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高压并联电抗器的常见故障分析及处理

1 并联 电抗器 的基本结构及形式
  

  当前使用的电抗器主要有壳式电抗器和芯式电抗器2种形式。我省目前使用的电抗器都为芯式电抗器,并且国内生产的高电压大容量电抗器是以芯式结构为主。在布置方式上,分为三相和单相,一般情况下,三相消耗的原材料和成本比单相少,因此,低电压等级的电抗器一般采用三相形式。高电压的电抗器由于在三相形式时磁路相互关联,零序阻抗可能比正序阻抗小一些。单相重合闸时,一相断开后另外两相的磁通也有一部分通过断开铁芯,从而在断开相的线圈中感应一个电压,使故障电流增大,不利于熄弧,因此其绝缘要求高,相间的绝缘问题就相对突出,所以500 kV以上的电抗器大多数采用单相结构。


  2 电抗器的常见故障及判断
  

  通常情况下,电抗器除与变压器具有相同的绝缘问题外,还存在振动和局部过热的问题。国内产品中,西安变压器厂引进法国ALSTHOM技术,经过消化吸收并在西安交通大学等大专院校的帮助下,已基本解决局部过热问题。沈阳变压器厂则由于刚开始制造500 kV电抗器,暂时还没有成熟的运行经验。近年来各省发现的220 kV及以上电抗器事故及故障情况基本上可以分成如下几类:

  2.1 油色谱分析异常

  通过对电抗器进行油色谱分析,发现了许多早期故障及事故隐患,对预防电抗器事故起了重要作用。导致油中产生气体的原因为局部过热(铁芯,绕组,引线联结点,夹件等)、局部放电和电弧(如匝件及层间短路,沿面放电及磁闭合回路等)。这些现象均可引起油和固体绝缘的裂解,从而产生气体。产生的气体主要有烃类气体(甲烷,乙烷,乙烯,乙炔等)、氢气、一氧化碳、二氧化碳等。应用气体色谱分析法判断电抗器内部故障方法如下。

  2.1.1 将色谱分析结果的几项主要指标与正常值进行比较,按产气速率进行判断,当总烃含量较高时,当相对产气速率大于每月10%时可判断为电抗器内部存在异常;当总烃的绝对产气速率大于0.25mL/h(开放式)和0.5 mL/h(全密封)时,可判断电抗器存在故障;

  2.1.2 按一氧化碳和二氧化碳的指标进行判断。CO和CO2是反映纤维绝缘材料分解产生的特征气体,但这2个指标的分散性大。因此,根据IEC导则等资料认为:当CO2/CO大于11或小于3时,可能存在内部固体绝缘材料老化故障,国内资料及经验认为CO2/CO大于2时,则有可能存在异常情况。

  2.1.3 三比值法和特征气体法对判断故障性质的应用。三比值法可以较准确判断出潜伏性故障,同时可以显示并发性的故障。而特征气体法却只能判断出故障性质,要对故障性质作深层次的探讨,定出故障源的温度及作定性分析,则必须采用三比值法。


  2.2 油介损值上升较快,过滤 处理 后无效果

  从全国统计的电抗器故障资料看,出现该类问题的产品主要集中在个别厂家。造成这种情况的原因首先是油质量存在问题,其次是电抗器存在的过热现象没有解决好。如湖南省500 kV站进口的9台意大利ABB公司ANSALDO产品,瑞典ASEA的个别产品,均不同程度的存在该类问题,进行多次处理后还存在介损增高的现象。

  2.3 振动噪音异常

  引起振动的主要原因是磁回路有故障和制造时铁芯未压紧或夹件松动。此外,器身固定、安装质量等均可造成振动和噪音异常。如湖南省500 kV民丰变自投运以来,三相电抗器一直存在该类问题,使A相电抗器局部振动超过130μm,噪声异常,1997年进行吊罩检查时发现并消除了6个固定器身螺栓松动的缺陷,处理后振动减小。

  2.4 匝间短路,电抗器烧毁

  1998年的湖南电抗器事故、1993年11月和1994年12月的安徽电抗器事故和山东电力公司的电抗器事故均属电抗器匝间短路事故。分析其原因,主要是设计和制造存在先天缺陷,尤其是局部过热问题没有解决好,连续发生的几起事故均系同一厂家,并且均系1992、1995年的产品。

  2.5 过热性故障

  意大利ABB公司、法国ALSTHON、加拿大ASEA、瑞典ASEA及西安变压器厂产品,均不同程度的出现过该类故障。湖南省9台500 kV电抗器在运行初期均发生过由于过热性故障而引起温度过高的问题,经处理,现基本得到控制。

  2.6 磁回路故障引起内部放电

  磁回路出现故障的原因是多方面的,如漏磁通的过于集中引起局部过热,铁芯接地引起环流和铁芯与夹件间的绝缘破坏,接地片的松动与熔断导致悬浮放电及地脚绝缘故障等。如加拿大ASEA公司生产的电抗器在辽宁发生了器身铁轭定位装置放电;法国ALSTHOM生产的电抗器在湖北双河变发生了由于中间芯柱端部因漏磁在均压环铜管上产生环流发热;湖南省在岗市变安装的220 kV电抗器,在投运30 h后就发现有乙炔产生,故障原因是由于下夹件与地脚之间的绝缘损坏,形成闭合磁通回路,运行时烧断接地联线,从而产生放电故障。


  3 电抗器 故障分析 及处理

  3.1 岗市变220 kV电抗器故障

  3.1.1 故障情况及分析

  湖南500 kV岗市变电站的220 kV并联电抗器系国内生产,该电抗器由公路运输到安装现场,于1999年9月15日安装后投入运行,1999年9月16日21时取油样分析时发现C相总烃超标,乙炔为28μg/L。具体数据见表1。


  

 

  根据油色谱分析结果,A,B相运行正常,C相油色谱异常,说明其内部发生了故障。1999年9月17日19时将电抗器退出运行,18日复取油样分析,C相总烃为1 597μL/L,乙炔为25μL/L。从数据来看,故障发生后已基本稳定,特征气体有扩散现象,用三比值法进行判定故障性质,三比值为0∶2∶2。事故的性质可以断定为高于700℃高温范围内的热故障,从产气的情况来看,说明事故发生的部位不在电抗器线圈及固体绝缘上,CO,CO2含量不高,而甲烷,乙烯含量较高,说明应该先发生了高温过热,接着再发生低能量的放电。综合分析认为属裸金属局部高温热故障,温度在700℃以上。

  为了更加清楚的了解事故原因,于1999年9月21日对C相进行了事故后的 高压 试验,试验项目如下:

  a.线圈绝缘电阻及吸收比,极化指数测量;

  b.铁芯、夹件对线圈及地的绝缘电阻和吸收比;

  c.油耐压及本体介损电容量的测试;

  d.线圈直流电阻的测量;

  e.绕组连同套管的泄漏电流试验,交流耐压试验;

  f.阻抗测量。

  所有试验结果均符合标准,这进一步表明油色谱分析有一定的准确性。据此分析,发生故障的原因可能是磁路所引起。根据电抗器磁路的结构,可能发生故障的原因是:其一是铁芯硅钢片形成桥接回路,安装过程中遗留物或毛刺及硅钢片片间绝缘损坏;其二是铁芯地脚接地引线与支承件构成闭合小环路产生电流;其三是铁芯下夹件与支承件之间的连接螺栓绝缘损坏,通过支承件的接地引线构成一闭合主磁通通过的闭合回路,在通电后产生大电流引起高温过热,进而烧断接地引线并产生低能量的放电。

  电抗器运抵现场时,发现未安装冲击记录仪,上下连接螺栓部分严重倾斜变形,吊罩检查时又发现高压侧引线支架已散落,表明运输过程中电抗器受到了强烈的机械冲击。解开接地引线摇测支承座与铁芯下夹件的绝缘是良好的。从铁芯在下油箱的位置来看,电抗器已不在中心位置上,从尾端看,已明显可见向尾端及尾端左侧移动。基于试验情况和上述分析,发生故障的原因极有可能属于第3种情况,因此决定进行现场吊罩检查处理。

  3.1.2 电抗器的事故原因

  a.运输原因。根据现场检查的情况,造成在投运初期出现故障的原因是由于电抗器在运输过程中受机械冲击使地脚螺栓的绝缘损坏。电抗器由汽车运输到现场时,上下油箱的连接螺栓有一部分已严重倾斜,吊罩后检查时,高压引线支架已散落,铁芯已发生位移。

  b.安装过程中的吊芯检查工作不细致。

  厂家到现场进行技术指导的人员经验欠缺,当吊罩后发现问题时,厂家技术人员认为铁芯位移是正常现象,而非强冲击造成。高压引线受损则是装配时螺栓紧固不良所造成。

  现场吊罩时,如果不解开接地引线,测试铁芯和夹件的绝缘不能发现螺栓绝缘的破坏。因此,检查时应先解开所有接地连接引线再测试各部分绝缘,才能发现故障。但测试得到的各项数据均正常,这是因为下夹件与支承座的螺栓与孔之间有间隙,即使绝缘有问题也测试不出来。要真正发出绝缘缺陷,必须将接地围屏解开,拧出螺栓,取出绝缘筒。

  投运时所做的冲击试验加剧了故障的发展。新电抗器做冲击试验时,因振动较大,加剧了原有缺陷绝缘的进一步破坏。地脚螺栓将下夹件与支承座接通,通过接地连线构成闭合回路,通电时由于有磁通通过而产生电流。从磁回路的结构看,该闭合回路所通过的磁通为主磁通的一半,通电初期,其接地引线由于承受的电流过大,先产生过热现象,接着发生低能量的放电,将引线烧断。引线烧断后故障消除,此时接地螺栓相当于接地引线。再次进行色谱分析时已无气体的增长。事实上,冲击试验后取油样分析就可以发现色谱异常。

  3.1.3 电抗器故障的处理

  吊罩前对电抗器进行了检查,其结果为:线圈对地绝缘15 min为1 200 MΩ,60 min为2 300 MΩ,10 s为6×104 MΩ;直流电阻为625.3Ω,线圈温度为41℃;夹件对地绝缘2 000 MΩ;铁芯对地绝缘3 000 MΩ。吊罩时发现:

  a.从低压侧看左边下夹件与底脚支承座螺栓处的接地连线烧断;

  b.铁芯下夹件与支承座的绝缘电阻为零;

  c.从高压侧看,右边下夹件与支承座螺栓绝缘筒已破裂,左边螺栓绝缘筒轻度受挤压磨损,从低压侧看右边下夹件与支承座螺栓绝缘筒严重受损并开裂,左边螺栓绝缘筒较好;

  d.支承座与下部油箱连接固定的4个地脚螺栓有松动现象;

  e.铁芯及线圈向低压侧移动,已明显不在中心位置上;

  f.上夹件与下夹件的连接螺栓有松动。

  根据检查情况,对电抗器采取了如下处理措施:

  a.将4个连接螺栓上部的螺纹车削掉,取消原绝缘筒,改用绝缘皱纹纸进行包绝缘。

  b.将4个螺纹孔内由于运输冲撞而遗留的杂屑及影响绝缘的物质彻底清理干净,以确保其绝缘符合要求。

  c.将铁芯恢复到原来位置上,恢复过程中应保护铁芯的绝缘不受损坏。并检查所有的紧固螺栓并一一拧紧。

  d.清理箱底杂物并反复冲洗箱底夹件及铁芯处。


  3.2 民丰500 kV电抗器事故

  3.2.1 事故情况

  1998年10月29日,湖南省民丰500 kV变电站五民线B相电抗器烧毁。事故时气候正常,系统稳定且无操作。该电抗器系意大利ABB公司制造,1995年投入运行。事故后将该电抗器吊罩检查发现:故障点紧靠在高压侧右边上夹件角环处第1至第7饼线圈共烧断120匝;线圈上分支有部分变形,线圈外有3层围屏,出现多处撕裂。此次事故导致湖南500 kV电网解环运行,五民线退出运行。

  3.2.2 事故原因分析

  事故前的10月27日,油色谱分析结果正常,变电站运行记录也表明电抗的运行情况无异常。分析事故发生的直接原因是电抗器结构设计存在先天性缺陷,理由如下:

  a.故障点处漏磁场相对集中,热源丰富;它又是热油的交会处,油温升相对较高。设计散热措施并没有考虑这2方面的影响,相反,因为围屏的作用,此处很容易形成油流死角,在局部过热作用下,导致匝间绝缘水平下降,正常电压作用下,匝间闪络并发展为层间短路。

  b.该公司生产的同类型电抗器在中国已先后烧毁6台,且均是在投运时间不长的情况下发生的突发性事故。其中3台与该电抗器损坏部位很相似。

  c.事故前无任何迹象表明电抗器有故障存在,因此,事故的发生是偶然而且迅速的,也就无法采取预防措施来避免事故的发生。


  4 预防电抗器事故的措施

  4.1 针对电抗器油老化问题,应加抗氧化剂T501。

  4.2 根据电抗器的温升情况,对过热现象较明显的电抗器加装冷却风扇。

  4.3 加强运行巡视和试验跟踪,重视油色谱数据分析,必要时应缩短油分析间隔。

  4.4 装设在线监测装置,实时反映运行情况,为及时采取有效措施提供依据。

  4.5 对存在问题的电抗器,开展局部放电在线检测试验研究。

  4.6 按实际情况及时开展电抗器的油脱气及油过滤处理工作。

 

 
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