出现以下现象:

  (1) 由于电抗器线圈匝数的减少,导致整个电抗器的电感量减少,从而使整个振荡电路的振荡频率发生变化。

  (2) 由于短路匝以外的其他线圈在短路匝中将产生感应电动势,这一感应电动势将引起短路匝内有很大的环流,这一环流会在线圈中产生去磁场,使整个电抗器线圈中的总磁场减少,电抗器的电感量减少,从而使整个振荡电路的振荡频率发生变化。

  (3) 短路匝内的环流会引起电抗器的损耗增加,从而使整个振荡电路的电压和电流衰减速度加快。  

  (4) 由于短路匝的存在,破坏了电抗器各层线圈原来的磁势平衡关系,势必引起电抗器各层线圈中电流的分配关系变化,使电抗器中出现贯穿整个线圈的环流,这个环流的存在也同样会加大电抗器的损耗,使整个振荡电路的电压和电流衰减速度加快。

  综上所述,当电抗器线圈有短路匝存在时,在脉冲电压法试验电路中将引起电压或电流的振荡频率的变化和衰减速度的变化,所以通过观察线圈高低电压下两端的电压或流过线圈的电流波形变化情况,就可以判断电抗器线圈匝绝缘是否存在缺陷。

2 运行中干式电抗器绝缘状况判断标准

  通过对以上几点的归纳,可以总结出以下几点判断运行中干式电抗器绝缘状况的标准:

  (1) 用红外热成像仪观察电抗器表面温度分布规律。从下往上温度值由低至高,均匀分布,空芯电抗器离上星型架10~30 cm处为线圈温度的最高点。半芯电抗器离上星型架30~40 cm处为线圈温度的最高点。在同一圆周上的温度应一致,无局部发热现象。电抗器的接线端温度正常。

  (2) 运行中电抗器电磁噪声小,应不大于55 dB,且无异常杂音。

  (3) 电抗器内外表而漆层或RTV胶防护层应平展有光泽。无脱落、粉化、开裂和爬电痕迹。   

  (4) 例行检查时测量直流电阻,测量值同出厂值相差不大于1%(换算到同温度下比较)且三相电阻的不平衡率小于±2%。

  (5) 例行检查时,查看气道,应畅通无阻,无螺栓、垫片、棉纱等异物。各紧固螺栓无松动迹象。


2012年07月25日

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