田肖飛，孫文星，楊賢，馬志欽，歐小波

(廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

并聯(lián)電抗器可以補充容性充電功率，吸收無功功率，提高功率因數(shù)；削弱空載或輕載時長線的電容效應(yīng)，穩(wěn)定電網(wǎng)的運行電壓，改善供電質(zhì)量，保證線路及電站設(shè)備的可靠運行，是送變電系統(tǒng)中主要的電氣設(shè)備之一[1-3]。目前低壓并聯(lián)電抗器主要采用干式空心并聯(lián)電抗器和油浸式并聯(lián)電抗器2種。干式空心并聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)簡單，無絕緣油，價格低廉，因此在國內(nèi)的應(yīng)用非常廣泛；另一方面，干式空心并聯(lián)電抗器也存在著很大的缺點，例如占地大，漏磁大，絕緣受環(huán)境影響大易發(fā)生絕緣老化，易發(fā)生故障，缺少有效的運行監(jiān)控手段等[4-7]。油浸式鐵心并聯(lián)電抗器雖然造價較高，但因為同變壓器一樣具有外殼，是在封閉的環(huán)境中運行，絕緣不受外界影響，穩(wěn)定性高，不易發(fā)生故障，占地少和漏磁小，可通過油化分析、壓力監(jiān)測等方式對電抗器進行監(jiān)控[8-13]，逐漸顯示出較大的優(yōu)勢。

日本生產(chǎn)的油浸式鐵心并聯(lián)電抗器主要為“一”字型鐵心結(jié)構(gòu)，國內(nèi)大部分廠家生產(chǎn)的油浸式鐵心并聯(lián)電抗器也為“一”字型鐵心結(jié)構(gòu)。相比于“一”字型的結(jié)構(gòu)，“品”字型鐵心結(jié)構(gòu)具有節(jié)約原材料、體積更小的優(yōu)勢，因此值得推廣應(yīng)用。圖1為“品”字型油浸式鐵心并聯(lián)電抗器的外形，其鐵心結(jié)構(gòu)如圖2所示，電抗器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 油浸鐵心電抗器外形Fig.1 Configuration of oil-immersed shunt iron core reactor

圖2 “品”字形鐵心結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of “pin” type core圖3 電抗器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of oil-immersed reactor

目前“品”字型鐵心結(jié)構(gòu)的油浸式鐵心并聯(lián)電抗 器產(chǎn)品尚不成熟，未大范圍推廣使用，缺乏運維數(shù) 據(jù)及經(jīng)驗的累積。為此，廣東電網(wǎng)首次應(yīng)用“品”字 型大容量油浸式鐵心并聯(lián)電抗器，但投運后發(fā)現(xiàn)了 該類型電抗器的一些集中缺陷，針對這些集中缺 陷，本文進行了原因分析和提出了整改措施，在整 改完成后重新投運，運行結(jié)果驗證了整改措施的有 效性，對“品”字型大容量油浸式鐵心并聯(lián)電抗器的 推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 缺陷概況

在運某4臺“品”字型大容量油浸式并聯(lián)鐵心電抗器自2015年投運以來不但存在過熱缺陷，還存在噪聲大、振動大的問題，嚴重影響了500 kV主變壓器的安全運行和整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

1.1 過熱缺陷概況

某500 kV變電站4臺35 kV油浸式并聯(lián)鐵心電抗器(2號母線W2的1號、2號電抗器與4號母線W4的1號、2號電抗器)于2015年11月底投運。2015年12月初對這4臺油浸式并聯(lián)電抗器取油樣進行色譜試驗，W4 的1號電抗器油中乙炔體積分數(shù)為6.09 μL/L，W2 的1號電抗器油中乙炔體積分數(shù)為0.16 μL/L，另外2臺試驗結(jié)果合格。結(jié)合廠家的意見，于2015年12月底對壓緊鐵心的固定鐵件進行拆除處理，消除鐵心多點接地情況。電抗器投運2天后重新取油樣進行分析，試驗結(jié)果顯示4號母線1號電抗器油樣中總烴的體積分數(shù)為1 162.09 μL/L、氫氣的體積分數(shù)為318.16 μL/L、乙炔的體積分數(shù)為7.65 μL/L，嚴重超標，總烴、氫氣的體積分數(shù)與處理前的試驗數(shù)據(jù)相比增長了1倍。油中溶解氣體故障診斷[14-19]結(jié)果表明W4的1號電抗器存在低能量放電兼過熱故障。

1.2 噪聲異常缺陷概況

某500 kV變電站2臺油浸式并聯(lián)鐵心電抗器在投運后存在電抗器震動劇烈的問題，特別是油箱右側(cè)的散熱器支撐母管以及其他附件，電抗器周圍噪聲值為85.7 dB，超過80 dB。

2 缺陷原因分析

對油浸式鐵心并聯(lián)電抗器的故障原因進一步分析，將故障電抗器進行返廠解體檢查。

2.1 過熱缺陷原因分析

2.1.1油化試驗分析

廠家對W4的1號電抗器油進行油化分析，試驗結(jié)果見表1。

表1W41號電抗器油中氣體分析數(shù)據(jù)Tab.1DGAdataofW4NO.1reactorμL/L

氫甲烷乙烷乙烯乙炔一氧化碳二氧化碳總烴240.07580.86127.98658.278.45823011 375.56

2.1.2 吊罩檢查

2.1.2.1 檢查項目

吊罩檢查項目見表2。

表2 W4 1號電抗器吊罩檢查項目Tab.2 Inspection items of W4 NO.1 reactor hanging cover

2.1.2.2 檢查結(jié)果分析

油浸式鐵心電抗器接地系統(tǒng)如圖4所示。將整體接地，利用底架與油箱底部定位螺桿(如圖5所示)接觸進行接地，檢查發(fā)現(xiàn)鐵心(及夾件)存在接地不可靠現(xiàn)象，在電抗器運行過程中，鐵心易出現(xiàn)懸浮電位產(chǎn)生放電，導致乙炔含量過高，需要對整個鐵心接地系統(tǒng)進行改進。

圖4 電抗器內(nèi)部的接地結(jié)構(gòu)Fig.4 Grounding structure of reactor internals

圖5 鐵心通過定位螺桿與油箱底的接觸進行接地Fig.5 Grounding of iron core by connecting set bolts with bottom of tank

在拆除鐵心中心拉桿之前，對鐵軛上部接地引線與油箱之間的絕緣電阻進行測量，結(jié)果為0。測量如圖4中所示的絕緣隔離的中心拉桿，發(fā)現(xiàn)兩者之間的絕緣電阻為0，形成了電流流通回路。在電抗器運行過程中，在交變電磁場的作用下產(chǎn)生環(huán)流，導致局部過熱并產(chǎn)生相應(yīng)的特征氣體。

在拆除鐵心中心拉桿之后，對上、下夾件與鐵軛之間的絕緣電阻進行了測量，所得結(jié)果見表3。

表3 絕緣電阻的測量結(jié)果
Tab.3 Measurement results of insulation resistance

檢查項目測量值/MΩ下鐵軛-上夾件2 800上鐵軛-上夾件280上鐵軛-下鐵軛3 500下鐵軛-下夾件(未分離)2.30上鐵軛-下夾件300上夾件-下夾件2 300

從表3可看到，下夾件與下鐵軛之間的絕緣電阻為2.3 MΩ，結(jié)果異常。對底架和下鐵軛進行分離處理后，兩者之間的絕緣電阻恢復正常，可判斷兩者之間的絕緣比較薄弱。

2.2 噪聲過大缺陷原因分析

油浸式并聯(lián)鐵心電抗器本體結(jié)構(gòu)與油浸式變壓器類似，但鐵心電抗器與變壓器在鐵心結(jié)構(gòu)、壓緊結(jié)構(gòu)、運行方式等方面與變壓器有本質(zhì)的區(qū)別，使得鐵心電抗器的運行狀況與變壓器相比更為復雜。

鐵心電抗器鐵心由分段的鐵心餅和氣隙疊裝而成。由于增加了分段氣隙，電抗器鐵心的漏磁通比變壓器大很多，可達到總磁通的30%，是常規(guī)變壓器漏磁通比例的數(shù)十倍，而高比例的漏磁通會導致鐵心的劇烈震動，并產(chǎn)生噪音。

另外，鐵心由分段的鐵心餅組成，在工頻交流電的作用下，鐵心餅之間會產(chǎn)生電源頻率相近電磁力，同時鐵心激磁使得鐵心硅鋼片產(chǎn)生磁滯伸縮。磁滯伸縮和電磁力也會導致鐵芯的振動，并產(chǎn)生噪聲。鐵心電抗器因漏磁較大，在油箱壁上裝設(shè)了磁屏蔽，也會引起油箱磁屏蔽和油箱的振動，并產(chǎn)生噪聲。

鐵心電抗器線圈的導線在漏磁通產(chǎn)生的漏磁場的作用下也會產(chǎn)生電磁力，引起振動和噪聲。綜上所述，由于鐵心電抗器特有的結(jié)構(gòu)特點，導致其運行時產(chǎn)生的噪聲和振動相比同等級的變壓器而言要大很多，因此對于噪聲和振動的控制成了衡量鐵心電抗器制造水平的重要標準。

從上述分析來看，該型大容量油浸鐵心并聯(lián)電抗器在設(shè)計與制造時對振動的控制不足是缺陷的主要原因。

3 整改措施

3.1 針對過熱缺陷的整改措施

根據(jù)油化分析和吊罩檢查結(jié)果，問題集中在鐵心(及夾件)接地不良；鐵心(及夾件)與鐵心中心拉桿之間存在環(huán)流；夾件與鐵軛之間絕緣不良。針對上述問題提出以下處理方案。

3.1.1 接地不良的整改措施

a)改進接地系統(tǒng)，將鐵芯與夾件分別在油箱蓋上通過10 kV接地套管引出，并通過瓷支柱絕緣子引下；

b)接地引線改用50 mm2軟銅線；

c)油箱蓋與油箱壁進行短接處理，防止出現(xiàn)“打火”現(xiàn)象；

d)在油箱蓋上低壓側(cè)加裝2個10 kV接地套管，在油箱壁上焊接小支架，通過瓷支柱絕緣子將黃綠接地線引到油箱下部，并使用標識區(qū)分夾件與鐵心；

e)鐵心底架與油箱底全部絕緣處理，δ5電工絕緣紙板3件，鋪設(shè)前對其進行干燥、浸油處理；

f)減小油箱底定位釘外徑，由現(xiàn)在的56 mm修改為45 mm，加裝5 mm厚的絕緣角環(huán)，安裝前對其進行干燥、浸油處理。

絕緣角環(huán)、絕緣紙板、減震墊的安裝順序如圖6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)(按abcde順序安裝)所示，裝配完成如圖7所示。記錄定位螺桿與絕緣角環(huán)、絕緣紙板之間的絕緣阻值(絕緣電阻大于200 MΩ)。電抗器鐵軛與夾件之間的絕緣整改如圖8所示。

圖6 絕緣角環(huán)、絕緣紙板、減震墊的安裝順序Fig.6 Erection sequence of insulation angled ring, insulating cardboard and shock pad

圖7 絕緣角環(huán)、絕緣紙板、減震墊安裝完成圖Fig.7 Finished installation of insulation angled ring, insulating cardboard and shock pad

3.1.2 針對環(huán)流的整改措施

中心拉桿穿越鐵軛部分(軛高417 mm)進行切削處理，切削厚度小于2 mm。切削部分包1 mm絕緣。3根中心拉桿和下底架安裝完畢后，然后分別測量3根中心拉桿對上鐵軛、夾件、下鐵軛的絕緣(絕緣電阻大于200 MΩ)。

3.1.3 夾件與鐵軛間絕緣不良的整改措施

將圖4中下鐵軛和下夾件以及上鐵軛和上夾件之間的絕緣更換為δ10電工絕緣紙板，如圖8(a)、(b)所示。在中心拉桿穿越鐵軛部分增加絕緣紙管，保證兩者之間的完全隔離，該位置的絕緣紙管安裝后不能脫落。δ10電工絕緣紙板進行干燥、浸油處理后，下鐵軛和底架之間用千斤頂將下夾件復位，測量兩者之間的絕緣(絕緣電阻大于200 MΩ)。改進后的鐵心接地結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 電抗器鐵軛與夾件之間的絕緣整改示意Fig.8 Rectification of insulation between yoke and yoke clamping

圖9 改進后的鐵心接地結(jié)構(gòu)Fig.9 Improved grounding structure of iron core

3.2 針對噪聲過大的整改措施

3.2.1 油浸式并聯(lián)鐵心電抗器建模仿真計算改進

為改進油浸式并聯(lián)鐵心電抗器設(shè)計，使用ANSYS Maxwell進行電磁仿真，對電感、漏磁場、電磁力、線圈渦流損耗等進行了核算，為優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。

油浸式并聯(lián)鐵心電抗器結(jié)構(gòu)復雜，為提高仿真效率，對線圈及鐵心的模型進行簡化，并忽略磁屏蔽、金屬件、油箱等的影響，圖10(a)、(b)分別為油浸式并聯(lián)鐵心電抗器的立體三維結(jié)構(gòu)和簡化模型。

圖10 油浸式并聯(lián)鐵心電抗器結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of oil-immersed shunt iron core reactor

在靜態(tài)場下，根據(jù)磁場儲能計算公式，電感儲存的能量

(1)

式中：L為電感；I為流過的電流；B為磁感應(yīng)強度；H為磁場強度；dΩ為體積元。

經(jīng)計算，三相電感值及與額定電感(64.75 mH)偏差見表4。

表4 三相電感值及偏差值
Tab.4 Three-phase inductance values and deviation values

相位磁場儲能/J電感/mH偏差/%A64 195.465.50+1.16B16 065.865.57+1.27C16 068.165.58+1.28

結(jié)果偏差在合理范圍之內(nèi)，驗證了所建模型的正確性。

圖11為油浸式并聯(lián)鐵心電抗器整體磁通密度矢量圖，磁通在3個鐵心柱中流通；圖12為A柱鐵心餅磁密分布云圖，經(jīng)計算，鐵餅截面磁通量-0.37 Wb，鐵餅平均磁通密度為1.31 T，與電磁計算值相符。

圖11 三維仿真磁通密度矢量圖Fig.11 3D simulation model of magnetic flux density

圖12 A柱鐵心餅磁通密度矢量圖Fig.12 3D simulation model of phase A’s iron core

然后采用虛位移方法對電磁力進行求解。經(jīng)典虛位移法用差商代替微商，通過計算虛位移時的變化確定電磁力

(2)

靜磁場仿真鐵餅表面電磁力矢量圖如圖13所示。

圖13 鐵餅表面電磁力矢量圖Fig.13 3D simulation model of electromagnetic force on surface of iron core

經(jīng)計算，鐵餅表面電磁力為201.52 N/m2，與公式計算的194.52 kN/m2偏差+3.6%；線圈表面電磁力軸向10.31 kN/m2，徑向0.84 kN。

3.2.2 油浸式并聯(lián)鐵心電抗器結(jié)構(gòu)和工藝改進

針對油浸式并聯(lián)鐵心電抗器噪聲過大的缺陷，提出了以下若干整改措施和工藝改進方式：

a)核算鐵心餅電磁力，在鐵心裝配時給予數(shù)倍電磁力的壓力，對鐵心柱進行壓緊；

b)對于三相鐵心餅進行垂直度和平整度測試，保證三相鐵心柱垂直和水平面平整度，保證鐵軛與鐵心柱的壓緊貼實；

c)在鐵心裝配完成后，采用液壓裝置進行壓緊，保證三相鐵心壓緊程度一致；

圖14 聲級測定結(jié)果Fig.14 Test results of sound levels

d)在鐵心壓緊結(jié)構(gòu)中設(shè)置防松止退裝置，防止運行中壓緊螺桿的松退；

e)在器身結(jié)構(gòu)中設(shè)置減震墊，改變器身的共振頻率，降低噪聲；

f)在磁屏蔽與油箱固定處設(shè)置緊固裝置，將磁屏蔽與油箱壁固定為一體結(jié)構(gòu)，減少磁屏蔽振動和噪聲；

g)線圈結(jié)構(gòu)改為連續(xù)餅式線圈結(jié)構(gòu)，能夠保證線圈的均勻壓緊，降低線圈部分導致的噪聲和振動；

h)降低油浸式并聯(lián)鐵心電抗器運行時鐵心的磁通密度，減少硅鋼片的磁滯伸縮引起的鐵芯振動；

i)在電抗器與水泥基礎(chǔ)之間設(shè)置減震橡膠，改變電抗器與水泥基礎(chǔ)之間的共振頻率，增大噪聲與振動的阻尼效果。

在整改后對油浸式并聯(lián)鐵心電抗器進行了噪聲測試。按照國家標準，電抗器的聲級測定按變壓器聲級測定的標準進行[20]。采用聲壓級測量方式，輪廓線應(yīng)距繞組表面2 m，規(guī)定輪廓線應(yīng)位于繞組高度1/2的水平面上。試驗過程中考慮到不希望出現(xiàn)的試驗室邊界和試品附近的物體產(chǎn)生的聲反射的影響，首先計算環(huán)境修正系數(shù)K[21]，即

(3)

式中：S為試驗室吸聲面積；A為測量表面積。

(4)

式中：N為測量點總數(shù)；LpAi為第i個測量點上測出的聲壓級。

(5)

式中：M為測量點總數(shù)；LbgAi為在第i個測量點上測出的背景噪聲聲壓級。

最后，通過下式計算出修正的平均聲壓級：

(6)

在本次進行聲級測量時，布點方式根據(jù)標準要求，對試品按照圖14所示的布點方式設(shè)置測量點。

經(jīng)計算，整改后油浸式并聯(lián)鐵心電抗器修正A計權(quán)表面聲壓級為78.2 dB，已經(jīng)降到80 dB以下，結(jié)果合格。

4 結(jié)論

通過油化分析及吊罩檢查可以判斷油浸式并聯(lián)鐵心電抗器鐵心(及夾件)接地不可靠、運行中鐵心(及夾件)易形成環(huán)流導致過熱故障的原因如下：鐵心接地不可靠；絕緣隔離的中心拉桿兩者之間絕緣電阻為0，形成了電流流通回路；底架和下鐵軛之間的絕緣電阻無窮大，兩者之間的絕緣存在問題，最終導致電抗器出現(xiàn)過熱及放電現(xiàn)象。通過仿真分析及解體檢查可以判斷油浸式并聯(lián)鐵心電抗器噪聲過大的原因為油浸式并聯(lián)鐵心電抗器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，導致運行時電抗器對振動的控制不足。以上分析說明該型電抗器在設(shè)計上存在缺陷，這將導致此類油浸式并聯(lián)鐵心電抗器出現(xiàn)連續(xù)集中缺陷。針對該型電抗器缺陷的原因分析，本文提出了相應(yīng)的整改措施：修改同類油浸式并聯(lián)鐵心電抗器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并提高工藝制造。