干式空心电抗器故障及运维策略分析

时鹏 耿晋 盛雨 安勇 马道柱 王维令

摘要：文章对干式空心电抗器的结构和特点进行了介绍，对干式空心电抗器故障形成原因加以分析，从温升、匝间绝缘、绕组老化等方面进行了着重研究。从日常巡视、停电维护、状态在线监测等方面，对电抗器的运行维护给出了几点建议。

关键词：干式空心电抗器;温升;匝间绝缘;绕组老化

引言

随着用户负载多样化及对电能质量要求的提高，电力系统中大量电抗器用于无功补偿、限流及滤波等。与铁心电抗器相比，干式空心电抗器具有诸多优点，应用广泛。但其运行以来，多次出现烧损事故，给运维单位造成较大经济损失，影响电力系统的安全稳定运行。

1 干式空心电抗器概述

1.1 干式空心电抗器的结构

干式空心电抗器由铝线圈、金属结构件和支柱绝缘子组成1个整体。为保证电抗器良好的散热特性，根据电抗器容量大小可以将线圈做成若干个包封内外并联，每个包封间用玻璃丝制通风道撑条分隔，形成散热气道。单个包封使用表面缠绕PET聚脂薄膜的单丝圆铝线多根并绕，为了保证外绝缘并隔离外界环境在线圈外部使用浸有环氧树脂的玻璃纤维环绕包裹，整体经高温固化，形成一个玻璃钢体。包封截面见图1。

1.2 干式空心电抗器特点

干式空心电抗器采用空心结构，不存在铁磁饱和，電感值的线性度好。同时使用无油结构，采用空气散热，电抗器基本免维护。但其结构简单，且运行环境比较恶劣，长期遭受日晒雨淋，会加速其绝缘的老化。此外其漏抗较大，对周围设备的影响大，要求较大的无导磁设备区域。干式空心电抗器制造门槛低，很多厂家具有生产能力，而这些厂家的设计、制造水平参差不齐，在设计、制造过程中存在较多的问题，导致产品质量不足。

2 干式空心电抗器故障的主要原因

2.1局部温升过高

电抗器温升的高低是保证其质量和使用寿命的重要指标。温升增高会加速绝缘材料的老化，使其失去绝缘性能，缩短电抗器的使用寿命。在一定温度下，绝缘材料不产生热损坏的时间称为绝缘材料的使用寿命。根据Montsinger的寿命定律，绝缘材料的热老化与温度有如下关系：

t=Aexp（aθ）

式中：t为绝缘材料的使用寿命;A为常数，B级绝缘材料约为6.5*105;a为常数，约为0.089;θ为绝缘材料的温度。由上式可以看出，对于B级绝缘材料，每当温度增加10℃，绝缘材料的使用寿命减少一半，这就是绝缘材料的10℃定则。

形成温升的主要原因有：温升的设计裕度小;还有制造原因，如绕制绕组时，线轴的配重不够、绕制速度过快和停机均可造成绕组松紧度不好和绕组电阻的变化;另外，接线端子与绕组焊接处产生的附加电阻，该焊接处产生的附加损耗使接线端子处温升过高。防止温升超限的措施，一是选择合理的耐热等级绝缘材料、设计运行稳定更合理的电抗器，从根本上解决温升对绝缘材料的影响;二是戴帽或者搭防护棚，防止日晒、雨淋，并改善电抗器的通风条件，降低电抗器运行的环境温度。

2.2包封受潮导致匝间绝缘强度降低

包封受潮是导致干式空心电抗器匝间绝缘失效的诱因。包封受潮情况下其绝缘性能将大受影响，随之出现绝缘被击穿甚至局部放电现象。研究表明，包封受潮将导致包封内部各绝缘材料的水解，其中聚脂薄膜的耐水解性能很差，极易因严重水解而导致机械强度的大幅下降甚至完全脆化，并在包封内部应力的作用下破裂从而导致匝间绝缘受损。防止此类事故可从三方面考虑，一是加强包封的密封性，例如在包封表面全面涂覆防水涂层避免水分入侵;二是使用耐高温水解的绝缘材料替代聚脂薄膜，以降低包封进水对匝间绝缘性能的影响;三是提升包封外表面的抗老化能力，开展有效的防紫外线防护漆的喷涂。

2.3绕组的绝缘老化

干式空心电抗器的匝间绝缘是聚酯薄膜¬——环氧树脂——聚酯薄膜组成的复合绝缘。电气设备的绝缘材料在外加应力的作用下内部结构发生变化，使其性能随时间发生不可逆的劣化直至失效。根据外加应力的不同，绝缘材料的老化可分为电老化、热老化、机械老化和环境老化。

（1）电老化过程。电抗器生产过程中，绕组中导体和绝缘材料上难免存在毛刺和气隙等缺陷，在高电场作用下产生局部放电，引起绝缘材料性能下降直至完全损坏。另外，电抗器表面的灰尘等污秽在潮湿环境下受潮，其表面泄漏电流增大引起发热使局部快速干燥，形成干区。在干区两端将被施以一定的电压，随之形成一定的场强。在场强较大时将导致电抗器表面的电离发生碰撞，辉光放电或电晕现象随之在铁脚附近出现，形成局部电弧。电弧将会延长干区，而在电压的持续作用之下，无论是泄漏电流还是电弧长度都将大大增加，逐步形成电树枝，进一步造成了绝缘材料老化。

（2）热老化过程。电抗器在运行过程中，其绕组既是导热介质又是热源，加上各个包封不完全相同使得各部位温度分布不均匀，从而最大温升点的温度较高，于是匝间绝缘材料也经历了热老化过程。

（3）机械老化过程。电抗器在运行过程中产生的交变磁场而引起电动力，同时投切过程中电抗器遭受操作过电压的冲击，电抗器的线圈及其绝缘将承受很大的电磁力;再加上导线和绝缘材料的膨胀系数不同，电抗器运行和停运时的温差较大从而产生一个较大的拉扯力，导致绝缘材料受损。

（4）环境老化过程。日晒、酸雨、鸟兽粪便、工厂烟尘等酸性物质很容易腐蚀绝缘材料，造成绝缘材料的老化。

3 干式空心电抗器运维策略

3.1 不停电期间精细管理

（1）运行期间加强红外测温。串联电抗器测量电抗器顶端温度，并在不同环境温度下进行横向对比，对比数据时应扣除环境温度，如有明显升高应立即停电。

（2）检查电抗器是否有异常声响，包括电抗器的噪声响度和频次是否有异常。

（3）避免反复频繁投切同一组电容电抗器组。采用 AVC 等自动投切系统控制的无功补偿系统，投切策略应保持各组投切次数均衡，避免反复投切同一组。送电半小时内，对电抗器进行关注。若发现温度过高或冒烟、着火应立即采取处理措施。

3.2停电期间加强维护

（1）加强试验监督。为防止电抗器匝间短路故障，对新投运及运行8年以上的干式空心电抗器，需抽检进行匝间绝缘耐压试验。在串联电抗器选型时，应充分考虑电抗器所处系统的谐波水平，因为谐波可能会使电抗器的发热更为严重。选取故障较多的站点开展谐波水平测试。

（2）增加防水、抗紫外线的措施。检查防护涂层是否存在物理损伤，例如划伤、脱落或起皮。如存在物理损伤，需及时补涂。PRTV防污闪涂料涂料的使用寿命大约有20年左右，如果设备运行环境温度过高、紫外线强度过大、大气中腐蚀性化学成分过多会缩短防护涂料的寿命，在实際维护过程中应在10年左右复涂一次防污闪涂料。

（3）清除风道内异物。一般采取内窥镜进行详细检查风道，发现金属类物质时，应及时清除并检查绝缘是否有损伤，进行损伤评价。在维护过程中，如果风道内沉积的主要是灰尘，一般使用高压气流对风道进行清洁;如果风道内存在的工业污秽物较多，一般是使用酒精进行清洁;对于掉落的撑条，应在厂家指导下进行撑条的补装，以防补装过程中对包封表层造成损坏。

3.3电抗器状态在线监测

近年来，电抗器故障发生率呈升高趋势。而目前无功补偿装置中没有专门针对电抗器的监控和保护，电抗器故障往往发展成电抗器烧损事故。有必要研究一种电抗器状态在线监测装置，建立一套可靠有效的评价系统，实时监测电抗器运行电流、电压、温度、损耗以及谐波成分等重要参数，评估电抗器的运行状态，及时发现并处理电抗器的运行隐患，确保电抗器处于良好的运行状态，减少故障的发生。

4 结束语

干式空心电抗器具有易安装、维护工作量小、环保和不易发生相间短路故障等优点，近年来广泛应用于变电站无功补偿系统中。相比于干式铁心电抗器、油浸式电抗器等，干式空心电抗器存在匝间绝缘、包封表面、局部温升等薄弱环节，隐患随着时间的累积渐渐形成安全故障。因此，对干式空心电抗器运维策略进行研究是非常有必要的。

参考文献

[1]王硕，张轶珠，王昕.干式空心电抗器匝间短路故障投切过电压有限元分析[J].电力电容器与无功补偿，2020，41（06）：63-70.

[2]杨明锦.干式空心电抗器全包封防护工艺对设备散热的影响分析[J].电子世界，2020（22）：34-35.

[3]李浩，晏年平，贾志东.干式空心电抗器包封受潮对绝缘的影响研究[J].高压电器，2020，56（5）：55—61.

[4]吴冬文.35kV干式电抗器温度场分布及红外测温方法研究[J].变压器，2013（9）：62—65.

[5]朱惠夫，王天一.10kV干式空心串联电抗器过热故障的分析处理[J].湖南电力，2010，30（4）：32-34.

[6]郭磊，李晓纲，樊东方，等.干式电抗器状态检测技术综述[J].电力电容器与无功补偿，2013，34（5）：51—54.