一起35kV空心电抗器故障原因分析及预防措施
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泉州亿兴电力有限公司的研究人员魏敏，在2017年第3期《电气技术》杂志上撰文，针对一起35kV空心电抗器运行中发生故障烧毁的情况，根据现场检查和返厂解体并进行谐波测试和分合闸过电压测试分析，得知故障原因为：多次投切时产生过电压对电抗器匝间绝缘产生不利影响，由于累积效应，造成电抗器匝间绝缘破坏，最终导致电抗器烧毁。
针对本次故障原因分析，提出了相应的预防和处理措施：提高产品质量，改善安装工艺；加强试验和运行监测；降低操作过电压值等预防和处理措施，从而提高电网运行的可靠性。
干式空心电抗器没有铁芯，以空气作为磁介质，没有限制性磁回路，由多个并联的线圈包封组成，每个包封由环氧树脂浸渍过的玻璃纤维对线圈进行包封绝缘，整体性强，机械强度高，不带任何铁芯，不存在磁饱和问题，因此在电网中得到广泛应用。电抗器与电容器组相串联，组成谐振回路，滤除高次谐波，对其它谐波有抑制作用，降低电力系统的电压波形畸变，同时可减少电容器的涌流，达到保护电容器的作用；但在运行过程中，常因受绝缘老化、过电压、谐波以及环境影响等因素，导致电抗器匝间绝缘受到破坏，甚至烧毁现象的发生[1-5]。
1. 故障概况
1.1 故障情况
2015年1月20日22时，局500kV站#2主变中35kV 23L电抗器组过流II保护动作跳开23L电抗器组236开关，运行人员检查发现23L电抗器组A相本体起火燃烧，起火面积超2/3，一侧接头完全烧毁，现场已经无法对该相电抗器进行相关电气试验。
1.2 现场检查
事故发生后，组织专业技术人员到现场检查，发现A相电抗器烧毁，如图1所示，现场情况如下：
1）对站内相关避雷器按国标GB 11032-2010要求做了相关检查和实验，结果显示避雷器外观完好，计数器正常，实验数据符合国标要求，避雷器没有动作情况，且故障期间站内没有操作记录，可知23L电抗器组起火之前系统未出现过电压。
2）35kV 23L并联电抗器组保护装置过流Ⅱ段整定值为0.6A（二次值）、出口时间0.5s。35kV 23L并联电抗器A相本体发生匝间短路故障后，故障电流为1199.54A（一次值），达到过流II段整定值，经507 ms出口跳闸，46ms切除故障点。
3）电抗器组采用单台独立安装，相间距离较大，且电抗器组处于变电站的中心地带，现场没有发现飘挂物的痕迹，可排除发生相间绝缘击穿故障。电抗器支柱绝缘子良好，电抗器组A相与地面之间没有放电痕迹，且最早冒烟燃烧位置在顶部，可排除发生直接接地故障。
图1 23L电抗器组A相烧损情况
2. 故障原因分析
2.1 设备解体检查
1）将发生故障的35kV 23L并联电抗器A相进行返厂解体，发现该电抗器上星形架铝排已经烧熔，防雨帽也被烧毁；第1～19包封的上、下端均被烧坏，烧坏范围垂直距离在300mm以内。
剖开线圈第15包封，该包封下端有比较明显的铝线熔断后烧开裂的口子、导线熔断裂口带，长约320mm，裂口最宽处约60mm，如图2（a）所示。剖开线圈第16包封（从外往里数），该包封下端有更加明显的铝线熔断裂口，且与15包封受损处相呼应，如图2(b)所示。
图2 第15、16包封
2.2 故障情况分析（略）
通过解体检查，可以对故障原因做以下分析：
1）发现故障点在电抗器第16包封的下端，直接故障原因为匝间短路。匝间短路产生的电弧致使第15和第17包封相应位置的匝间遭受绝缘破坏。
2）检查发现35kV 23L并联电抗器额定电压35kV，额定电流742A,额定电抗值为22.75欧，额定频率50Hz；设置了电流速断保护，过电流保护和差动保护。
由计算可知，I段保护未动作； II段保护动作，切除故障点；由于差动保护反应不出电抗器匝间故障（仅能保护电抗器引下线相间短路），故差动保护也未动作；由此可以看出保护整定值正确，保护动作正确。
3）可以推测，当15、16、17包封发生匝间短路后，部分线圈的自感抗发生变化，同时线圈之间的互感也随之改变，打破了电抗器运行的平衡状态，电抗器的电抗值逐渐降低，流过电抗器的电流由额定值开始上升，直至到达1200A（此时折算出的电抗值为16.84欧）。从电抗器开始燃烧到保护跳闸这段过程中，火势慢慢加强，由于烟囱效应，电抗器上部产生更高的温度，使电抗器上端部燃烧起来。
2.3 试验分析
为进一步验证上一小节故障情况分析的准确性，分别对未烧毁的B、C电抗器做了匝间绝缘缺陷试验，并对35kV 2M母线进行了谐波测试和过电压测试。
1）B、C相电抗器匝间绝缘测试
根据IEEE Std C57.21-2008，采用脉冲电压法检验23L电抗器组非故障相是否存在匝间绝缘缺陷问题[7]。使用示波器观察的23L电抗器组B、C相上的电压波形，试验结果如图3所示。对B相电抗器施加35kV电压时，电抗器上电压的衰减周期T=102.6us；施加电压为128kV时，T=102.6us，在试验过程中的标准电压波形和全电压试验时的电压波形过零点重合，振荡频率相同；同样方法测C相，得到的试验值和B相类似。综上所述，23L电抗器组B、C相匝间绝缘状态良好。
图3 试验电压波形
2）母线谐波测试
为排除电抗器因谐波造成过热烧毁，对35kV 2M母线进行了谐波测试。采用三相四线接线方式，以10周波为基本测试周期，每30s进行一次数据存储，重点监测电压谐波、电流谐波，测试结果如表1、表2所示。
表1 电压谐波测试结果
表2 电流谐波测试结果
对35kV电压等级，参考国标《GB/T 14549-93电能质量公用电网谐波》，对本次测试的结果（95%概率值）进行分析。可以看出，电压谐波合格，电流谐波水平较低，电抗器不会因为谐波而产生过热烧毁[8]。
3）母线过电压测试
在投切并联电抗器时，多频次投切产生的过电压累积效应对绝缘的损害是极其严重的，造成电抗器匝间绝缘老化，逐步损伤匝间绝缘性能[9-11]。对35kV 2M母线投切23L并联电抗器时的过电压进行监测，系统接线如图4所示，测量点及测试内容如表3所示。
图4 过电压测试系统接线
表3 测量点及测试内容
试验过程中进行多次分合闸操作，合闸过电压和分闸过电压测试结果随机抽取10组，分如表4、表5所示。
表4 合闸过电压测试结果
表5 分闸过电压测试结果
对表4、表5数据分析和计算，得到合闸过程中电抗器首端对地最高电压为运行电压的1.986倍，电抗器两端电压差最高为运行电压的2.468倍。分闸过程中电抗器首端对地最高电压为运行电压的2.583倍，电抗器两端电压差最高为运行电压的2.963倍[11]。
根据《GB 11032-2010 交流无间隙金属氧化物避雷器》中典型的电站和配电避雷器参数要求,额定电压35kV的电站避雷器,操作冲击电流残压114kV。表4、表5中的数值均未达到避雷器放电电压水平，故避雷器未动作；对于35kV系统，2倍以内的操作过电压是系统绝缘水平可以承受的，但长期的操作过电压会危及设备绝缘。根据文献[12]要求，电抗器操作过电压限值33.07kV，而表4、表5中的分、合闸电压大部分数值已经大于电抗器允许的操作过电压值33.07 kV，故电抗器会因操作过电压而遭受绝缘破坏[12]。
3. 预防措施
针对本次故障暴露的问题，需采取相应的预防措施，提高设备运行的可靠性。
3.1 提高产品质量，改善安装工艺
1）选用电抗器线圈质量好，工艺水平高，散热效果好，绝缘材料等级高（达到F级，涂层采用PRTV涂料），符合相关标准的电抗器品牌。
2）选择具有先进监测手段的电抗器，例如在电抗器内部埋置热电偶传感器或埋置Bragg光栅传感器来测量电抗器风道温度，利用无线传输技术将数据实时传输至后台；也可利用红外测温技术监测电抗器表面温度。通过实时监测运行数据，发现缺陷或异常时及时采取措施[13-14]。
3）电抗器采用叠装结构安装，可有效防止电抗器由单相故障发展为相间故障。
3.2 加强试验和运行监测
1)加强检验和试验，例如可采用局部放电监测法诊断干式空心电抗器存在的绝缘缺陷，也可以利用匝间过电压试验法对电抗器的匝间绝缘进行监测，通过波形对比方法判断是否存在绝缘故障[15-19]。
2) 运行期间应增加巡视和监测次数，发现缺陷及时处理和维护。
3.3 降低操作过电压值
高压真空断路器投切电抗器时会产生过电压，针对感性负载操作时会产生过电压，可采取如下措施提高电网质量。
1）用避雷器保护，可降低过电压幅值，将过电压抑制在避雷器残压范围内，但相间仍承受较高的过电压，过电压陡坡不能得到缓解，频率响应也不够高，且对复燃过电压抑制效果不好。
2）电抗器两端并联阻容吸收器，增大振荡回路电容，降低振荡幅值和振荡频率，降低绕组匝间的电位梯度。
3）在电容回路中串联电阻器，消耗振荡能量。
4）在母线上增设阻容吸收器，抑制母线高频振荡的操作过电压。在母线侧安装阻容吸收器效果较好（可选RC参数为0.05/100Ω），它通常可以将过电压水平限制到较低水平。
5）采用组合式保护方式，即氧化锌避雷器和RC保护装置结合，即可抑制分、合闸过程产生的过电压，又可以限制系统故障产生的高幅值切断过电压，效果比前几种更好[20]。
4. 结论
通过检查、解体及试验可以总结故障原因如下：多次投切时产生过电压对电抗器匝间绝缘产生不利影响，由于累积效应，造成电抗器匝间绝缘破坏，最终导致电抗器烧毁。
针对本次电抗器故障的原因分析，本文提出了相应的预防和处理措施：提高产品质量，改善安装工艺；加强试验和运行监测；降低操作过电压值等。通过以上措施，能保证电抗器安全运行，也最大限度的满足电网安全运行的要求。