35 kV干式并联电抗器家族缺陷分析及改进措施

孟 毅，李凯宇

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

35 kV干式并联电抗器家族缺陷分析及改进措施

孟 毅，李凯宇

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

介绍了一起35 kV干式并联电抗器家族缺陷，分析了缺陷产生的原因。指出电抗器调匝线圈安装位置对其所处附近电场强度有重要影响，当调匝线圈安装于绕组顶层时，调匝线圈附近局部最大电场强度将远大于其安装于绕组底层时，在电抗器投切操作过电压条件下，更易发生局部放电或击穿，将导致调匝线圈起火和烧毁电抗器。同时指出了家族缺陷电抗器调匝线圈制造工艺存在的问题，介绍了该起家族缺陷的认定情况，对家族缺陷电抗器产品设计、制造及运行维护提出了改进措施。

干式并联电抗器；家族缺陷；匝线圈；操作过电压

0 引言

干式空心电抗器具有结构简单、电抗值线性度好、质量轻、设备成本低、安装维护方便等特点，自1980年代起在我国电网得到了广泛应用[1-2]。以湖北为例，目前国网湖北省电力公司有大量高压干式空心电抗器用于变电站（换流站）无功补偿、滤波，变电站（换流站）及输电线路限流等场所，电压等级覆盖6 kV、10 kV、20 kV、35 kV、66 kV、110 kV以及500 kV，在运数量约为3 303组（交流设备三相计1组）。随着干式空心电抗器运行数量的逐年增多及运行年限的增长，早期产品由于存在技术不成熟或工艺控制不到位等因素导致产品质量缺陷逐渐显现[3-4]，其中少数厂家型号产品缺陷故障高发，呈现明显的家族缺陷特征。分析设备运行中发现的批次性或家族性问题，采取积极有效的措施进行克服，对提高制造厂家产品设计制造水平，保障同类设备安全可靠运行具有重要意义。本文介绍了湖北电网一起35 kV干式并联电抗器家族缺陷情况，分析家族缺陷原因，提出了改进措施。

1 缺陷及故障介绍

分析湖北电网干式空心电抗器运行情况，发现国内某公司（以下简称“该公司”）生产的35 kV干式并联电抗器产品故障发生率高，主要表现为运行中电抗器顶部起火，导致设备跳闸，产品烧毁。统计历年共计发生烧损故障11台次，其中几次典型故障情况如下。

2008年8月31日，玉贤变2-3L电抗器C相顶部出现燃烧现象并且火势向下蔓延[5]，位于顶部的防雨罩及调匝线圈均烧毁，电抗器上部包封烧毁。该组电抗器为2006年2月出厂，2006年6月投运，型号为BKGL-20000/34.5W。玉贤变2-3L电抗器C相起火初期照片如图1所示。

图1 玉贤变2-3L电抗器C相起火Fig.1 The fire of 2-3L C-phase Reactor in Yuxian substation

2010年3月13日，磁湖变2-2L电抗器A相顶部调匝线圈燃烧，熔渣掉落地面导致草坪起火，该组电抗器为2008年4月出厂，2008年6月投运，型号为BKGKL-20000/34.5W。

2013年2月1日，孝感变1-1L电抗器C相顶部起明火，顶部防雨罩及调匝线圈完全烧毁，顶部环氧树脂包封烧黑，顶部星形架坍塌。该组电抗器历史运行中时有故障发生，2010年8月10日发现该组电抗器A相上部有两股引线断裂，不能投运；2011年12月5日该组电抗器C相顶部调匝线圈多处烧融、烧断，融化的铝线渣掉落到地上引起草坪大面积着火，2011年12月17日现场更换了C相调匝线圈。该组电抗器为2000年12月出厂，2001年12月投运，型号为BKGKL-20000/34.5W。

2013年3月13日，孝感变1-2L电抗器C相顶部起明火，顶部防雨罩及调匝线圈完全烧毁，顶部环氧树脂包封部分烧黑，顶部星形架坍塌。该组电抗器为2000年12月出厂，2001年12月投运，型号为BKGKL-20000/34.5W。孝感变1-2L电抗器C相烧毁现场如图2所示。

图2 孝感变1-2L电抗器C相顶部烧毁Fig.2 The burned 1-2L C-phase Reactor in Xiaogan substation

2014年10月10日，光谷变4-1L电抗器B相顶部调匝线圈烧焦，并有轻微冒烟现象。该组电抗器为2008年3月出厂，2008年7月投运，型号为BKG⁃KL-20000/35W。

2015年2月15日孝感变1-2L电抗器A相顶部起明火，顶部防雨帽及调匝线圈完全烧毁，地面掉落金属烧熔物体。该组电抗器为2000年12月出厂，2001年 12月投运，型号为 BKGKL-20000/ 34.5W。上述故障电抗器产品均为该公司生产。

2 缺陷及故障原因

针对该公司产品多次故障开展调查，综合分析产品烧损原因如下。

2.1 结构设计问题

调匝线圈是干式空心电抗器主要组成部件。受电磁计算模型、精确度及制作工艺限制，电抗器制作完成后，各包封间电流密度不均衡，与计算值存在差异，需加设调匝线圈进行平衡。电抗器顶部和底部装设“米”字形支架，该支架是电抗器各包封电流的汇流回路。对干式交流并联电抗器而言，其顶部支架一般接电源侧进线端子，底部支架通常接出线端子，三相交流并联电抗器通常接成星形连接，运行中中性点不接地。调匝线圈一般安装固定于电抗器顶部或底部支架上，以便于调匝线圈接头分别与电抗器各包封及支架相连接[6-8]。

华中电网有限公司与武汉大学针对玉贤变2-3L电抗器烧毁故障对调匝线圈附近电场进行计算，结果表明，当电抗器包封表面光滑完好时，在调匝线圈安装于顶部支架与包封绕组顶层相连，或安装于底部支架与包封绕组底层相连两种方式下，匝间绝缘和包封端部边沿倒角处存在较大的电场强度。具体计算结果如表1所示。

表1 调匝线圈局部最大电场强度 （单位：V/mm）Tab.1 The local maximum electric field strength near the regulating coil

由表1可见，调匝线圈安装于顶部或底部几乎不对匝间绝缘最大电场强度造成影响，但是当调匝线圈安装于顶部时，包封端部边沿倒角局部最大电场强度值远大于当其安装于底部时，是匝间绝缘最大电场强度值的1.9倍。同时计算表明，在电抗器包封表面局部破坏、存在裂痕条件下，当调匝线圈安装于顶部时，裂痕附近包封外侧表面局部最大电场强度明显大于其安装于底部时。

检查该公司2010年以前产品，发现调匝线圈均安装于电抗器顶部支架上（电源进线侧），此种安装方式致使调匝线圈接头处于局部高电场强度的工作环境下，如调匝线圈绝缘强度不足或损伤，电抗器投切操作引起的暂态过电压将造成接头处因过高电位梯度发生局部放电甚至击穿。上述电抗器故障中即有多起发生在电抗器投入运行数小时后，此外，调匝线圈安装于顶部支架上，在电抗器制造、搬运、安装过程中更容易受外力破坏（如踩踏、误撞等），造成绝缘损伤，因此这对调匝线圈绝缘工艺提出了更高的要求。

2.2 调匝线圈制造工艺问题

在例行检修及故障调查过程中，多次发现该公司35 kV干式并联电抗器调匝线圈与顶部支架及与电抗器包封连接导线接头的焊接工艺粗糙，电抗器运行中产生的振动造成个别连接导线断裂。同时振动造成了支架对调匝线圈产生摩擦，破坏调匝线圈绝缘。这直接造成了调匝线圈放电、击穿或局部过热起火。烧损的调匝线圈外观如图3所示。在制造厂绕制工艺方面，调匝线圈采用手工绕制，所用环氧树脂为常温固化，其绝缘强度低于采用机器绕制、高温固化的本体包封。

图3 磁湖变2-2L电抗器A相调匝线圈外观Fig.3 The appearance of the regulating coil of 2-2L A-phase reactor in Cihu substation

3 家族缺陷的认定

家族缺陷管理是电网设备缺陷管理和电气设备性能技术监督的重要环节。国家电网公司电网设备缺陷管理规定（国网（运检/3）297-2014）对家族缺陷的定义为：经确认由于制造厂设计、材质、工艺等同一共性因素导致的设备缺陷或隐患成为家族缺陷。如某设备出现家族缺陷，则具有同一设计、和/或材质、和/或工艺的其它设备，不论其当前是否可检出同类缺陷，在这种缺陷或隐患被消除之前，都成为家族缺陷设备。根据该规定，国家电网公司和省级电力公司均可认定和发布家族缺陷。

目前国网湖北省电力公司共装用该公司35 kV干式并联电抗器31组，历年共计发生烧损故障11台次，烧损率11.83%，烧损产品均为2010年及以前生产。该公司产品烧损故障频发，烧损率远高于其他公司同类产品，呈现家族缺陷特征，经分析调匝线圈存在设计与制造工艺问题。因此，国网湖北省电力公司开展了家族缺陷认定并进行了发布，认定该公司2010年及以前生产的35 kV干式并联电抗器存在重大家族缺陷，涉及该公司BKGL-20000/34.5W、BKGKL-20000/34.5W、BKGKL-20000/35W、BK GKL-15000/34.5共4个型号产品。

根据该公司文件，针对湖北省内玉贤变2-3L电抗器、磁湖变2-2L电抗器烧毁及其他省多起故障暴露的问题，该公司对调匝线圈予以了特别重视和关注，并于2010年10月起进行了设计与工艺改进，采取了将调匝线圈移至电抗器底部、对调匝线圈穿过支架的孔上加设绝缘套等措施。改进后产品尚未发生重大烧损故障，因此未纳入本次家族缺陷发布范围。

4 改进措施

对该类家族缺陷产品设计、制造工艺建议的改进措施为：一是改变调匝线圈安装位置，以避免运行中调匝线圈因电抗器投切操作过电压发生绝缘损伤，同时减少在制造、搬运、安装过程中受外力破坏的可能性；二是完善制作工艺，避免因焊接及支架毛刺对调匝线圈绝缘造成损伤，改进调匝线圈绕制和绝缘固化工艺，加强调匝线圈制作工序工艺控制和检验力度；三是参考或引进国内外先进的设计方法与制造工艺，通过精确电磁计算，取消调匝线圈，在线圈绕制过程中，从绕组起端开始到尾端结束只采用一根导线。

结合该类产品故障情况、运行维护检修经验及家族缺陷形成原因，对存在该类家族缺陷的35 kV干式并联电抗器提出针对性运行维护措施：一是缩短电抗器状态检修周期，例行红外测温周期缩短为每星期一次，电抗器投入带电后应开展红外测温，重点检查电抗器顶部温度，适当缩短停电检修试验周期；二是电抗器停运后应检查垂直风道是否存在堵塞，发现异物及时清理，保持空气流通，检修时重点检查调匝线圈与支架及与本体包封连接处接头外观是否良好，检查调匝线圈支架固定处磨损情况；三是对电抗器基础下方草坪进行硬化改造，避免起火造成故障范围扩大危及其它设备；四是结合电抗器状态缩短设备寿命计划周期，逐步安排进行更换。

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Analysis and Countermeasures of 35 kV Dry-type Shunt Reactor Familial Defect

MENG Yi,LI Kaiyu
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China)

A familial defect of 35 kV dry-type shunt reactors is introduced,and the causes of the defect are analyzed in this paper.It is found that the installation position of the regulating coil has an important influence on the electric field strength nearby.When the regulating coil is installed at the top of the winding,the local maximum electric field strength near the coil is much larger than that at the bottom of the winding.Partial discharge or breakdown of the regulating coil is easy to oc⁃cur under the condition of the reactor switching overvoltage,which may cause the regulating coil to catch fire and burn the reactor.And the problem existing in the regulating coil manufacturing pro⁃cess is also pointed out.The identification of the familiar defect is introduced.The countermea⁃sures are put forward in the product design,manufacture and maintenance aspects.

dry-type shunt reactor；familiar defect；regulating coil；switching overvoltage

TM472

A

1006-3986(2016)07-0013-04

10.19308/j.hep.2016.07.003

2016-06-01

孟 毅（1982），男，湖南益阳人，高级工程师。