胡明健，林偉宏，余 龍，鄺燦桐，程 鵬

（廣州白云電器設備股份有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

干式鐵心電抗器作為電力系統(tǒng)中重要的無功補償設備，其具有體積小、重量輕、外形美觀、接線方便等優(yōu)點被廣泛使用，其主要用來限制短路電流及高次諧波，干式鐵心電抗器作為主要部件應用在同相供電裝置，短路故障是常見的破壞性情況之一，直接威脅同相供電裝置的安全穩(wěn)定運行，干式鐵心電抗器測溫方式一般分為直接測溫和非直接測溫，直接測溫是通過對測溫線進行絕緣加強后，將其固定放置于繞組內部溫度最高的位置，以實現(xiàn)實時的精確測溫。但是由于繞組內部工作溫度及電壓等級高，絕緣材料容易受高溫老化導致絕緣降低，發(fā)生擊穿后出現(xiàn)短路故障等嚴重后果。為了實現(xiàn)干式鐵心電抗器的持續(xù)穩(wěn)定運行，本文依據(jù)一起因測溫缺陷引起的短路故障案例，對電抗器測溫發(fā)生故障全過程進行剖析，擬選用非直接測溫方式進行改進，通過更換材料、提高絕緣、更換位置、降低定值四種措施，對改善既有測溫設計運行工況所處的高溫環(huán)境，對提高電抗器運行可靠具有重要意義。

1 故障描述

如圖1所示，同相供電裝置的一次回路主要由10 kV母線斷路器QF1，27.5 kV母線斷路器QF2，母線電容C，變流器H橋，牽引匹配變壓器TP，主接觸器KM1，輸入電抗器L組成，電抗器L屬于同相供電裝置中的主要部件，它串聯(lián)在功率單元和電網(wǎng)之間，俗稱串聯(lián)并網(wǎng)電抗器，串聯(lián)電抗器主要用來限制短路電流，同時限制流入電網(wǎng)的高次諧波，是成功并網(wǎng)的關鍵器件。

圖1 同相供電裝置一次原理圖

某地鐵線路主變電所，發(fā)生同相供電裝置保護故障停機，兩套同相供電裝置的串并聯(lián)側斷路器編號為207、208、223、224開關同時跳閘，故障告警顯示1＃同相供電裝置變流器報“串聯(lián)側3級過流”故障保護停機，2＃同相供電裝置變流器報“串聯(lián)側3級欠壓”故障保護停機。故障發(fā)生時刻，同相供電裝置室有異響及設備冒煙，經(jīng)檢查設備故障狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)1＃同相供電裝置柜頂冒煙，柜門處于開啟狀態(tài)。

2 故障檢查

2.1外觀檢查

該電抗器為單相串聯(lián)電抗器，型號為L500A6M2－1PH（10 kV），容量487 kVar，采用整體浸漆生產(chǎn)工藝，在啟動柜內安裝，外殼采用防護絕緣板隔離。據(jù)值班員描述，在故障發(fā)生時，有異響及設備冒煙現(xiàn)象。故針對啟動柜進行重點排查，如圖2所示，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)電抗器二次測溫線的外部絕緣套管出現(xiàn)破損，在測溫線插入電抗器繞組的位置處嚴重的熏黑痕跡，判斷此處出現(xiàn)了短路故障。如圖3所示，啟動柜前面板溫控儀外殼出現(xiàn)了拉弧跡象，有明顯的燒黑痕跡，判斷主回路上的短路故障與該溫控儀的二次回路有關聯(lián)。拆除電抗器外部的絕緣防護絕緣板，將測溫線及外部絕緣保護套管取出進行檢查，發(fā)現(xiàn)電抗器其中一個繞組的溫度檢測二次測溫線纜已經(jīng)熔斷，包裹在溫度檢測二次測溫線纜外部的絕緣套管已經(jīng)破損，電抗器繞組外表面有明顯拉弧痕跡。

圖2 電抗器二次測溫線纜燒黑痕跡

2.2 試驗檢查

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電抗器二次測溫線和外部熱縮套管出現(xiàn)破損，是故障的主要短路點，電抗器外觀有明顯的熏黑痕跡，現(xiàn)場對電抗器進行電感量及絕緣電阻測試，電感測試結果為6.29 mH，絕緣電阻為105 GΩ，試驗結果正常，測量數(shù)據(jù)顯示電抗器本體電氣參數(shù)正常，初步判定為電抗器線圈絕緣無損壞。

通過獲取電能質量屏故障錄波數(shù)據(jù)，如圖4所示，從牽引變M座和T座功率輸出波形圖可以看出故障時刻1＃同相供電裝置同相供電裝置輸出功率大于5 MW基本處于滿功率運行狀態(tài)。

圖4 牽引變M座和T座功率輸出波形圖

如圖5所示，第一坐標波形中綠色為T座電壓，紅色為M座電壓，第二坐標波形紅色為1＃串聯(lián)側電流，故障發(fā)生前同相供電設備電壓、電流波形及參數(shù)沒有發(fā)現(xiàn)異常情況，設備內部各部位溫濕度處于正常范圍。故障發(fā)生時串聯(lián)側電流迅速增大，從波形圖可以看出故障時刻串聯(lián)側的電流超過保護定值，觸發(fā)了1＃裝置的瞬時過流故障保護，與故障時1＃同相供電裝置變流器報“串聯(lián)側3級過流”故障吻合，同時故障時T座電壓迅速降低到接近于0，大概持續(xù)50 ms，可以判斷此時是出現(xiàn)了對地短路，與2＃同相供電裝置變流器報“串聯(lián)側3級欠壓”故障吻合。

圖5 故障錄波數(shù)據(jù)

3 故障原因分析

電抗器上安裝的測溫裝置主要包括兩部分，前端測溫裝置及溫控儀，前端測溫裝置由感溫線、感溫探頭、二次線纜組成，每條感溫線長度約5 m，末端裝有1個感溫探頭，安裝時將感溫線外部包一層絕緣熱縮管保護后，與環(huán)氧管套裝布置在電抗器本體鐵心與繞組之間，并在環(huán)氧管底部加入工字撐條，用環(huán)氧膠端封。電抗器布置2條測溫線，分別對電抗器A、B柱繞組進行測溫?，F(xiàn)場檢查，感溫線采用材質為ZR－AVVR聚氯乙烯護套銅芯阻燃電纜，經(jīng)查閱相關資料，該種型號線纜耐熱等級較低，由于感溫線通過環(huán)氧管布置在電抗器鐵心與線包之間，線圈繞組正常工作電壓等級10 kV，在額定負荷電抗器內部溫度不低于110℃，感溫線與環(huán)氧管長期處于高溫高壓環(huán)境，加速了絕緣老化。

為進一步明確故障原因，將故障電抗器進行了徹底的解體檢查。電抗器解體前對該電抗器進行電感量、絕緣電阻相關試驗，試驗結果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，出廠前的實驗數(shù)據(jù)一致。通過對故障電抗器進行解體檢查，解體時從外層包封向內逐層切割，當切割到最內層包封時，發(fā)現(xiàn)二次測溫線的感溫探頭處對應環(huán)氧管位置有擊穿的痕跡，如圖6、7所示，靠近環(huán)氧管封裝處有大面積熏黑的現(xiàn)象，確認故障位置為二次感溫線終端對電抗器本體線圈放電。電抗器外部線圈絕緣完好，只有二次測溫線終端及環(huán)氧管出現(xiàn)絕緣損壞及放電燒損。

圖6 電抗器拆解環(huán)氧管燒損位置

圖7 電抗器拆解線圈擊穿位置

從電抗器解體情況來看，電抗器各層線圈包封絕緣良好，不存在匝間絕緣老化的現(xiàn)象，排除了異物進線圈造成匝間短路的可能。線圈匝間浸漆留有一定的間隙，是作為風機進行散熱的氣道，因此不存在制造工藝不良的問題。拆解發(fā)現(xiàn)故障短路點存在于電抗器內部，電抗器所采用的環(huán)氧管為F級，耐溫等級為155℃，內部鐵心常規(guī)工作溫度為110℃，由此可見造成電抗器二次回路內部線圈放電的原因是，由于預埋在電抗器內部感溫線及環(huán)氧管長期處于高溫高電壓環(huán)境，加速了環(huán)氧管老化降低了絕緣強度，導致了二次測溫線與線圈一次回路放電。當一次繞組上的線圈與二次測溫線之間的絕緣不足時，就出現(xiàn)了一次線圈對二次測溫線的放電，同時由于二次測溫線連接到溫控儀，測溫線的公共信號點與溫控儀的外殼連通，溫控儀的外殼與接地系統(tǒng)連接，即線圈一次回路對二次測溫線，相當于線圈一次回路對地放電，故產(chǎn)生了電感線圈繞組對地短路故障。

通過以上分析，造成此次電抗器故障的原因，由于二次測溫采樣回路線纜置于電抗器內部，在強磁場下因渦流產(chǎn)生溫升，導致環(huán)氧管老化絕緣破損，破壞了電抗器本體絕緣出現(xiàn)匝間放電，造成了二次測量回路與線圈一次回路放電導致短路燒損及故障保護跳閘。衍生的問題為電抗器溫控器出現(xiàn)高壓放電并損壞、通訊管理機故障。故障原因有以下幾點：（1）電抗器繞組工作溫度較高，選用的測溫線耐溫等級不夠，高溫環(huán)境使得測溫線出現(xiàn)了絕緣老化；（2）測溫線通過外層包裹絕緣熱縮管加強絕緣，再插入環(huán)氧管內部，環(huán)氧管和絕緣熱縮管在長期的工作環(huán)境下也會產(chǎn)生絕緣老化；（3）采用直接測溫的方式，由于測溫線通過溫控儀與系統(tǒng)的地有連接，當出現(xiàn)了繞組線圈對二次測溫線放電時，其實是在對地放電，會產(chǎn)生嚴重的故障后果。

4 解決方案

大功率電抗器和變壓器等設備，由于長時間大功率運行，繞組和鐵心溫度會處于一個比較高的范圍，如果溫度高于所采用的絕緣材料的耐受范圍就會對設備造成絕緣損壞，長期會造成絕緣擊穿等嚴重問題，所以必須對繞組和鐵心的溫度進行實時監(jiān)測，當溫度異常時采取可靠保護措施。

電抗器和變壓器的測溫一般分為直接測溫和非直接測溫，本文中的電抗器本來采用的是直接測溫的方式，就是通過對測溫線進行絕緣加強后，將其固定放置于繞組內部溫度最高的位置，以實現(xiàn)實時的精確測溫。但由于內部工作電壓等級高，絕緣材料因高溫老化等原因逐漸降低絕緣能力后，很可能會出現(xiàn)嚴重的后果。另一種測溫方式是非直接測溫，通過測量繞組的某一位置的實時溫度，結合整個繞組的溫度關系，來間接得出繞組最高溫度，這種方法的測溫誤差偏大，適用于溫度保護有足夠余量的場合。

電抗器本體材質采用H級絕緣材料，允許工作溫度為180℃，電抗器正常滿載工作溫度為110℃左右，距離絕緣材料允許溫度裕度較大，溫控的保護設定值150℃也距離允許溫度裕度較大，經(jīng)過綜合分析及論證，擬采用另一種可靠的非直接測溫解決方案：（1）更換溫控儀及測溫線，測溫線的保護套選擇耐高溫材質，測溫線可靠運行的最高溫度范圍達240℃，遠高于繞組實際溫度；（2）增加測溫線的絕緣處理，由單層環(huán)氧管絕緣處理方式改為環(huán)氧管內部增加鐵弗龍管，進一步加強二次測溫線回路與一次繞組線圈回路之間的絕緣強度；（3）更換測溫線預埋位置，由電抗器內部更改為電抗器外部，將二次測溫線放置到外部，徹底杜絕了二次測溫線回路與一次繞組之間出現(xiàn)絕緣擊穿的路徑，防止測溫線再次對電抗器線圈放電；（4）降低保護定值有效保護電抗器，滿載時新測溫點溫度為76℃左右，可嘗試將溫控儀超溫告警點由原來130℃調整為100℃，超溫故障保護墊由原來150℃調整為120℃，通過降低保護定值確保在電抗器運行溫度超出設備運行范圍后可以正確采取可靠的保護措施，以保證適應電抗器運行過程中的高溫高電壓環(huán)境，并消除運行缺陷。

5 結束語

干式鐵心電抗器屬于同相供電裝置一次回路重要組成部分，其運行是否穩(wěn)定將直接影響同相供電裝置對電力系統(tǒng)的負序及諧波治理、無功補償。電抗器一旦出現(xiàn)了燒毀故障，沒有辦法現(xiàn)場修補，必須要停電進行整體更換，其檢修時間和難度也要遠遠大于其它故障缺陷，耗費大量人力物力，故有必要對電抗器的故障進行研究，以降低運行故障率。本文以一起電抗器因測溫缺陷引起的短路故障案例，按照故障檢查、分析、總結三個方面分析了干式鐵心電抗器造成短路故障的經(jīng)過及處理，分析出直接測溫方式設計不合理是造成本次故障的直接原因，并衍生電抗器溫控器、通訊管理機故障。文末提出了另一種非直接測溫解決方案，通過更換測溫線材質及優(yōu)化預埋位置，可以改善運行工況所處的高溫環(huán)境，使電抗器測溫能夠在原來的基礎上穩(wěn)定運行，無需擔心電抗器再次發(fā)生故障影響同相供電設備停機，非直接測溫解決方案優(yōu)化效果有待后續(xù)現(xiàn)場實施觀察。