1、干式空心电抗器匝间绝缘试验 车传强 刘利强 王亚杰 吕超 王琼 内蒙古电力科学研究院 内蒙古工业大学电力学院 摘 要： 为了检测 35 kV 干式空心电抗器运行中是否存在匝间绝缘缺陷隐患, 本文利用PSCAD 软件对干式空心电抗器采用高频脉冲振荡法进行仿真分析, 并对某变电站 6 台干式空心电抗器进行匝间过电压试验, 发现 2 台设备存在匝间绝缘缺陷, 根据现场所测数据验证了仿真分析的可靠性。关键词： 干式空心电抗器; 匝间绝缘; 高频脉冲振荡法; 作者简介：车传强 (1976) , 男, 高级工程师, 主要从事高压电气试验、电气设备在线监测与故障诊断方面工作。作者简介：刘利强 (1975)
2、, 男, 教授, 主要研究方向为电工理论与新技术。作者简介：王亚杰 (1992) , 男, 研究生, 研究方向为电气设备在线监测技术。作者简介：吕超 (1985) , 男, 工程师, 主要从事高电压技术研究和现场试验工作。作者简介：王琼 (1986) , 女, 工程师, 主要从事电气设备在线监测与故障诊断方面工作。收稿日期：2017-01-11基金：内蒙古电力 (集团) 有限责任公司科技项目 (20161067) Inter-turn Insulation Test of Dry-type Air-Core ReactorCHE Chuanqiang LIU Liqiang WANG Yaji
3、e LYU Chao WANG Qiong Inner Mongolia Electric Power Science College of Electric Power, Inner Mongolia University of Technology; Abstract： In order to detect the inter-turn insulation defect of 35 kV dry-type air-core reactors in the operation, in this paper, the simulation analysis with high frequen
4、cy pulse oscillation method for the air core reactor is made by the use of PSCAD software and inter-turn test for 6 units of dry type air-core reactors at certain substation is performed, finding two of them have the inter-turn insulation defect.And the simulation and analysis reliability is verifie
5、d in accordance with the data measured at site.Keyword： dry-type air-core reactor; inter-turn insulation; high-frequency pulse oscillation method; Received： 2017-01-110 引言户外干式空心电抗器具有结构简单、重量轻、线性好、损耗低、噪声小、使用维护方便等特点, 在维持电力系统电压稳定、限制短路电流、进行无功补偿等方面有重要作用, 因此在电力系统中大量使用。随着干式空心电抗器投运数量及投运时间的增加, 电抗器损坏事故时有发生, 多数
6、事故是由于匝间绝缘缺陷造成匝间短路1-5。因此, 采取有效的方法对干式空心电抗器进行匝间绝缘检测, 及时发现匝间绝缘缺陷, 对确保电网安全运行非常必要。由于干式空心电抗器的磁路开放, 传统用于变压器、铁心式电抗器纵绝缘检测的感应电压试验不适用于其匝间绝缘的检测6-9。对于 35 k V 电压等级及以下的干式空心电抗器, IEC 60076-62007、GB 1094.62011、JB/T 53461998 及国家电网公司“1066 k V 干式电抗器技术标准”都允许采用匝间过电压试验替代感应电压试验和雷电冲击电压试验。JB/T 107752007、IEEE Std C57.161996 及 I
7、EEE Std C57.212008 标准直接要求对干式空心并联电抗器进行匝间过电压试验10-15。标准规定的匝间过电压试验是由充电电容直接对干式空心电抗器进行多次高密度放电, 在电抗器上形成高频脉冲振荡电压, 每次多周期的振荡波形有利于发现匝间故障16-20。国家标准 GB1094.62011 中详细规定了这种脉冲振荡匝间过电压试验方法对干式空心电抗器进行匝间绝缘检测。本文通过对内蒙古某 220 k V 变电站 6 台 35 k V 干式空心电抗器现场试验, 成功地探索了采用高频脉冲振荡法对干式空心电抗器匝间过电压现场试验的可行性, 并根据试验中的现象总结了试验应该注意的一些关键问题。1 匝
8、间过电压试验方法1.1 标准中的规定GB 1094.62011电力变压器第 6 部分:电抗器规定采用高频脉冲振荡匝间过电压试验的振荡频率小于 100 k Hz, 试验持续时间 1 min 内完成不少于 3 000 次的高密度充放电, 且要求幅值稳定, 每次放电的初始峰值应为 GB1094.3中给出的额定短时感应或外施耐压试验电压 (r.m.s) 的 倍 (户外设备) 或 倍 (户内设备) , 初始放电电压水平见表 1。表 1 国家标准规定的初始放电电压 (k V) Table 1 Initial discharge voltage (k V) specified in China nation
9、al standard 下载原表 1.2 试验方法及基本原理匝间过电压试验是通过反复对充电电容充电, 然后直接对干式空心电抗器放电实现的, 在干式空心电抗器上施加按指数衰减的交流正弦电压波。标准对试验持续时间及试验电压值进行了规定, 干式空心电抗器匝间过电压试验电路如图1 所示。图 1 匝间过电压试验电路 Fig.1 Circuit of inter-turn overvoltage test 下载原图电抗器上的脉冲振荡电压波形是通过对充电电容的放电实现的, 放电回路电阻R 包括球隙放电通道电阻和电抗器的等效电阻, 这样构成的回路电阻最小, 容易满足振荡条件。设电容器的初始充电电压为 UC0,
10、 回路电流、电容器和电抗器上的电压表达式为式中: 为固有振荡角频率;=R/ (2L) 为衰减系数或阻尼系数;为实际振荡角频率;=arctan () 为初始相位。当 足够小, o=。电抗器上的电压近似为式 (4) , 振荡频率近似为式 (5) 。当电抗器出现匝间短路故障后, 电感量减小且损耗增加, 由式 (4) 与式 (5) 可得, 电抗器波形的振荡周期将减小, 幅值的衰减速度也将加快, 这可作为匝间短路故障的主要判据。用示波器记录分压器 C2的电压波形, 通过波形比较来确定匝间短路故障。1.3 仿真验证放电回路构成 LC 振荡电路, 电容器完成 1 次放电由放电球隙控制, 当电容充满电, 球隙
11、导通, 对电感放电, 放电完成电容再次充电, 在 1 min 内完成 3 000次的高密度充放电, 每次充放电时间远小于 0.02 s。因此采用 PSCAD 仿真分析, 利用一次动作开关代替球隙, 完成 1 次充放电试验, 仿真电路如图 2 所示。图 2 PSCAD 仿真图 Fig.2 PSCAD simulation diagram 下载原图1.4 仿真结果参考现场设备电气参数选取仿真参数值, 电抗器正常运行电感值为 9 m H, 当其发生短路故障后电感值减小, 取 5 m H 为例, 利用 PSCAD 对 2 种试验参数进行仿真, 匝间过电压仿真结果如图 3 和图 4 所示。图 3 9 m
12、 H 电抗器过电压波形图 Fig.3 Overvoltage waveform of 9 m H reactor 下载原图图 4 5 m H 电抗器过电压波形图 Fig.4 Overvoltage waveform of 5 m H reactor 下载原图由式 (5) 可得, 电感值改变, 导致频率发生改变, 波形相位发生改变。仿真结果可得电感值变化后, 波形幅值和相位也随着改变。图 3 和图 4 波形的第 1 个波谷可以看出在电感值减小后, 波形提前到达波谷。2 试验设备的优化2.1 标准规定的电路模型标准规定 1 min 内完成 3 000 次的充放电, 采用 50 Hz 电源频率, 每
13、个工频周期完成 1 次。选用半波整流电路做直流供电电源, 对电容充电, 为保护硅堆和试验变压器, 串联 1 个保护电阻, 其阻值选取应保证充电时间常数远小于 0.02 s。按干式空心电抗器标称电抗和 100 k Hz 左右的振荡频率要求, 选择充电电容和保护电阻阻值, 在 1 个工频周期内实现对充电电容的迅速充电。标准规定的电路图如图 5 所示, T 1为调压器, T 2为试验变压器, V 为整流硅堆, R 1为保护电阻, C c为充电电容, S 为球隙, L 为电抗器试品, C H与 CL构成电容分压器, 低压臂阻抗匹配后, 接数字示波器。图 5 试验设备电路 Fig.5 Circuit o
14、f test equipment 下载原图由于实际使用中一些设备运行条件不足, 导致测量结果不准确的现象经常发生, 本文针对标准电路进行了适当合理的改进, 此种方法得到了设备生产厂家的认可。2.2 改进电路模型标准电路中, 要求直流供电实现供电的可靠性, 通过高压硅堆将输入的交流电压整流为直流电压, 本试验采用直流高压倍压筒来获得电抗器测试所需要的电压。标准利用球隙开关的自然放电对电容充电, 1 min 内完成 3 000 次的高密度充放电, 这不仅会造成球隙自然放电电压下降, 并且在球隙表面形成多次放电产生的麻点, 导致电抗器上振荡电压幅值迅速降低, 且放电次数不稳定, 通过示波器的波形不是
15、标准正弦波。试验采用高压快速开关代替放电球隙, 从而解决了这一问题。改进电路同图 5。2.3 被试电抗器本次现场试验电抗器共计 6 台, 其主要参数见表 2, 均在网正常运行。表 2 电抗器的主要参数 Table 2 Main parameters of reactor 下载原表 2.4 试验电压的确定GB1094.6 标准规定, 35 k V 户外干式空心电抗器的匝间过电压试验电压为 160 k V。参考一般电力设备交接试验电压值为其 80%出厂试验电压值的规定, 本次预防性试验电压选择 80%出厂试验电压值 128 k V 进行尝试。试验过程为:首先施加约 35 k V 标定电压, 存储数
16、据为参考电压波形, 再将电压升高至 128 k V并持续放电 1 min, 一直监视试验电压波形振荡频率 (过零点) 与参考电压的波形, 由此判断电抗器匝间绝缘是否存在缺陷。3 现场测试3.1 实验操作步骤在进行试验前要检查设备是否有异常情况, 试验操作步骤如下:1) 调节直流电源使输入电压值升高到干式空心电抗器额定电压值附近, 稳定 1 min 左右观察放电波形是否正常, 通过示波器记录波形。2) 对电抗器施加 128 k V 电压进行试验, 试验持续 1 min, 并记录电压波形。3) 比较 2 次试验所得电压波形, 观察过零点是否完全重合。4) 除此之外, 还应观察试验过程中有无火花、烟
17、雾等情况发生。3.2 实验结果对 2 组设备采用高频脉冲振荡法进行匝间绝缘故障诊断试验, 用示波器测得 2组设备的各相标定电压与试验电压下的波形如图 6 和图 7 所示。图 6 第 1 组 A、B、C 相波形 Fig.6 Waveform for phase A, B and C in the first group 下载原图图 7 第 2 组 A、B、C 相波形 Fig.7 Waveform for phase A, B and C in the second group 下载原图根据式 (4) 与式 (5) , 由电抗器的电压和频率的改变来判断是否存在缺陷。当匝间绝缘损坏引发短路故障时,
18、电抗器的电感值减小, 频率 f 变大, 同时电感电压的衰减系数 =R/ (2L) 变大, 电压幅值衰减变快。另外由于电抗器短路造成电感和电阻减小, 所以故障相的初始电压幅值发生改变。匝间绝缘无故障时, 各相电压波形的幅值和相位基本相同。图 6 中 A 相和 C 相的波形频率基本相同, 标定电压与试验电压波形相位完全重合, 则 A、C 相匝间绝缘良好。B 相标定电压波形与 A、C 相重合, 而试验电压波形与 A、C 相电压波形相位不重合。上述分析可知, 干式空心电抗器 B 相匝间绝缘可能出现缺陷, 发生短路故障。从图 7 可得第 2 组设备 A 相和 B 相波形相位完全重合, C 相试验电压与标
19、定电压不重合, 在过零点有明显错位, 频率不一致, 则 A、B 相匝间绝缘良好, C 相匝间绝缘可能出现缺陷, 发生短路故障。以上分析可得第 1 组设备的 B 相和第 2 组设备的 C 相频率、电压变化与正常情况下电压波形完全不同, 由此判定其匝间绝缘存在缺陷。当设备发生故障后, 为判断发生的故障是瞬时性还是永久性的, 需对设备降压, 找到最低过电压击穿点, 然后再次对设备进行升压试验, 对 C 相进行 2 次升压试验。第 2 次试验标定电压和试验电压波形相位完全重合, 说明匝间绝缘已损坏, 基波频率已改变, 且大于正常标定电压频率, 导致电抗器在标定电压不能正常运行, 如图 8 所示。从图
20、8 结果来看, C 相 2 次试验电压波形与正常基波频率不同, 所以得出干式空心电抗器内部可能发生永久性故障。从上述分析可以看出, 通过匝间绝缘试验电抗器的 2 次试验电压波形相位和频率完全相同, 未通过匝间绝缘试验电抗器在出现匝间故障后, 故障相试验电压波形的幅值衰减速度加快, 频率变大。图 8 第 2 组 C 相 2 次试验波形比较 Fig.8 Waveform comparison of two-time test for phase C in the second group 下载原图4 结束语通过对 35 k V 干式空心电抗器匝间绝缘过电压的现场试验研究, 得到如下结论:1) 采用
21、高频脉冲振荡法在变电站现场对干式空心电抗器的匝间绝缘检测是可行的。2) 可直接通过比较标定电压和试验电压波形来判断匝间缺陷, 判据明显。3) 对过电压试验电路采用改进的高压倍压筒和高压快速开关进行试验, 在电抗器上能得到幅值稳定的振荡电压波形。4) 建议标准推荐电路中采用高压倍压筒和高压快速开关。参考文献1骆晓龙, 张良, 王永红, 等.干式空心电抗器匝间绝缘试验方法有效性分析J.哈尔滨理工大学学报, 2014, 19 (1) :74-78.LUO Xiaolong, ZHANG Liang, WANG Yonghong, et al.Analysis of the effectiveness
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