干式空心串联电抗器损坏的原因主要有局部温升过高、匝间绝缘击穿。匝间绝缘材料如长期处在高温、放电环境下,会引起绝缘材料脆化、劣化,逐渐失去原有的机械性能和绝缘性能,进一步加快材料的老化速度。干式空心串联电抗器过热及匝间绝缘损坏原因有以下几个方面。
1、干式空心串联电抗器局部过热
干式空心串联电抗器最突出的问题是局部过热,有时最热点温度会超过100℃。温度稳定性和热状态是电抗器设计、制造质量的重要指标,指出,采用B级绝缘的干式空心串联电抗器,比较容易因为绝缘耐热水平不够导致电抗器烧毁事故发生,因而推荐采用F 级绝缘。2005 年起广西电网运行的干式空心串联电抗器均为F 级绝缘,但过热导致烧毁问题仍时有发生。因此,笔者认为干式空心串联电抗器各支路的设计以及制造工艺水平才是问题的关键。
从图2 可以看出,干式空心串联电抗器的各个支路等效电路相当于有数十个支路并联,假设仅考虑阻性电流,各支路电流的计算公式为:式中:Ii为第i 条包封支路的电流;I 总为汇流排总电流;N为股数。从该公式可知,如果各个支路阻抗不平衡,将会造成各支路电流不平衡。在设计时,厂家一般都会充分考虑电抗器绕组位置、线径、互感、自感等因数对绕组阻抗的影响,但在实际绕制过程中,由于绕制机、工艺控制等原因,线圈的轴向高度、周向宽度、同心度、松紧度、包封厚度及密实程度等参数的微小偏差都将影响到各支路间的阻抗平衡,而且单靠调节匝线圈无法消除这些参数偏差造成的影响。如果几十个并联支路中的一个支路由于少匝、匝间绝缘不良等原因导致阻抗偏低,该支路将会承受更大的电流,造成局部过热,进一步加剧薄弱点的崩溃。
2、干式空心串联电抗器散热不良
如前所述,干式空心串联电抗器包封设计不良会导致各个包封的电流密度不一致,从而造成局部过热,由于空心电抗器对外漏磁严重,如果电抗器周围存在由金属部件形成的闭合回路(如接地网),就会加剧局部过热。如果电抗器包封之间风道太窄影响散热,也会造成局部温升过高。据历次事故统计,故障损坏的电抗器往往是内层包封先损坏,而内层包封的散热效果最差。2009年崇左供电局某变电站发生的2起串联电抗器故障,正是内层包封发热所致
根据故障统计结果显示,10kV电抗器的故障率远高于35kV电抗器的,其中一个原因是10 kV电抗器的体积比35kV电抗器的小,散热面积小,散热效果差,从而导致其故障率高。此外,电抗器容量越大,发生匝间绝缘过热的几率越大,电抗器烧毁故障的概率就更高。
3、干式空心串联电抗器绝缘材料劣化
干式电抗器绝缘材料表面开裂、进水受潮也是设备损坏的主要原因。绝缘材料开裂一方面是因为生产厂家采用的环氧树脂配方有问题,导致绝缘材料在户外紫外线、潮气条件下容易老化;另一方面是因为导线材料与绝缘材料的膨胀系数不一致。干式空心串联电抗器主要由2 种材料构成:导线(铝线)和包封绝缘材料。干式空心串联电抗器一般采用铝线做载流导线,而铝线的机械加工性能较差,同等直径的铜、铝材料的性能差别较大,铝导线的膨胀率是铜导线的1.43倍,而铜导线的抗拉强度是铝导线的2.5倍。
干式空心串联电抗器在绕制过程中,导线要承受一定的拉紧力,固化成型后,整个结构硬而脆,电抗器投运后,导线会发热并发生热胀,停电后又会冷却收缩。干式空心串联电抗器频繁的投切过程,易引发导线疲劳,如果此时导线抗拉强度偏低、蠕变特性不良就容易发生断裂,进而造成局部过热、匝绝缘损伤。导线与绝缘材料的膨胀系数不一致,干式空心串联电抗器频繁的投切,还会造成包封开裂、线圈进水受潮,进而导致匝间绝缘故障。
4、谐波影响
变电站设备中的谐波电流也是引起电抗器损坏的重要原因之一。在并联电容补偿装置中电抗器和电容器串联后构成谐振回路,起到消谐或滤波的作用,可以提高功率因数和改善供电质量,但是如果并联电容器组参数设置不当或是投入电容器数量不当时,则注入该电容器组的谐波电流将被放大或是某次谐波引起电容器组谐振致使电抗器过流、过热。例如,某些变电站并联电容器组的串抗率为6.0%,很容易引起4次谐波谐振;一些35kV矿区用户线路中经常存在4次谐波源;主变压器的运行方式和电容器组的组合投退时,也可能会引起谐波系数放大。此外,目前串联电抗器几乎处于无保护状态,一旦发生谐振引起的过压、过流现象,无保护装置去切除故障源,就会造成电抗器毁坏。