摘要：文章分析了存在匝间绝缘短路的电抗器在不同频率电源作用下整体电感的变化规律，通过此规律，我们采用一分钟高频振荡电压的方法来寻找电抗器是否发生匝间短路现象。在介绍了高频振荡电压法的原理、结果判定原则和试验安全性要求后，文章最后分析了引起空芯电抗器匝间短路的原因其实是电树和水树的问题，并针对两者提出了相应的防范措施。
关键词：匝间短路；高频振荡；绝缘
引言
2017年6月8日，陈田变#3电抗器B相匝间短路，之后引起贯穿性拉弧以致过流保护动作跳电抗器开关。对于大容量干式空心并联电抗器，由于其层数和匝数较多（机械匝数可达万匝以上），匝间绝缘故障的灵敏检测一直是道难题，因为倍频倍压试验虽然作用时间较长，能量较高，但试验电压较低，匝数较多时难以查出缺陷[1]；雷电冲击试验电压较高，但作用时间较短，能量较低，无论以外观检查还是波形比较，都难以判断是否合格，很多情况下，常规的雷电冲击试验并不能可靠地检查环氧包封型大容量多层并联电抗器的绝缘缺陷。然而依据干式空心电抗器匝间短路对电抗器参数的影响与频率息息相关这一特点，对试品施加一分钟高频震荡电压的试验方法就显得尤为有效。对于匝间耐压试验的必要性，《国网十八项重大反事故措施》10.2.4.5有相关表述。
1 试验过程及分析
1.1 匝间短路对电抗器参数影响分析
用最简单的电压电流法即可测得匝间短路对电感工频参数的影响。模拟试验发现，在短路前后，工频电感量是没有明显变化的，然而短路环内电流却可以很大，甚至可以达到1.5kA左右，而这个数值再除以铝导线截面，就可以得出短路环电流密度可高达230A/mm2左右,这种电流密度在数秒内就可以使铝达到其熔点值（约660℃），引起线圈起火自焚，铝导线成为铝球[2]。
高频下匝间短路对电抗器整体参数的影响则要明显大于工频。众所周知，导体内涡流不仅形成有功功率的损耗，使交流等效电阻增大，同时涡流还具有去磁效应，使导线内部磁通减小[3]。于是随着频率的升高，涡流电流将随之增大，导线内电感随之减小，进而使线圈总电感小于工频电感。
1.2试验原理
高频脉冲振荡方法匝间过电压试验检测方法是利用LC振荡电路，在电抗器两端形成自由衰减的高频交流电压，在起始放电电压为标定电压（20%～30%试验电压）和试验电压下分别进行多次LC振荡放电，电抗器两端便得到一系列振荡电压波形。比较两种电压下的波形来判断匝间绝缘是否损伤。试验电路原理图如图1所示。
图1 使用直流发生器提供脉冲电源的电抗器匝间绝缘检测
原理电路图
在试验时，电容C由直流发生器充电，当电容C被充电至一定值时，球隙开关K闭合，电容C与被试线圈L形成有一定频率的阻尼振荡电路，其振荡频率约为 。当振荡放电电压衰减到足够小时，放电开关断开，电容C又开始充电，电压达到试验电压后，放电开关K又闭合，L、C回路又形成振荡。
试验过程中，用高分辨率的高压存储示波器观察振荡电压的波形可以获知振荡频率，当施加较低标定电压值，我们先存储波形以供比较；然后调整输出电压和放电开关球隙大小，按标准规定施加一分钟较高幅值的试验电压，期间完成不少于3000次放电，1min计时时间到，存储电压波形，迅速将电压降至0，断开高压电源。此时比较标定电压和试验电压下的放电波形，观察过零点的变化和衰减速度的快慢来判断绝缘是否完好，同时试验时观察升压过程中电抗器是否出现异常噪音、烟雾以及火花放电等现象。由于当电抗器匝间绝缘损伤到一定程度时，工频电感在比较低的标定电压下虽不影响，但在高频脉冲振荡试验电压下就会出现电感减小，等效电阻增大，因此上述两个波形的振荡周期和频率是不同的。在一个周期内两波形相位差往往不是很大，但振荡若干周期后，两个波形的相位将产生明显的差异，显现出前后两种试验电压下振荡频率和试品电感量的变化。这种相位差经过多周期累计推进的效果与单脉冲的额定标准冲击波相比，便于观察判断，因而是一种更可靠的检测方法。此外，这种试验电压波能较好地代表电抗器承受的操作过电压。由于加压时间较长（1min），放电次数较多（50HZ 电源供电时，每分钟连续放电 3000 次），注入试品的能量远大于常规的雷电冲击试验。这一特点使绝缘击穿后的发热明显，有利于内部绝缘缺陷的暴露和观察。从这一角度考虑，如果不具备倍频倍压的感应电压试验而只有能量较低的雷电冲击试验，以这种一分钟高频振荡感应电压试验代替工频或倍频倍压试验则是必要的。美国电抗器国家标准便明确规定了这一点，否则，无异于缺少一项例行试验项目——一分钟感应电压试验。具体试验接线如下图，将被试电抗器一端接地，另一端接分压器高压端：
图2 电抗器匝间过压试验实际接线
进行试验时，以下几点需要注意：
根据IEEE Std C57.21-2008、IEEE Std C57.16-1996、《GB/T 1094.6—2011 电力变压器 第6部分：电抗器》附录G，对于空心电抗器匝间绝缘试验，需对电容器重复充电，并通过球隙向电抗器线圈放电，试验应包含不低于3000个要求幅值的过电压[4]。
试验电容与被试电抗器线圈形成阻尼振荡的频率要求在5-100kHZ，并要求在可能的情况下，振荡频率越高越好。
试验耐压时间至少持续1min。标定电压不超过试验电压的30%，而新投运电抗器试验电压值按照《GB/T 1094.6—2011 电力变压器 第6部分：电抗器》的规定值，见表1。
表1 脉冲振荡法干式电抗器匝间过电压试验电压（出厂试验）
单位：kV
当被试电抗器已有一定的运行年限时，试验电压的幅值就应适当降低。根据《GB 1094.3—2003电力变压器 第3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙》第9节关于“重复的绝缘试验”的规定执行：“对正在运行和经检修后或曾运行过的变压器，其重复的绝缘试验应按7.2、7.3、7.4规定执行，若无其他协议规定，试验电压值应为原额定耐压值的80%”[5]
匝间过压试验毕竟属于绝缘耐受试验，长时间多频次操作对电抗器绝缘性能有一定的危害积累。在试验前，务必对电抗器进行直阻和电感测量并记录，试验后再进行直阻和电感测量并前后比对，看是否有较大偏差以确定耐压测试是否对电抗器造成损伤[6]。
1.3结果判定
（1）匝间过电压试验前工频电感测量值与铭牌标称值或最近一次试验值间的误差不超过5%；过电压试验前后，工频电感值不应出现明显变化。
（2）《GB/T 1094.6—2011 电力变压器 第6部分：电抗器》附录G中图形法确定绝缘完好规定： 冲击示波器、相机或数字记录仪等设备用于记录叠加到降低电压放电上的最后一个放电。降低电压的波形与全波之间周期的改变或包络线衰减速度的改变能表明绕组阻抗的变化，从而表示匝间故障。
海沃公司HVDKJ型干式空芯电抗器匝间绝缘缺陷检测系统图形法确定绝缘完好具体规定：通过比较标准电压和试验电压下脉冲振荡波形的过零点是否重合，进而计算周期变化率是否大于5%，若周期变化率大于5%，则判为故障；当周期变化率小于5%时，则计算衰减指数的变化。由于衰减指数是通过峰值进行计算，而峰值处的干扰较大，同样考虑到测试时误差的存在，为了避免将正常的电抗器误判，选择衰减指数的变化大于10%时，判为故障。
对于波形的变化，主要依靠标定波形和试验波形的比较确定。图3、图4是两个典型的试验波形实例，其中图3是无匝间绝缘缺陷的电抗器试验波形，图4是存在匝间绝缘缺陷的电抗器试验波形，波形过零点不重合。
图3 无匝间绝缘缺陷的电抗器试验波形 图4 存在匝间绝缘缺陷的试验波形实例
（3）《GB/T 1094.6—2011 电力变压器 第6部分：电抗器》附录G中观察法确定绝缘完好规定：故障可通过电抗器绕组上的噪声、烟雾或火花放电现象做辅助判断。
1.4试验安全
（1）试验场地四周应设围栏，并悬挂“止步，高压危险”标示牌；试验时派专人监护，严防无关人员闯入；
（2）试验设备接地应牢固可靠，被试设备该接地应确认接地后方可开始试验；
（3）更改被试验电抗器接线时，用接地棒对设备高压区放电，确保操作安全；
（4）确保整套试验设备单点接地；
（5）试验前应解开电抗器的引线，现场提供三相试验电源电流不小于40A；
（6）试验过程中如有异常应立即中断试验，待查明原因后，再继续试验。
2 匝间短路原因分析
户外运行的干式空心电抗器匝间短路，发现比较多的是树的问题，这包括电树和水树。树的形成，是由于绝缘材料、绝缘结构和制造工艺等多方面的原因。但主要是由于绝缘发空，即绝缘中存在或大或小的气隙。由于电场强度与绝缘介电系数成反比，当气隙两端电压达到起始放电场强时，气隙内部产生局部放电，在交变电场反复作用下，放电电子、离子不断撞击导致绝缘老化，并可能出现裂纹。放电痕迹由裂纹发展到绝缘表层，此为电树。水树则是由于电抗器在雨水作用下，作为导电性物质的雨水在交变电场作用下反复撞击电抗器的包封绝缘，当场强超过某一数值时就沿电场方向深入绝缘层深处，形成近于电树枝的泄痕，即水树。电树枝放电痕迹稀疏且有清晰分支，水树则密实较粗，且常呈片状或多片状，如扇状、羽毛状。
由上分析，电树产生的原因是绝缘胶与导线绝缘粘合性较差，由于绝缘胶流失，包封绝缘存在气隙，在高电场下发生和发展；水树则是存在空隙和聚集了雨水；匝间短路是水树的进一步发展，即短路线匝中电流剧增，温升高到使线匝绝缘损坏，并在高温下熔化导线而成。有效防止匝间短路，也从这两个根源寻找措施：
尽可能保持包封绝缘整体性，消除或最大限度减少绝缘气隙[7]，保证绝缘胶与导线绝缘具良好亲和性。这主要从材料配方和制造工艺入手。材料配方方面，应调整配方使环氧树脂固化达到最佳状态，同时在添加剂、固化剂中把控硅微粉等材料纯度，不得含有半导体、导体等杂质；制造工艺方面，在制造过程中，要严防外绝缘表面皲裂、粉化、绝缘性能下降、焊口缺陷过热绕组毛刺、绝缘气泡等缺陷。
防止电抗器被雨水淋湿，目前采取加装防雨罩方法。
参考文献
[1]王兆安. 谐波抑制和无功功率补偿[M]．北京：机械工业出版社，2016．
[2]郭香福,孟波.空芯并联电抗器匝间短路故障电流及其过流保护系统[J].变压器,2008 (11):20-22
GUO Xiangfu,MENG Bo.Inter-Turn Short Circuit Fault Current and Overcurrent Protective System of Shunt Reactor with Air Core[J].Transformer,2008 (11):20-22
[3]林其友,刘全峰,梁艺超.空心电抗器匝间短路故障监测方法的研究[J].电力电容器与无功补偿,2015 (3):18-20
LIN Qiyou,LIU Quanfeng,LIANG Yichao.Research of Monitoring Method for Interturn Short Circuit Fault of Air-core Reactor[J].Power Capacitor and Reactive Power Compensation,2015 (3):18-20
[4] GB/T 1094.6—2011 电力变压器 第6部分：电抗器[S].
GB/T 1094.6—2011 Power transformers—Part 6:Reactors.
[5] GB 1094.3—2003电力变压器 第3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙[S].
GB 1094.3—2003 Power transformers—Part 3:Insulation levels,dielectric tests and external elearances in air.
[6]张利生. 电网无功控制与无功补偿[M]．北京：中国电力出版社，2012．
[7]顾尔重,杨光. 500kV变电站低压侧无功优化——并联电容器与电抗器互换技术[M]．北京：中国电力出版社，2013．
作者简介
谢育鹏（1985-），男，汉族, 福建漳州人，高级工程师，高级技师，国网福建检修公司安全员。
论文作者:谢育鹏
论文发表刊物:《电力设备》2019年第15期
论文发表时间:2019/12/9
标签：电压论文; 电抗器论文; 波形论文; 电感论文; 过电压论文; 导线论文; 缺陷论文; 《电力设备》2019年第15期论文;