油浸式并联电抗器铁芯屏蔽典型缺陷分析

2022-11-25付文波季克松裴文龙

电力安全技术 2022年3期

关键词：铜箔电抗器铝箔

徐鹏，陈昊，付文波，季克松，裴文龙

(国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏南京 211102)

0 引言

作为电网重要的无功补偿设备，并联电抗器在线路电容效应补偿、电网无功分布改善、运行电压调节等方面发挥着积极作用，对电网的安全稳定运行有着重要意义。

电抗器的屏蔽结构是电抗器的设计重点之一，为了均匀电场，部分设备制造厂家采用在并联电抗器铁芯外侧加装屏蔽层的工艺，屏蔽铁芯硅钢片棱角及表面毛刺、尖角等，铁芯屏蔽层也被称为地屏。

电抗器铁芯屏蔽层对于屏蔽硅钢片多级棱角、表面尖端降低电抗器局部放电量具有重要作用，分析其结构及缺陷发展对于消除隐患、维护电网安全具有重要意义。

以下针对油浸式并联电抗器铁芯屏蔽层典型缺陷展开研究，通过屏蔽层开裂、屏蔽层褶皱、屏蔽层片间短路等多起案例，分析并提出相应的技术防范措施。

1 屏蔽结构

电抗器铁芯硅钢片叠装为圆形阶梯结构时，无法避免地会出现多级棱角的情况，再加上硅钢片切割过程中产生的毛刺、表面尖端等，当电抗器铁芯励磁时，在硅钢片棱角、毛刺及表面尖端的部位易出现局部场强过高的情况。当场强超过临界值时就会引发局部放电，即使短时间内不足以危及设备主绝缘，但已形成潜在的安全隐患，随着运行时间逐渐发展，最终影响设备的正常运行。

铁芯屏蔽层包绕在电抗器铁芯柱和铁轭外部，可有效降低电位、均匀电场，对硅钢片棱角、毛刺、尖端等场强易增高部位起到屏蔽作用，防止因硅钢片棱角、毛刺及尖端引发的场强畸变影响外部绕组。

铁芯屏蔽层材料多采用高频电磁波不易穿透的铜箔或铝箔，为减少涡流损耗，将铜箔或铝箔裁剪成细条状。铁芯屏蔽层有“横条式”和“竖条式”两种结构。

铁芯屏蔽层制作时，将裁剪好的铜箔或铝箔粘在绝缘纸上，然后用短接片把所有铜箔或铝箔的一侧连接起来，并引出接地，一般将引出线接在夹件上，保证铁芯屏蔽层可靠接地。

2 典型缺陷

在电抗器铁芯和旁轭外部加装屏蔽层可有效屏蔽硅钢片尖端、毛刺等，能够均匀电场分布、降低设备局放，但带有铁芯屏蔽层的电抗器投入运行后又会引发其他问题，比如因屏蔽层铜箔褶皱、断裂引起的局部场强畸变，屏蔽层短接形成的环路引发局部过热等。

2.1 屏蔽层开裂

某500 kV油浸式电抗器投运前现场交接试验数据均无异常，投运后短时间内油色谱出现异常，乙炔增长至0.41 μL/L，氢气、甲烷等组份均有所增长，且气体浓度呈上中下分层的情况。

先后对该电抗器进行2次内检，可视范围内夹件、围屏、绝缘螺栓、垫块、拉带、集磁板等部位均无异常，未发现放电导致的绝缘发黑现象。出线装置屏蔽筒、上均压环、下均压环、均压环屏蔽罩、引线绝缘完整，无显著异常或放电痕迹。

进一步拆解检查发现，靠近中性点套管旁柱的屏蔽层铝箔及其紧贴的绝缘纸板对应处均有黑色痕迹，轴向位置在中部和下部。检查屏蔽层等位连接接地铜带，发现铝箔与其连接处开裂，该电抗器铁芯屏蔽层采用“横条式”布置。

结合本次解体情况及设备停运前的色谱和电气试验情况，判断屏蔽层铝箔开裂是导致本次高抗投运后短期内出现油色谱异常的根本原因，该处开裂导致铝箔和接地铜带不可靠接触，引起间断性悬浮放电，在纸板和铝箔上形成炭黑并在油中产生乙炔。

2.2 屏蔽层褶皱、断裂

某1 000 kV电抗器于2013年9月投运，运行约6个月后首次出现微量乙炔，并呈间歇性缓慢增长趋势，随后该高抗退出运行，返厂解体检查。

该电抗器铁芯屏蔽层为“竖条式”结构，解体检查发现，该电抗器A柱屏蔽层铜带存在皱褶，局部存在黑色痕迹，其余无明显异常；X柱屏蔽层(由两张组成)表面有碳黑痕迹，铜带侧出现放电碳化现象，部分铜带出现断裂。

该高抗铁芯屏蔽层干燥工艺采用传统干燥方式。由于铜带与纸板粘结在一起，纸板实际发生了热塑性变形，因此铜带受到纸板收缩的作用发生变形产生褶皱。电抗器工作时，在电磁力的作用下，铁芯与器身产生振动。铜带在电抗器器身振动的带动下发生悬臂振动，在加速度与惯性力的作用下，在固定点处产生弯曲应力，当弯曲应力超过铜带的抗拉强度时，发生了断裂。

铜带褶皱形成的尖锐电极引起了电场的畸变，电应力过于集中导致放电。这一现象在线路电压出现波动或操作时，因电抗器的振动加大而被进一步放大。随着故障的进一步发展，铜带被破坏最终断裂，其中分裂出去的部分铜带成为了悬浮电极，造成局部电场分布愈加集中，放电能量与频次增加，在此期间色谱有较为明显的反应。

2.3 屏蔽层片间短路

某500 kV变电站并联电抗器进行周期性取油样检测时，发现离线色谱总烃异常，出现微量乙炔，且色谱各组分数据较上个周期检测数据均有明显增长，利用三比值法判断故障类型大致为中温过热。

对该并联电抗器开展绝缘电阻、介损、直流电阻、直流泄漏等现场试验，未发现异常，遂进行返厂解体分析。设备拆解前进行了绝缘、直阻、外施耐压、感应耐压等试验，试验结果与出厂及现场试验进行对比，损耗有所增加，其他数据无明显变化。试验前后乙烯、乙烷等有所增加。

该电抗器铁芯屏蔽层采用“竖条式”结构，一共有28片铜箔片构成，铜箔的一侧用短接片实现片间连接，然后经一条短接线接在上夹件上实现等电位连接；铜箔的另一侧片间留有间隙。拆解发现A相铁芯柱屏蔽层第28片铜箔边角折叠，搭接在第27片铜箔表面，两片铜箔接触部位存在黑色灼烧痕迹，对应位置外部绝缘纸亦存在黑色烧蚀痕迹。

该电抗器缺陷为制造厂装配工艺问题所致，A相铁芯铜屏蔽第28片铜箔边角翘起、折叠，与相邻第27片铜箔表面搭接。由于铜屏蔽铜箔一侧已经通过短接片连接，另一侧第27片和第28片铜箔的接触使两片铜箔之间形成闭合回路。在交变磁场作用下该闭合回路产生环流，由于两片铜箔搭接位置接触电阻较大，造成该位置产生局部过热，进而引起铜箔表面烧蚀。

3 防治措施

从以上几起故障案例可以看出，电抗器铁芯屏蔽层缺陷会给设备运行带来重大的安全隐患。由于屏蔽层包绕在铁芯和旁轭外侧，目前尚未发现可靠的检查和监测手段，难以预知其缺陷发展和故障衍生过程，且因铁芯屏蔽层缺陷导致的返厂修理需对电抗器进行较为细致的拆解，耗费大量人力、物力，因此，铁芯屏蔽层选材、制作、转移、包扎等过程都需引起重视。

(1) 屏蔽层的选材一般选用较薄的铜箔或铝箔，裁剪时尽可能窄以减少涡流损耗。屏蔽层铜箔或铝箔剪切过程中，表面易出现尖端、毛刺等，需进行打磨处理，保证表面光洁平整。铜箔或铝箔剪切完成后需要粘贴在绝缘纸表面，粘合剂需涂抹均匀，保证铜箔、铝箔粘贴平整，无鼓包或褶皱，铜箔或铝箔与绝缘纸的粘合处无多余粘合剂残留。

(2) 屏蔽层制作过程中非短接一侧的铜箔或铝箔严禁出现短路、虚接等情况，可在铜箔或铝箔片间导通测试合格后再进行焊接。屏蔽层铜箔或铝箔与短接片焊接过程中，需注意铜箔或铝箔表面清洁，焊接处牢固、可靠，不允许出现虚焊、漏焊等。

(3) 由于屏蔽层面积较大，且屏蔽层制作和屏蔽层装配多数不在一个车间，因此在屏蔽层转移过程中易造成铜箔或铝箔弯折，与绝缘纸粘合处鼓包，与短接片焊接处脱焊等现象。因此，屏蔽层转移过程中需加强监护。转移到位后确认铜箔或铝箔无变形，表面平整无气泡、鼓包或褶皱等，焊接处焊点可靠无松脱。

(4) 屏蔽层包扎过程中，由于受力不均或者粘合剂涂抹不均，铜箔或铝箔边角处容易出现翘起、折叠现象。因为铜箔或铝箔片间间距较小，一旦边角翘起，在包扎过程中有极大可能与相邻铜箔或铝箔片发生接触，形成环路。铜箔或铝箔片粘贴于绝缘纸的内表面，屏蔽层包绕、绑扎过程中不易被发现。因此在屏蔽层包扎前应检查铜箔或铝箔片是否存在异常，包绕过程中保证铜箔或铝箔片首端和尾端边角平整，包扎过程中注意受力均匀。