论文部分内容阅读
摘要：本文从近几年北京电网实际运行经验出发，对10kV户内干式铁心并联电抗器的四类典型缺陷形式:紧固件松动脱落、线圈包封开裂、温控仪或风机本体故障、铁心环氧外层开裂进行了细致描述，并详细分析了上述四种缺陷形式的危害与成因，最后，从不同角度提出了一些可行性建议供电网企业与设备制造厂商参考。
关键词：干式铁心电抗器；典型缺陷；原因分析
中图分类号：C35文献标识码： A
The Typical Defect and Reason Analysis of 10kV Dry-Type Shunt Reactor with Core
LIU Ruo-xi
（State Grid Beijing Electric Power Research Institute，Fengtai District，Beijing 100075，China）
ABSTRACT:In this paper, We make an analysis for four kinds of typical defects of 10kV Dry-Type shunt reactor base on actual operating experience of Beijing power grid in recent years. These typical defects mainly include fastener loose and fall off, coil encapsulation cracking, temperature controller or fan fault and external epoxy cracking of core. The author also explains why these defects can be made from different field. At last, this paper put forward some feasible suggestions for power grid enterprises and equipment manufacturers.
KEY WORDS:dry-type shunt reactor；typical defects；reason analysis
0引言
隨着北京城市化进程的不断推进，其线路电缆化率不断提高，电网络的对地电容性充电电流急剧增大，进而导致系统工频电压升高，严重时甚至影响用户的供电可靠性 [1-3]。为解决这一问题，自2009年以来，北京电网在多个变电站（特别是地下站）内安装了多台不同厂家生产的10kV干式铁心并联电抗器，并取得了不错的运行效果。但在运行过程中，此类电抗器也暴露出紧固件易松动，浇筑线圈易开裂等缺陷。本文从近几年北京电网实际运行经验出发，对10kV户内干式铁心并联电抗器的四类典型缺陷形式进行了细致描述，并详细分析了缺陷的危害与成因。最后，又从不同角度提出了一些可行性建议供电网企业与设备制造厂商参考。
1典型缺陷及其危害
笔者统计了北京电网所有在运10kV干式铁心并联电抗器的历史缺陷记录，归纳总结了四种典型缺陷形式：紧固件松动脱落、线圈包封开裂、温控仪或风机本体故障、铁心环氧外层开裂。四种典型缺陷形式的详细描述如下所述。
1.1紧固件松动脱落及其危害
单就紧固件松动脱落现象而言，并不少见，巡视人员经常发现部分电抗器运行一段时间后，噪声逐渐变大，且一般都存在紧固件松动脱落现象。其实，不仅是噪声逐渐变大的电抗器存在这一现象，而是几乎所有电抗器都存在紧固件松动现象，只是松动量还未达到可见程度，有关这一缺陷的成因笔者将在下一节中做详细说明。
紧固件松动脱落缺陷的危害不容忽视，轻则增加噪声，加大电抗器振动幅度，重则导致设备故障停运。例如，某变电站10kV干式铁心并联电抗器引出线螺栓松动，导致其接触不良，进而引起接触电阻增加，接触面发热现象严重。同时接触面由于热量累计效应而进一步促使接触电阻增大，形成恶性循环，最终产生的弧光放电及烟气将相间短路，造成故障。
1.2线圈包封开裂及其危害
图1为某变电站内BKSC型号10kV干式并联电抗器包封线圈开裂图片。从图中可见，线圈外层有明显开裂痕迹。
图1线圈包封开裂图片
Fig.1Picture of coil encapsulation cracking
图1中电抗器线圈由多股导线并绕组成，外包封则由玻璃纤维浸环氧树脂进行缠绕固化后形成，此种固体绝缘形式的绝缘缺陷具有不可恢复性，一旦产生裂纹，则必将呈发展扩大趋势。另外，线圈包封完全暴露在空气中，如果加之变电站运行环境较差，灰尘或柳絮等异物难免会附着在包封表面，如果不定期清洁维护，异物中含有的导电介质以及空气中的水分都可能加剧包封绝缘性能的劣化，最终危机设备的安全运行。
1.3 温控仪或风机本体故障及其危害
此类缺陷只存在于采用外设风机冷却方式的电抗器。由于一般变电站室内通风环境并不是很好，特别是地下变电站，这一问题更为突出。且多组设备经常在同一狭小空间内，同时运行时室内热量积聚，导致站内温升较高。在此外部条件下，一旦电抗器温控仪或者风机本体发生故障，将直接导致线圈温升加速，危机设备的绝缘和使用寿命，因此在发现此类缺陷时，应尽快退出在运电抗器，恢复故障冷却系统，不可勉强运行，否则损失将扩大。图2为某变电站内10kV干式铁心并联电抗器典型风机照片。
图2 电抗器风机图片
Fig.2Picture of Dry-Type shunt reactor with core fan
1.4 铁心环氧外层开裂及其危害
部分厂家生产的电抗器铁心柱采用真空浇注工艺，铁心饼间隙采用环氧胶粘接，铁心柱表面包裹了一层树脂和玻璃纤维的混合物外层，其目的是为了使铁心饼成为一个整体，增加铁心柱的刚性，减小硅钢片振动，降低噪音。但此类设计存在环氧外层在生产工艺不成熟的条件下容易开裂的问题。图3为通过内窥镜观察到的某变电站内10kV干式并联电抗器铁心环氧外层开裂的典型照片。
图3铁心环氧外层开裂图片
Fig.3Picture of external epoxy cracking of core
此类缺陷一旦扩大，将导致铁心振动和噪音加大，严重时造成铁心错位，最终导致设备故障。
2缺陷原因分析
2.1紧固件松动脱落的原因
导致干式并联电抗器紧固件易松弛的根本原因是其自身的振动，原因有两点：一是组成铁心的铁饼之间在脉动电磁力作用下导致振动。厂家为了获得较大的电感值，将铁磁材料插入空心线圈中，同时铁心上串联许多气隙，气隙产生的旁路效应，使得铁心截面上磁通分布不均匀，从而造成该类型电抗器的振动。在工作状态下，交变电源产生的磁场、铁心磁密都是交变的，铁心各相邻铁饼之间任何时刻都是异性磁极相邻，所以其间的磁场力为吸收力，在交变磁场的作用下，相邻铁饼之间的吸引力在零与最大值之间是以两倍于电源频率交变，从而造成铁饼弹性变形并以100Hz 频率交变而产生机械振动；二是铁磁材料的磁致伸缩现象也能导致振动。铁磁物质或铁磁材料由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化，去掉磁场后，其又恢复原来的尺寸。干式铁心电抗器的铁心在交变磁场的作用下，同样会有磁滞伸缩现象的发生，其磁致伸缩的大小与磁场密度、温度场等因素均有关，但磁致伸缩现象导致的振动幅度与脉动电磁力作用导致振动幅度相比要小得多。
2.2线圈包封开裂的原因
导致线圈包封开裂的原因主要有两点：一是导线与环氧玻璃纤维的线膨胀系数不同，在温度变化大时，由于热胀冷缩导致线圈包封表面开裂。外包封绝缘多是由无碱玻璃纤维浸环氧树脂后，在半固化的状态下缠绕在线圈上,经高温固化形成了环氧玻璃钢包覆线圈的刚体。由于导线的线膨胀系数（铜，约17×10-6m/k）与环氧玻璃钢的线膨胀系数（环氧树脂，约56.8×10-6m/k）有一定差异，设备经一段时间的运行后，特别是频繁投切、外界温度变化大时，极易造成包封绝缘开裂；二是包封内部存在缺陷，造成局部放电现象，当局部放电发展到一定阶段，将造成沿纤维表面的爬电而使之开裂形成放电通道。因此，消除纤维粘合中的缺陷，完善生产工艺及绝缘结构是解决包封绝缘开裂的关键。
2.3温控仪或风机故障的原因
此类缺陷产生的原因相对简单，多数情况可归结为产品质量问题。部分厂家为了降低成本，制造出的产品不具备在变电站等复杂环境长时间运行的能力，因此故障频发，特别是无站内独立电源（自偶电源）的风机更是故障频发的重点。
2.4铁心环氧外层开裂的原因
导致铁心环氧包覆开裂的原因主要有三点：一是硅钢片的线膨胀系数（约12×10-6m/k）与环氧玻璃钢的线膨胀系数（环氧树脂，约56.8×10-6m/k）不同；二是某些厂家产品铁心浇注层设计过厚，不利于散热。在环氧浇注过程中，由于模具直径尺寸原因，不可避免的导致铁心柱外层形成环氧包覆，其厚度视模具大小而定。如果模具直径过长，则包覆层就会很厚，由于很多厂家并无电抗器专用模具，大多与干式变压器共用一套模具，因此模具直径的规格多不连续，所以个别铁心柱包覆层甚至最大可达8~10mm，非常不利于铁心柱内部的散热，在环氧树脂与铁心膨胀系数不同的条件下，容易导致环氧包覆的开裂；三是包覆层玻璃纤维填充率达不到设计标准。具体表现为铁心包覆层局部树脂含量过大，甚至出现纯树脂现象，这将导致环氧包覆层内部结构极不均匀，因此在内应力和电场力的作用下出现开裂现象就在所难免。
3结论与建议
3.1结论
通过对北京地区户内干式铁心并联电抗器典型缺陷的分析，笔者得出以下结论：①现有干式并联电抗器设备生产厂家在电抗器降噪、减振等方面的技术与生产工艺均有待提高，现有水平还不能完全杜绝紧固件易松弛、线圈开裂等现象的发生；②电网企业现有干式并联电抗器产品的入网检测手段尚不完善，不能完全发现设备潜在缺陷，要想杜绝潜伏性缺陷产品入网还存在很大困难；③电网企业现有干式铁心并联电抗器的运行维护标准还有待完善，对于各类缺陷的现场处理方法也需进一步深入研究。
3.2建议
针对上述问题，提出以下建议供电网企业与设备制造厂家参考：①设备制造厂家需加大在并联电抗器降噪、减振等方面的技术研发力度，积极尝试开发新型减振构件和配件，严把设备质量关，提高产品的抗振减振能力；②电力物资部门要进一步明确现行干式并联电抗器订货技术标准，量化紧固件松弛等缺陷的评判指标；③电力设备运行维护部门需缩短现有并联电抗器的巡视周期，积极使用红外、超声波等带电检测手段对设备状态进行检查，特别是要加强对投运次数多、运行时间长设备的测温监视工作，积累运行数据，总结现有干式并联电抗器运行经验，针对其不同缺陷形式完善干式電抗器运维检修导则；④电力规划设计部门需在设计阶段考虑并联电抗器运行环境问题，对于新建变电站可适当优化设备布局，避免多组设备集中安装；对现有变电站可采取改造通风散热装置的方式，增加其散热能力，特别是改进风机的电源模式，尽量为风机设计独立电源，必要时可考虑风机的冗余设计，一用一备；⑤电力调度部门在使用AVC系统时，需考虑干式并联电抗器的设备承受能力，必要时可联合设备制造厂家与电力设备运行维护部门一起可优化AVC系统控制方案。
参考文献
[1]刘石，徐林峰，冯永新，等．10kV干式铁心并联电抗器振动问题研究[J]．变压器，2009，46(9)：31-35.
Liu Shi，Xu Linfeng，Feng Yongxin，et al．Research on Vibration of 10kV Dry-Type Shunt Reactor with Core[J]．Transformer，2009，46(9)：31-35．
[2]李金水．干式铁心并联电抗器产品设计要点[J]．变压器．2002，39（8）：9-15。
Li Jinshui．Key Points in Design Gist of Dry-Type Shunt Reactors with Magnetic Core[J]．Transformer，2002，39(8)：9-15．
[3]于良中，方伟，易兆林．树脂绝缘干式铁心与空心电抗器的性能比较[J]．高电压技术，2004，30（8）：63-64．
Yu Liangzhong，Fang Wei，Yi Zhaolin．Characteristic Comparison of Dry Type of Iron Core and Air Core Reactors [J]．High Voltage Engineering，2004，30（8）：63-64．
作者简介：
刘若溪(1982—)，男，博士，工程师。研究方向为电力系统分析、运行与控制，高电压与绝缘技术。
关键词：干式铁心电抗器；典型缺陷；原因分析
中图分类号：C35文献标识码： A
The Typical Defect and Reason Analysis of 10kV Dry-Type Shunt Reactor with Core
LIU Ruo-xi
（State Grid Beijing Electric Power Research Institute，Fengtai District，Beijing 100075，China）
ABSTRACT:In this paper, We make an analysis for four kinds of typical defects of 10kV Dry-Type shunt reactor base on actual operating experience of Beijing power grid in recent years. These typical defects mainly include fastener loose and fall off, coil encapsulation cracking, temperature controller or fan fault and external epoxy cracking of core. The author also explains why these defects can be made from different field. At last, this paper put forward some feasible suggestions for power grid enterprises and equipment manufacturers.
KEY WORDS:dry-type shunt reactor；typical defects；reason analysis
0引言
隨着北京城市化进程的不断推进，其线路电缆化率不断提高，电网络的对地电容性充电电流急剧增大，进而导致系统工频电压升高，严重时甚至影响用户的供电可靠性 [1-3]。为解决这一问题，自2009年以来，北京电网在多个变电站（特别是地下站）内安装了多台不同厂家生产的10kV干式铁心并联电抗器，并取得了不错的运行效果。但在运行过程中，此类电抗器也暴露出紧固件易松动，浇筑线圈易开裂等缺陷。本文从近几年北京电网实际运行经验出发，对10kV户内干式铁心并联电抗器的四类典型缺陷形式进行了细致描述，并详细分析了缺陷的危害与成因。最后，又从不同角度提出了一些可行性建议供电网企业与设备制造厂商参考。
1典型缺陷及其危害
笔者统计了北京电网所有在运10kV干式铁心并联电抗器的历史缺陷记录，归纳总结了四种典型缺陷形式：紧固件松动脱落、线圈包封开裂、温控仪或风机本体故障、铁心环氧外层开裂。四种典型缺陷形式的详细描述如下所述。
1.1紧固件松动脱落及其危害
单就紧固件松动脱落现象而言，并不少见，巡视人员经常发现部分电抗器运行一段时间后，噪声逐渐变大，且一般都存在紧固件松动脱落现象。其实，不仅是噪声逐渐变大的电抗器存在这一现象，而是几乎所有电抗器都存在紧固件松动现象，只是松动量还未达到可见程度，有关这一缺陷的成因笔者将在下一节中做详细说明。
紧固件松动脱落缺陷的危害不容忽视，轻则增加噪声，加大电抗器振动幅度，重则导致设备故障停运。例如，某变电站10kV干式铁心并联电抗器引出线螺栓松动，导致其接触不良，进而引起接触电阻增加，接触面发热现象严重。同时接触面由于热量累计效应而进一步促使接触电阻增大，形成恶性循环，最终产生的弧光放电及烟气将相间短路，造成故障。
1.2线圈包封开裂及其危害
图1为某变电站内BKSC型号10kV干式并联电抗器包封线圈开裂图片。从图中可见，线圈外层有明显开裂痕迹。
图1线圈包封开裂图片
Fig.1Picture of coil encapsulation cracking
图1中电抗器线圈由多股导线并绕组成，外包封则由玻璃纤维浸环氧树脂进行缠绕固化后形成，此种固体绝缘形式的绝缘缺陷具有不可恢复性，一旦产生裂纹，则必将呈发展扩大趋势。另外，线圈包封完全暴露在空气中，如果加之变电站运行环境较差，灰尘或柳絮等异物难免会附着在包封表面，如果不定期清洁维护，异物中含有的导电介质以及空气中的水分都可能加剧包封绝缘性能的劣化，最终危机设备的安全运行。
1.3 温控仪或风机本体故障及其危害
此类缺陷只存在于采用外设风机冷却方式的电抗器。由于一般变电站室内通风环境并不是很好，特别是地下变电站，这一问题更为突出。且多组设备经常在同一狭小空间内，同时运行时室内热量积聚，导致站内温升较高。在此外部条件下，一旦电抗器温控仪或者风机本体发生故障，将直接导致线圈温升加速，危机设备的绝缘和使用寿命，因此在发现此类缺陷时，应尽快退出在运电抗器，恢复故障冷却系统，不可勉强运行，否则损失将扩大。图2为某变电站内10kV干式铁心并联电抗器典型风机照片。
图2 电抗器风机图片
Fig.2Picture of Dry-Type shunt reactor with core fan
1.4 铁心环氧外层开裂及其危害
部分厂家生产的电抗器铁心柱采用真空浇注工艺，铁心饼间隙采用环氧胶粘接，铁心柱表面包裹了一层树脂和玻璃纤维的混合物外层，其目的是为了使铁心饼成为一个整体，增加铁心柱的刚性，减小硅钢片振动，降低噪音。但此类设计存在环氧外层在生产工艺不成熟的条件下容易开裂的问题。图3为通过内窥镜观察到的某变电站内10kV干式并联电抗器铁心环氧外层开裂的典型照片。
图3铁心环氧外层开裂图片
Fig.3Picture of external epoxy cracking of core
此类缺陷一旦扩大，将导致铁心振动和噪音加大，严重时造成铁心错位，最终导致设备故障。
2缺陷原因分析
2.1紧固件松动脱落的原因
导致干式并联电抗器紧固件易松弛的根本原因是其自身的振动，原因有两点：一是组成铁心的铁饼之间在脉动电磁力作用下导致振动。厂家为了获得较大的电感值，将铁磁材料插入空心线圈中，同时铁心上串联许多气隙，气隙产生的旁路效应，使得铁心截面上磁通分布不均匀，从而造成该类型电抗器的振动。在工作状态下，交变电源产生的磁场、铁心磁密都是交变的，铁心各相邻铁饼之间任何时刻都是异性磁极相邻，所以其间的磁场力为吸收力，在交变磁场的作用下，相邻铁饼之间的吸引力在零与最大值之间是以两倍于电源频率交变，从而造成铁饼弹性变形并以100Hz 频率交变而产生机械振动；二是铁磁材料的磁致伸缩现象也能导致振动。铁磁物质或铁磁材料由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化，去掉磁场后，其又恢复原来的尺寸。干式铁心电抗器的铁心在交变磁场的作用下，同样会有磁滞伸缩现象的发生，其磁致伸缩的大小与磁场密度、温度场等因素均有关，但磁致伸缩现象导致的振动幅度与脉动电磁力作用导致振动幅度相比要小得多。
2.2线圈包封开裂的原因
导致线圈包封开裂的原因主要有两点：一是导线与环氧玻璃纤维的线膨胀系数不同，在温度变化大时，由于热胀冷缩导致线圈包封表面开裂。外包封绝缘多是由无碱玻璃纤维浸环氧树脂后，在半固化的状态下缠绕在线圈上,经高温固化形成了环氧玻璃钢包覆线圈的刚体。由于导线的线膨胀系数（铜，约17×10-6m/k）与环氧玻璃钢的线膨胀系数（环氧树脂，约56.8×10-6m/k）有一定差异，设备经一段时间的运行后，特别是频繁投切、外界温度变化大时，极易造成包封绝缘开裂；二是包封内部存在缺陷，造成局部放电现象，当局部放电发展到一定阶段，将造成沿纤维表面的爬电而使之开裂形成放电通道。因此，消除纤维粘合中的缺陷，完善生产工艺及绝缘结构是解决包封绝缘开裂的关键。
2.3温控仪或风机故障的原因
此类缺陷产生的原因相对简单，多数情况可归结为产品质量问题。部分厂家为了降低成本，制造出的产品不具备在变电站等复杂环境长时间运行的能力，因此故障频发，特别是无站内独立电源（自偶电源）的风机更是故障频发的重点。
2.4铁心环氧外层开裂的原因
导致铁心环氧包覆开裂的原因主要有三点：一是硅钢片的线膨胀系数（约12×10-6m/k）与环氧玻璃钢的线膨胀系数（环氧树脂，约56.8×10-6m/k）不同；二是某些厂家产品铁心浇注层设计过厚，不利于散热。在环氧浇注过程中，由于模具直径尺寸原因，不可避免的导致铁心柱外层形成环氧包覆，其厚度视模具大小而定。如果模具直径过长，则包覆层就会很厚，由于很多厂家并无电抗器专用模具，大多与干式变压器共用一套模具，因此模具直径的规格多不连续，所以个别铁心柱包覆层甚至最大可达8~10mm，非常不利于铁心柱内部的散热，在环氧树脂与铁心膨胀系数不同的条件下，容易导致环氧包覆的开裂；三是包覆层玻璃纤维填充率达不到设计标准。具体表现为铁心包覆层局部树脂含量过大，甚至出现纯树脂现象，这将导致环氧包覆层内部结构极不均匀，因此在内应力和电场力的作用下出现开裂现象就在所难免。
3结论与建议
3.1结论
通过对北京地区户内干式铁心并联电抗器典型缺陷的分析，笔者得出以下结论：①现有干式并联电抗器设备生产厂家在电抗器降噪、减振等方面的技术与生产工艺均有待提高，现有水平还不能完全杜绝紧固件易松弛、线圈开裂等现象的发生；②电网企业现有干式并联电抗器产品的入网检测手段尚不完善，不能完全发现设备潜在缺陷，要想杜绝潜伏性缺陷产品入网还存在很大困难；③电网企业现有干式铁心并联电抗器的运行维护标准还有待完善，对于各类缺陷的现场处理方法也需进一步深入研究。
3.2建议
针对上述问题，提出以下建议供电网企业与设备制造厂家参考：①设备制造厂家需加大在并联电抗器降噪、减振等方面的技术研发力度，积极尝试开发新型减振构件和配件，严把设备质量关，提高产品的抗振减振能力；②电力物资部门要进一步明确现行干式并联电抗器订货技术标准，量化紧固件松弛等缺陷的评判指标；③电力设备运行维护部门需缩短现有并联电抗器的巡视周期，积极使用红外、超声波等带电检测手段对设备状态进行检查，特别是要加强对投运次数多、运行时间长设备的测温监视工作，积累运行数据，总结现有干式并联电抗器运行经验，针对其不同缺陷形式完善干式電抗器运维检修导则；④电力规划设计部门需在设计阶段考虑并联电抗器运行环境问题，对于新建变电站可适当优化设备布局，避免多组设备集中安装；对现有变电站可采取改造通风散热装置的方式，增加其散热能力，特别是改进风机的电源模式，尽量为风机设计独立电源，必要时可考虑风机的冗余设计，一用一备；⑤电力调度部门在使用AVC系统时，需考虑干式并联电抗器的设备承受能力，必要时可联合设备制造厂家与电力设备运行维护部门一起可优化AVC系统控制方案。
参考文献
[1]刘石，徐林峰，冯永新，等．10kV干式铁心并联电抗器振动问题研究[J]．变压器，2009，46(9)：31-35.
Liu Shi，Xu Linfeng，Feng Yongxin，et al．Research on Vibration of 10kV Dry-Type Shunt Reactor with Core[J]．Transformer，2009，46(9)：31-35．
[2]李金水．干式铁心并联电抗器产品设计要点[J]．变压器．2002，39（8）：9-15。
Li Jinshui．Key Points in Design Gist of Dry-Type Shunt Reactors with Magnetic Core[J]．Transformer，2002，39(8)：9-15．
[3]于良中，方伟，易兆林．树脂绝缘干式铁心与空心电抗器的性能比较[J]．高电压技术，2004，30（8）：63-64．
Yu Liangzhong，Fang Wei，Yi Zhaolin．Characteristic Comparison of Dry Type of Iron Core and Air Core Reactors [J]．High Voltage Engineering，2004，30（8）：63-64．
作者简介：
刘若溪(1982—)，男，博士，工程师。研究方向为电力系统分析、运行与控制，高电压与绝缘技术。