10 kV及35 kV干式空心电抗器匝间绝缘试验方法分析及应用

潘剑南，李浩良

(广州粤能电力科技开发有限公司，广州 510075)

0 引言

干式空心电抗器(以下简称干抗)广泛应用于广东电力系统中，干抗发生故障时容易起火烧毁设备。近年来，运行中10 kV、35 kV干抗事故频发严重，影响电网的安全运行。干抗的设计制造决定了绕组匝间的绝缘为最薄弱的环节，实际研究也表明在运干抗故障的主要原因是匝间绝缘故障[1－7]。对干抗匝间过电压的试验理论研究及仿真计算的方法较多，但很少有关于在运干抗进行匝间绝缘现场试验的介绍[8－13]。对在运设备进行预防性试验是防止设备运行故障的重要方法。所以有必要选择可行的试验方法对干抗进行现场试验，检查干抗的匝间绝缘情况，将有潜在缺陷的干抗排查出来，防止事故发生。同时验证标准推荐的方法在现场实施的可行性。

1 相关试验标准

现场试验需要有标准依据，国内已有多个试验标准对干抗的试验项目及要求作出了规定。国家标准GB50150—2016«电气装置安装工程－电气设备交接标准》要求对干式电抗器进行的试验项目有绕组直流电阻测量、绕组绝缘电阻测量、绕组交流耐压试验、额定电压下冲击合闸试验。GB1904.6—2011«电力变压器第6部分:电抗器》规定采用高频脉冲振荡电压检测代替感应电压和雷击过电压试验。行业规程DL/T596—1996«电力设备预防性试验规程》要求干式电抗器进行绕组交流耐压试验及直流电阻测量。JB/T5346—2014«高压并联电容器用串联电抗器》规定采用高频脉冲振荡电压检测代替感应电压和雷击过电压试验。DL/T 1808—2018«干式空心电抗器匝间过电压现场试验导则》则对匝间过电压现场试验进行了细化指导。中国南方电网有限责任公司的Q/CSG1206007—2017«电力设备检修试验规程》要求对干抗进行的试验项目包括红外检测、阻抗测量及匝间绝缘耐压试验。国际标准IEC60076－6—2007«Power transformers－Part6:Reactors》要求对干抗进行高频脉冲振荡电压检测，而且给出了检测的方法及电路原理图。标准推荐的现场试验项目，绕组绝缘电阻及交流耐压试验是检查绕组整体对地的绝缘情况。理论上绕组直流电阻测量、阻抗测量、额定电压下冲击合闸试验和匝间过电压试验可以检查绕组匝间绝缘。但这几项试验检测电抗器匝间短路的灵敏度不一样。对于严重的匝间短路故障，这几项试验都可以有效地检测故障，但如果电抗器只是发生一两匝等轻微的匝间短路故障，直流电流测量和阻抗测量就不能有效地检测出故障。通过大样本的现场试验表明高频脉冲振荡电压检测方法对于一两匝等轻微的匝间短路故障有着较高的检测灵敏度。

2 试验方法分析

2.1 直流电阻和阻抗测量方法实测分析

电抗器发生匝间短路后，电阻值、电抗值、电感量均会发生变化。理论上只要检测精度足够高，就可通过测量直流电阻值反映匝间绝缘的状况。根据生产制造经验，在正常情况下，电抗器三相电压电流平衡，线圈直流电阻的最大互差与三相平均值的比值不超过±2%[14]。干抗整个绕组的匝数多达上万匝，当1匝发生匝间短路时，直流电阻值变化量低至10－4数量级，现有的检测仪器精度难以达到精确测量。中国南方电网有限责任公司«电力设备预防性试验规程》规定，当怀疑干抗有匝间短路可进行工频阻抗测量，阻抗测量值与出厂值比较，相差不大于5%。由于35 kV干抗匝数多于10 kV干抗，对测量精度要求更高，故在该项试验方法分析中采用一组退运的35 kV干抗进行实测。为了使干抗绝缘进入老化状态，将其置于烘箱内进行加速热老化试验。由于35 kV干抗匝间绝缘等级为B级，即运行的最高温度为185℃。故设置老化试验温度为180℃，试验时间为102 h。由B级绝缘老化寿命公式可知，此效果等效于干抗在85℃下运行10年。采用电压电流法分别在干抗匝间绝缘老化前和老化后，测量其直流电阻值和电抗值，测量结果见表1。为了达到匝间短路状态，人为对电抗器最外层线圈的一匝匝间绝缘制造成金属性短路。采用电压电流法对直流电阻值和电抗值进行测量，测量结果见表2。

表1 匝间短路前测量结果

表2 1匝匝间短路后测量结果

表1中，电抗器老化前和老化后的直流电阻值和工频电抗值变化极小，考虑测量误差，测量数据反映不出老化前后的测量值差别。通过老化前后的测量对比，说明干抗经过运行老化后出现一定程度绝缘损伤，但绝缘未击穿时低电压的检测方法难以将绝缘缺陷反映出来。

表2的数据表明，电抗器发生了1匝匝间短路后的直流电阻值和工频电抗值变化极小，考虑测量误差，测量数据反映不出匝间短路前后的测量值差别。通过匝间短路前后的数据对比，也说明了干抗只发生一两匝等轻微的匝间短路时，低电压的检测方法难以将绝缘故障检测出来。

2.2 高频脉冲振荡电压检测方法计算分析

按国际和国家标准推荐的高频脉冲检测方法描述:通过向电容重复充放电，并通过球隙放电将电压施加到电抗器绕组上。电抗器受到的过电压类型与指数衰减的正弦波操作冲击电压相似，试验原理如图1所示。

图1 高频脉冲检测法原理

图2是高频脉冲振荡电压检测法的等值电路。其中:C是储能电容；L是整个回路的等效电感，等于电抗器的等效电感和检测回路的电感之和；由于回路电感量远小于电抗器电感量，L可认为等同于电抗器的等效电感；R是整个回路的等效电阻，等于电抗器的等效电阻和检测回路的电阻之和[15－18]。

图2 高频脉冲振荡法等值电路

在试验检测时，直流电源向电容C充电，使充电电压达到设定值U0。此时放电球隙S发生放电(开关S闭合)，电路放电过程是二阶电路的零输入响应。在明确电压和电流的参考方向下，根据基尔霍夫电压定律可得:

由电流、电感、电容、电阻的关系可得:

将式(2)—(4)带入式(1)，得:

式(5)是以uc为未知量的RLC串联电路放电过程的微分方程。该方程是一个线性常系数二阶齐次微分方程，解出uc便可求得uL。由电压振荡衰减放电电路可得:

式中，ω0为固有振荡角频率；δ为衰减系数或阻尼系数；ω为实际振荡频率。

从式(6)可知电压的波形呈振荡衰减状态，在整个过程中周期性地改变方向。由式(6)—(9)可知，若电抗器发生匝间短路，线圈电阻值和电抗值将会发生变化，影响电抗器电压表达式的参数，从而影响电压幅值、振荡频率和衰减系数。

2.3 匝间短路时等值电路参数变化研究

根据上述的计算过程可知，对发生一匝匝间绝缘短路故障的情况进行计算的关键是求解出有短路匝时整个电抗器的等效电感和等效电阻。采用交流稳态分析的方法，计算发生一匝匝间绝缘短路故障的情况下整个电抗器的等效电感和等效电阻，并得到对应的表达式。

图3是N匝单层空心电抗器及其交流稳态等效电路。根据电路理论，电感量和电阻值可表示为:

图3 N匝单层空心电抗器及其交流稳态等效电路

假设由于运行原因，电抗器的某个部分出现了一匝匝间短路，此时电抗器及其交流稳态等效电路如图4所示。其中L′＝kL(N－1)2是短路匝外其他匝的自感；而R′＝kR(N－1)是短路匝以外其他匝的电阻；M12是短路匝与其余匝之间的互感；L2是短路匝的自感；R2是短路匝的电阻。

图4 一匝短路的电抗器等效电路

由图3的等效电路可知:

由式(13)可得:

将式(14)代入式(12)，整理后得:

由此得出电抗器的等效电感和等效电阻分别为:

由式(16)可知，等效电感Leq小于L′，而L′小于L，所以等效电感Leq小于L。由式(17)可知，等效电阻Req大于R′，而R′大于R，所以等效电阻Req大于R。再结合式(6)可知，干抗出现1匝短路时电压波形衰减系数增大，衰减速度加快，衰减周期减小，振荡频率增加。

在高频情况下，R22≪ω2L22，电抗器的等效电感和等效电阻分别近似等于:

式(18)中，M12是短路匝与其他匝之间的互感，L2是短路匝的自感，对于干抗有M12≫L2。由于短路匝的存在，电抗器等效电感减小的量要远远大于匝数减小1匝而造成的电感减小的量。而式(19)表明，电抗器的等效电阻值因为1匝匝间短路而增加很多。

综上所述，当电抗器线圈发生匝间短路，电压波形振荡频率增加，衰减速度加快，衰减周期减小。因此可以利用高频脉冲振荡法对空心电抗器的匝间绝缘进行试验，通过观察线圈两端的电压振荡波形的变化就可以判断电抗器线圈匝间绝缘是否存在缺陷。

3 现场试验情况

3.1 试验设备

现场试验装置使用直流发生器提供脉冲电源，解决连续球隙放电电压不可控的问题，具有良好的现场试验效果[19－20]，其工作原理如图5所示。

图5 匝间绝缘检测装置原理

图5中:DC表示直流发生器；R为限流电阻；C为充电电容；L为待测的干抗；S为高压电子开关，在指定电压下进行点火放电，为待测的干抗L提供高频脉冲振荡电压；CH为电容分压器高压臂电容；CL为电容分压器低压臂电容。其中，直流高压发生器输入电源电压为三相380 V，功率10 kW，额定输出高压200 kV，额定电流30 mA；高压电子开关额定高压200 kV，放电电压10～200 kV，放电频率50 Hz；充电电阻额定高压直流200 kV；充电电容额定高压交流160 kV；分压器额定高压交流160 kV。

3.2 试验要求

在被试电抗器两端施加不高于30%的试验电压作为标定电压，记录电压波形；然后施加100%试验电压，持续1 min，试验过程中记录电压波形。比较全电压和标定电压下的电压波形，标定电压波形和全电压波形的振荡频率和包络线衰减情况一致，表明在标定电压和全电压下电抗器内部的情况没有显著不同，判断该电抗器通过匝间过电压试验。若标定电压波形和全电压波形的振荡频率和包络线衰减情况不同，表明在标定电压和全电压下电抗器内部的情况存在差异，判断该电抗器未通过匝间过电压试验。振荡频率变化的程度及包络线衰减程度与匝间击穿点的位置、试品参数等因素有关。异常情况下，振荡频率变化率大于5%。

3.3 试验结果

现场对78组(234)台电抗器进行检测，发现8组(16台)电抗器有匝间绝缘短路故障，以组计故障率为10.2%，以台计故障率为6.8%。

4 典型案例

4.1 35 kV电容器组串联电抗器匝间短路故障

对B相23C串联电抗器施加标定电压35 kV，使用示波器观察其电压波形，电抗器的电压衰减周期为39μs，如图6所示。施加标准检测电压128 kV时，电抗器的电压衰减周期为34μs。从波形图中可以看出，标定电压波形和全电压波形的振荡频率和包络线衰减情况不同，两电压波形的过零点不重合。在全电压下，衰减周期变小，振荡频率变化率为12.8%，大于5%，判断电抗器存在匝间短路故障。

图6 电容器组B相串联电抗器上的电压波形

为验证检测结果，将该台电抗器退出运行，在实验室查找其故障位置。将电抗器升压至运行电压，采用红外成像仪观察干抗绕组包封表面发热情况，发现有一处位置温度偏高，怀疑该位置线圈匝间短路。将其包封剖开，发现有2匝线圈的绝缘有放电烧焦的痕迹，线圈解剖结果与匝间过电压试验结果相一致，证明匝间过电压试验能有效发现35 kV干抗线圈匝间短路故障。

4.2 10 kV电容器组串联电抗器匝间短路故障

对A相电抗器施加标定电压18 kV时，电抗器上的电压衰减周期为20μs；对A相电抗器施加检测电压68 kV时，电抗器上的电压衰减周期为12μs。从图7中可以看出，标定电压波形和全电压波形的振荡频率和包络线衰减情况不同，两电压波形的过零点不重合。在全电压下，衰减周期变小，振荡频率变化率为40.0%，大于5%，判断电抗器存在匝间短路故障。

图7 10 kV电容器组串联电抗器A相电压波形

对B相电抗器施加标定电压18 kV时，电抗器上的电压衰减周期为19.2μs；对B相电抗器施加检测电压68 kV时，电抗器上的电压衰减周期8.8μs。从电压波形图8中可以看出，标定电压波形和全电压波形的振荡频率和包络线衰减情况不同，两电压波形的过零点不重合。在全电压下，衰减周期变小，振荡频率变化率为54.2%，大于5%，判断电抗器存在匝间短路故障。

图8 10 kV电容器组串联电抗器B相电压波形

对C相电抗器施加标定电压18 kV时，电抗器上的电压衰减周期20μs；对C相电抗器施加检测电压68 kV时，电抗器上的电压衰减周期12μs。从图9中可以看出，标定电压波形和全电压波形的振荡频率和包络线衰减情况不同，两电压波形的过零点不重合。在全电压下，衰减周期变小，振荡频率变化率为40.0%，大于5%，判断电抗器存在匝间短路故障。

图9 10 kV电容器组串联电抗器C相电压波形

为了验证匝间过电压试验结果，将A、B、C三相电抗器退出运行，在实验室查找其缺陷位置。分别将三相电抗器升压至运行电压，采用红外成像仪观察干抗绕组包封表面发热情况。在三相电抗器表面分别发现了温度偏高的位置。将其包封剖开后，发现A相电抗器有3匝线圈匝间短路，B相电抗器有3匝线圈匝间短路，C相电抗器有2匝线圈匝间短路。线圈解剖结果与匝间过电压试验结果相一致，证明匝间过电压试验能有效发现10 kV干抗线圈匝间短路故障。

5 结语

直流电阻测量和阻抗测量法检测干抗1匝等轻微的匝间短路故障的灵敏度不高。

电抗器线圈发生匝间短路，线圈两端电压波形振荡频率增加，衰减速度加快，衰减周期减小。利用高频脉冲振荡法能有效发现空心电抗器轻微的匝间短路故障缺陷，检测灵敏度较高，可以广泛应用于现场对干抗进行匝间短路故障检测。