游 帥，陳仁剛，王瀟洋

（國網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

低壓電抗器通常分組裝設(shè)于超高壓變電站主變壓器的低壓側(cè)，作用是維持無功平衡。當(dāng)高壓電抗器（下文簡稱高抗）裝設(shè)容量不足或裝設(shè)高抗有困難時(shí)，裝設(shè)低壓電抗器（下文簡稱低抗）可以起補(bǔ)足作用，按無功平衡的需要進(jìn)行分組投切，運(yùn)行靈活，投入低抗還可以抑制輕負(fù)荷時(shí)母線電壓升高。干式空心電抗器結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、占地面積小，在國內(nèi)500 kV 變電站中一般經(jīng)專用斷路器與變壓器低壓側(cè)母線相連，作為無功補(bǔ)償設(shè)備在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［1］。但干式空心電抗器運(yùn)行年限較長后，繞組外部絕緣老化，且四周存在著強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生渦流損耗，受鳥糞污物腐蝕等因素影響，匝間短路、絕緣閃絡(luò)跳閘甚至燒毀的事故頻繁發(fā)生［2-5］，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的威脅。

1 事故案例分析

1.1 事故經(jīng)過

某500 kV 變電站3 號(hào)主變壓器低壓側(cè)35 kV 3B電抗器2004 年投運(yùn)，型號(hào)為BLGKL-20000/34.5，戶外干式空心，三相水平品字形布置，額定容量為20 000 kvar，額定電壓為，額定電流為1 004 A，額定電抗為19.8 Ω，投運(yùn)時(shí)間已超過15 年。3B 電抗器332 斷路器型號(hào)為3AQ1EG，絕緣介質(zhì)為SF6，額定電壓為72.5 kV，額定電流為4 000 A，額定短路開斷電流50 kA，動(dòng)作次數(shù)為2 000余次。

結(jié)合3 號(hào)主變壓器上次計(jì)劃停電，檢修人員對(duì)3B 低抗進(jìn)行了常規(guī)檢修、絕緣電阻測(cè)量、直流電阻測(cè)量、匝間絕緣試驗(yàn)，結(jié)果如表1和表2所示，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均正常。

表1 絕緣電阻測(cè)量、直流電阻試驗(yàn)結(jié)果

表2 匝間絕緣試驗(yàn)結(jié)果

某日14：08，35 kV 3B 電抗器332 開關(guān)過流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，332 開關(guān)跳閘，故障電流一次值2 205 A，開關(guān)跳開后，由于故障發(fā)展迅速，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)3B 電抗器A 相頂部冒煙著火，且火勢(shì)較大。由于現(xiàn)場(chǎng)滅火需要，變電站運(yùn)行值班人員緊急向調(diào)度申請(qǐng)將3 號(hào)主變壓器由運(yùn)行轉(zhuǎn)為冷備用，16：15，現(xiàn)場(chǎng)明火被撲滅；18：30，將3B 電抗器轉(zhuǎn)檢修后，3 號(hào)主變壓器恢復(fù)正常運(yùn)行。

1.2 保護(hù)動(dòng)作及錄波分析

14：08：26.204，3B 電抗器保護(hù)動(dòng)作跳閘，故障電流IA=7.35 A（二次值），過流Ⅱ段定值為5.02 A，延時(shí)0.5 s，即14：08：25.704，保護(hù)采集到故障電流已超過電流定值，進(jìn)入過電流保護(hù)動(dòng)作邏輯，經(jīng)0.5 s 延時(shí)后，過流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，跳開3B 電抗器332 開關(guān)，保護(hù)動(dòng)作正確。

3B 電抗器運(yùn)行于500 kV 3 號(hào)主變壓器低壓側(cè)35 kV 母線，主變壓器低壓側(cè)只帶站用變與3B 電抗器運(yùn)行，由于站用變負(fù)荷電流較小可忽略，3 號(hào)主變壓器低壓側(cè)電壓、電流即為3B 電抗器電流、電壓，此次故障時(shí)，3 號(hào)主變壓器低壓側(cè)故障錄波如圖1 所示。由錄波圖可見，0 時(shí)刻以前，已經(jīng)發(fā)生3B 電抗器A 相輕微短路，3 號(hào)主變壓器低壓側(cè)A 相電流已經(jīng)開始緩慢增大，但沒有達(dá)到電抗器過流Ⅱ段保護(hù)定值，此后隨短路故障越來越嚴(yán)重且發(fā)展非常迅速，0時(shí)刻A 相故障電流增大明顯，同時(shí)由于電抗器內(nèi)部導(dǎo)體融化縱向貫穿整個(gè)電抗器，導(dǎo)致A 相單相接地，由于35 kV側(cè)為不接地系統(tǒng)，A相單相接地后，B、C兩相電壓明顯升高。隨著故障發(fā)展，在A 相故障電流達(dá)到過流Ⅱ段定值后，經(jīng)0.5 s 延時(shí)保護(hù)動(dòng)作跳開332 開關(guān)，故障切除后，3 號(hào)主變壓器低壓側(cè)電壓恢復(fù)正常，低壓側(cè)故障電流消失。

圖1 3號(hào)主變壓器低壓側(cè)錄波

分析故障錄波波形的主要特點(diǎn)有：

1）單相電抗器發(fā)生故障，即為電抗器內(nèi)部匝間短路，與線路、主變壓器、母線等故障情況不同，故障電流并不是立刻增大為短路電流，而是有一個(gè)緩慢增大的過程，這是由于短路繞組匝數(shù)不斷增加造成的。而且整個(gè)故障過程中無零序電流，因主變壓器35 kV 側(cè)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，即使伴隨單相接地也無法形成零序電流通路。

2）電抗器匝間短路故障一般都會(huì)伴隨單相接地，是由于匝間短路后由于短路電流很大形成的電弧作用，導(dǎo)電物質(zhì)融化，產(chǎn)生的融化物、濃煙沿風(fēng)道上下擴(kuò)張都會(huì)導(dǎo)致對(duì)絕緣子放電形成單相接地，單相接地后故障相電壓基本為零，非故障電壓幾乎升高為線電壓，同時(shí)產(chǎn)生較大零序電壓。

3）單相接地后，35 kV 三角形接線的線電壓并沒有發(fā)生變化，所以加在電抗器上的電源也沒有變化，因此單相接地不會(huì)對(duì)故障發(fā)展過程產(chǎn)生影響，圖2為電抗器單相接地前后的3 號(hào)主變壓器低壓側(cè)線電壓，三相電壓仍保持故障前的狀態(tài)，三相電壓相互差120°的正序關(guān)系，幅值幾乎沒有變化。

圖2 3號(hào)主變壓器低壓側(cè)線電壓錄波

1.3 故障原因分析

圖3 為明火撲滅后的電抗器，檢查發(fā)現(xiàn)3B 電抗器A 相內(nèi)部包封、頂部防雨罩已完全燒毀，下方地面上有大量導(dǎo)體熔化后形成的金屬膜及燃燒后的不明物質(zhì)，如圖4所示；A相電抗器開關(guān)側(cè)接線板燒斷，B、C相電抗器本體無異常。

圖3 燒毀后的電抗器現(xiàn)場(chǎng)

圖4 電抗器導(dǎo)體熔化物質(zhì)

3B 電抗器自投運(yùn)以來已超過15 年，12 月22 日經(jīng)自動(dòng)電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）投切轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)，至故障前，已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行120 h。通過檢查故障現(xiàn)場(chǎng)及保護(hù)動(dòng)作情況分析，判斷3B 電抗器跳閘原因?yàn)椋?B電抗器A相內(nèi)部絕緣老化，故障初期發(fā)生少量匝間短路，隨著匝間絕緣破壞積蓄能量增加，產(chǎn)生過熱導(dǎo)致內(nèi)部導(dǎo)體熔化，使匝間短路數(shù)量迅速增加，一次電流逐漸增大，當(dāng)匝間短路繞組達(dá)到一數(shù)量后，一次電流折算到二次值后達(dá)到過流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作定值后，經(jīng)延時(shí)開關(guān)跳閘。由于故障發(fā)展迅速，在開關(guān)跳開前電抗器已經(jīng)起火，雖然開關(guān)跳開后已切斷電源，但電抗器本體仍繼續(xù)燃燒，最終靠消防人員撲滅大火。

2 理論分析

2.1 匝間短路

電抗器事故發(fā)生最多的是由內(nèi)部絕緣降低導(dǎo)致的匝間短路［6］，匝間短路一般是一相繞組部分線匝之間發(fā)生短路，如圖5 所示。發(fā)生匝間短路后，故障匝中的短路電流很大，但往往反映到電抗器一次上的電流卻不大，從上述3B 電抗器A 相燒毀事故故障錄波中看，在整個(gè)故障過程中A 相故障電流增加程度并不大，因此達(dá)不到保護(hù)快速動(dòng)作的定值，不能快速切除故障，但由于短路的線匝中故障環(huán)流很大，最終導(dǎo)致電抗器起火燒毀。

圖5 匝間短路示意

2.2 電抗器匝間短路理論分析

主變壓器低壓側(cè)35 kV母線為三角形連接方式，為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，同時(shí)接于母線上的電抗器為星形連接方式且中性點(diǎn)也不接地。為方便分析故障，對(duì)于三相電源為三角形連接、三相負(fù)載為星形的△-Y 連接的三相電路，只要把三角形連接的對(duì)稱三相電源等效變換成星形連接的對(duì)稱三相電源，就可以變成Y-Y連接的對(duì)稱三相電路。

轉(zhuǎn)換式為：

對(duì)于電抗器來說，主變壓器低壓側(cè)35 kV母線為供電電源，在電抗器整個(gè)故障過程中，電源并沒有發(fā)生變化，由3 號(hào)主變壓器低壓側(cè)線電壓錄波圖中也可以得出結(jié)論。

在電抗器發(fā)生某一相內(nèi)部匝間短路后，對(duì)電源來說，只是匝間短路的那一相電抗值發(fā)生了變化，因此三相負(fù)載阻抗ZA、ZB、ZC不相等，變?yōu)樨?fù)載不對(duì)稱的三相三線制電路，如圖6所示。

圖6 負(fù)載不對(duì)稱的三相三線制線路

首先應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法求得負(fù)載中性點(diǎn)N′至電源中性點(diǎn)N的電壓為

根據(jù)式（5）—式（7）可以作出各相負(fù)載電壓的相量圖，如圖7所示。

圖7 負(fù)載中性點(diǎn)位移

則三相負(fù)載上的電流分別為

因負(fù)載中性點(diǎn)不接地，此時(shí)三相電流滿足關(guān)系

由于三相負(fù)載不對(duì)稱產(chǎn)生的中性點(diǎn)位移，導(dǎo)致加在負(fù)載上三相電壓也會(huì)發(fā)生變化，因此電抗器某相發(fā)生故障時(shí)，非故障相電流因?yàn)橐矔?huì)有不同程度的增加。由于三相負(fù)載阻抗不等及負(fù)載上三相電壓不對(duì)稱，因此三相電流也是不對(duì)稱的，但由于35 kV 為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，三相電流之和為零，無零序電流存在。

從理論方面分析電抗器單相故障的故障特征與實(shí)際的故障波形一致，即使在電抗器發(fā)生燒毀的嚴(yán)重事故時(shí)，整個(gè)故障過程中故障電流增加不大，導(dǎo)致現(xiàn)有的保護(hù)裝置不能在故障初期快速動(dòng)作切除故障。

3 保護(hù)配置情況

干式空心并聯(lián)電抗器都是單相式結(jié)構(gòu)，通常安裝在戶外，三相采用品字形或直列式布置。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于干式空心電抗器各相繞組之間發(fā)生相間故障的概率很小，在保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮電抗器的相間故障，同時(shí)也未考慮由于電抗器自身質(zhì)量問題引起的匝間短路故障，且電抗器在單相接地后可正常運(yùn)行，可由母線上的公用接地保護(hù)來監(jiān)視，不須配置單獨(dú)的接地保護(hù)，因此干式空心并聯(lián)電抗器的繼電保護(hù)比較簡單，只設(shè)置電抗器引線相間短路的過電流保護(hù)，一般只裝設(shè)電流速斷和過電流保護(hù)，其整定定值按照DL/T 584—2017《3～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》要求設(shè)置，即電流速斷保護(hù)電流定值應(yīng)躲過電抗器投入時(shí)的勵(lì)磁涌流，一般整定為3～5 倍的額定電流，在常見運(yùn)行方式下，電抗器端部引線故障時(shí)靈敏系數(shù)不小于1.3。過電流保護(hù)電流定值應(yīng)可靠躲過電抗器額定電流，一般整定為1.5～2 倍額定電流，動(dòng)作時(shí)間一般整定為0.5～1.0 s。

因此電抗器部分線匝之間發(fā)生短路時(shí)，故障匝中的短路電流很大，當(dāng)短路匝數(shù)較少時(shí)，對(duì)于主變壓器低壓側(cè)35 kV母線作為的電源來說，只是匝間短路的那一相電抗值發(fā)生了變化且變化較小，表現(xiàn)在相電流上的變化并不大，故障電流并不像變壓器或線路故障那樣產(chǎn)生幾倍甚至幾十倍額定電流的短路電流，所以低抗故障一般都是匝間短路不斷發(fā)展后等到過電流保護(hù)動(dòng)作切除故障，由于電流速斷保護(hù)是按照引線相間短路而設(shè)置的，定值較大，一般不會(huì)達(dá)到電流速斷保護(hù)的定值，而過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間一般為0.5～1.0 s，所以在電抗器在保護(hù)動(dòng)作前已經(jīng)燒蝕或起火。

匝間短路時(shí)短路環(huán)內(nèi)工頻電流可達(dá)數(shù)千安，短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)線溫度就能達(dá)到鋁的熔點(diǎn)，引起線圈起火自焚。火災(zāi)發(fā)生后，如果不及時(shí)切斷電源，電源將持續(xù)提供能量。因此，電抗器故障后切斷電源的時(shí)間越短越好。

4 措施與建議

電抗器長期在室外惡劣環(huán)境下運(yùn)行，加上操作過電壓對(duì)電抗器造成累積性的絕緣損傷及系統(tǒng)電能質(zhì)量的不好，造成電抗器導(dǎo)線絕緣性能的下降，導(dǎo)致絕緣層薄弱處匝間短路，形成環(huán)流引起著火事故的發(fā)生。低壓電抗器作為變電站內(nèi)必不可少的重要電力設(shè)備，優(yōu)化保護(hù)配置，加快切除故障，同時(shí)提高設(shè)備質(zhì)量，加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，是防止電抗器故障的重要手段［7-12］。

1）優(yōu)化保護(hù)配置，借鑒高壓電抗器匝間保護(hù)原理，研發(fā)匝間保護(hù)裝置，增設(shè)電抗器匝間保護(hù)專用電壓互感器，利用匝間短路專用電壓互感器的零序電壓作為匝間短路啟動(dòng)量，負(fù)序功率方向作為閉鎖元件，在故障初期可快速切除故障，防止發(fā)生著火事故。

2）低壓電抗器匝間短路后，一般會(huì)迅速導(dǎo)致單相接地，可以借鑒35 kV不接地系統(tǒng)小電流接地選線原理，當(dāng)電抗器匝間短路發(fā)展成接地故障時(shí)，采用接地選線裝置跳閘或手動(dòng)斷開開關(guān)對(duì)故障進(jìn)行隔離。

3）選用油浸電抗器代替干式電抗器，利用其重瓦斯、壓力釋放等非電量進(jìn)行報(bào)警或跳閘，可迅速隔離匝間短路故障，避免故障進(jìn)一步發(fā)展，降低火災(zāi)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

4）改進(jìn)設(shè)計(jì)工藝，優(yōu)化電抗器結(jié)構(gòu)，從根本上提高設(shè)備質(zhì)量［13-14］，加強(qiáng)調(diào)匝環(huán)的制作工藝，增加調(diào)匝環(huán)內(nèi)導(dǎo)線的絕緣強(qiáng)度；加強(qiáng)調(diào)匝用線的絕緣要求，改進(jìn)絕緣層材質(zhì)，導(dǎo)線與導(dǎo)電排間接觸面處的絕緣改為絕緣管墊襯等措施。

5）優(yōu)化檢修策略，縮短低抗檢修周期，結(jié)合停電重點(diǎn)檢查線圈包封密封情況，按規(guī)程進(jìn)行例行試驗(yàn)［15］，對(duì)比分析絕緣試驗(yàn)數(shù)據(jù)，及時(shí)清理電抗器氣道及異物，并噴涂防污閃復(fù)合涂料。

6）加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，結(jié)合廠家產(chǎn)品型式，逐步更換密封性好、無縫隙的頂部防護(hù)罩，降低外界紫外線、雨水侵蝕；在低壓無功設(shè)備周圍裝設(shè)驅(qū)鳥裝置，防范鳥糞、污穢導(dǎo)致匝間絕緣降低。

5 結(jié)語

干式空心電抗器運(yùn)行環(huán)境惡劣，同時(shí)由于產(chǎn)品質(zhì)量問題，極易發(fā)生著火燒毀事故。另外，干式電抗器的保護(hù)配置簡單，對(duì)內(nèi)部短路靈敏度差，很難對(duì)其進(jìn)行有效的保護(hù)，給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來隱患。為確保干式空心電抗器安全運(yùn)行，本文從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝、保護(hù)配置及運(yùn)維檢修等各方面提出了優(yōu)化改進(jìn)措施，對(duì)工程實(shí)際具有一定的指導(dǎo)意義。