毛祥飞++苏虎山
摘 要：户外干式空心电抗器是无功补偿装置中重要组成设备之一。干式空心电抗器常见的故障主要有匝间短路、小动物及鸟类引起的相间或相对地短路等。该文对干式空心电抗器的故障的原因进行了综合地阐述，提出了干式空心电抗器全绝缘处理的解决方案，并在绝缘材料和施工工艺方面进行了探讨，为今后杜绝电抗器发生绝缘事故提供了有针对性的参考。
关键词：干式空心电抗器 故障原因 处理方案
中图分类号：TM47 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（c）-0056-04
该文通过对户外干式户外空心电抗器常见事故原因的分析，综合阐述了事故发生的原因。从材料的选型到最终确认使用的验证过程及经过绝缘处理后所能达到的预期效果，该文都做了详细的叙述。介绍了户外干式空芯电抗器进行全绝缘处理的详细施工过程，尤其对电抗器匝间处理工艺进行了重点介绍。
经过全绝缘处理，相当于在电抗器表面形成了一道坚固的防护外衣。即使出现小动物攀爬也不会发生绝缘事故，保障了户外干式空芯电抗器的安全可靠运行。
1 户外干式空心电抗器运行中所存在的问题及故障原因分析
在电力系统中，无功补偿设备具有如下作用：（1）提高电网的功率因数；（2）优化电能质量；（3）降低线路自损；（4）有效消除电力系统谐波。无功补偿设备是否能够安全可靠运行将影响整个电力系统的无功平衡和电网的正常运行。干式空心电抗器是无功补偿设备的重要组成之一，设备通常运行在户外环境中。
1.1 电抗器本身原因造成的故障
（1）由于材料膨胀系数的不同以及绝缘材料劣化。
干式空心电抗器最突出问题是绝缘材料老化龟裂。电抗器绝缘材料表面开裂，将导致线圈进水受潮等问题，引起電抗器匝间绝缘事故。
绝缘材料开裂一方面是由于电抗器生产厂家采用的环氧树脂配方存在问题，导致绝缘材料在户外紫外线、潮湿条件下容易出现老化；另一方面是因为导体材料与绝缘材料的膨胀系数不一致。
当电抗器投运后，导线会发热并发生热膨胀，停电后又会冷却收缩。干式空心电抗器频繁的投切动作，易引发电抗器导线疲劳。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、匝间绝缘损伤。导线与绝缘材料的膨胀系数不一致，干式空心电抗器频繁的投切，还会造成包封开裂，将引起匝间线圈进水受潮，进而导致匝间绝缘事故。
（2）表面污物沉积和绝缘材料老化的共同作用。
干式空心电抗器在户外复杂坏境条件下运行一段时间后，其表面会有污秽物堆积，同时表面绝缘材料也可能会出现粉化现象，形成污秽层。在雨天或大雾天气，表面污层受潮，导致表面泄漏电流增大，产生电热效应。这使得表面电场集中区域的水分蒸发较快，部分区域出现干区，引起表面局部电阻改变。电流在该中断处形成很小的局部电弧，局部放电由此引起。
随着时间的增长，电弧将发展并发生合并，在表面形成树枝状放电烧痕，形成沿面树枝状放电。绝大多数树枝状放电产生于电抗器端部表面与星角架相接触的区域。匝间短路是树枝状放电的进一步发展。即短路线匝中电流剧增，温度升高到使线匝绝缘损坏，并在高温下出现导线熔化。
（3）电抗器局部热量集中。
造成电抗器温升原因有：焊接质量问题，接线端子与绕组焊接处焊接电阻产生附加电阻而发热。另外由于温升的设计裕度很小，使设计值与国际规定的温升限值很接近。除设计制造原因外，在运行时，如果电抗器的气道被异物堵塞，造成散热不良，也会引起局部温度过高引起着火。
1.2 电抗器受外界因素造成的故障
异物引起的短路故障也是电抗器损坏的重要原因。尤其在冬天，室外温度较低，而户外干式空心电抗器作为发热源，其内部发热量较大，经常有鸟类或小动物在电抗器中取暖栖息，容易引起电抗器组的相间或相对地短路故障，见图1。有造成电抗器损坏，甚至着火的风险。根据国网相关数据统计，电力系统每年都会出现大量因鸟类栖息、小动物攀爬或者异物的搭接引起的户外干式空心电抗器短路事故，给国家造成巨大经济损失。见图1。
2 全绝缘处理方案
2.1 干式空心电抗器全绝缘技术关键点
由于电抗器本身线圈有环氧树脂和玻璃纤维等绝缘材料缠绕，干式空心电抗器全绝缘研究与应用的技术关键点就是采用何种处理工艺对所有外露导电部位进行全绝缘处理，同时采用特殊工艺对电抗器匝间进行全绝缘处理，实现干式空心电抗器整体全绝缘，同时保证不影响设备的正常运行。
通过全绝缘处理后，干式空心电抗器在运行过程中，即使出现有小动物攀爬到电抗器相间，也不会造成电抗器相间短路，从而避免了设备事故的发生。绝缘处理后包封匝间线圈不再出现细微龟裂，能够有效的阻止线圈受潮、老化，避免线圈短路烧毁设备的可能性，杜绝事故的发生。
根据对近几年电网内发生的叠装式干式空心电抗器相间短路事故分析，提出以下全绝缘处理方案：优选一种可靠优良而且常温下可以自干的绝缘材料对电抗器的外包封（包括上下星角架、连接法兰、绝缘子金属件）进行喷涂，喷涂可分2～4次，总体厚度不低于0.5 mm。对于匝间应使用淋涂特殊工艺以保证匝间经处理后绝缘层均匀。对喷后薄弱部分可再次涂刷绝缘涂料。该方案在不需要大幅度改造已投运电抗器本身的前提下，耗工小，可行性高。通过优选绝缘材料，确定喷涂处理工艺及淋涂工艺，两种工艺相结合的方式对电抗器进行整体全绝缘处理，已达到电抗器最佳安全运行效果。
2.2 全绝缘处理用绝缘材料应满足的技术要求
串联电抗器、限流电抗器一般情况下安装在户外，运行时间久。所使用绝缘材料应具备施工简易、耐污闪、防潮、良好憎水性、阻燃、导热等特性，为此，制定出全绝缘处理所用绝缘材料必须满足如下技术要求。
（1）耐绝缘性能应高于电抗器叠放布置时的相间短路电压：电压等级为10 kV的户外型叠放干式空心电抗器，涂层的耐压水平应该大于12 kV；电压等级为35 kV的户外型叠放干式空心电抗器，涂层的耐压水平应大于42 kV。
（2）导热性。导热性能优良，及时释放设备热量。
（3）包覆性。高强度、高附着力、与设备形成一体。
（4）耐老化性。防潮、憎水、耐臭氧、耐辐射、耐紫外线、耐老化，可实现免维护长周期运行，使用寿命长。防止外部环境酸碱盐等对涂层的腐蚀。
（5）易施工。就地成型，使用方便，施工工期短，适合于异型设备及构件的表面保护和特殊电气接点部位的绝缘防护处理。
（6）安全性。无毒、无污染、无腐蚀。
2.3 全绝缘处理用绝缘材料选型
按照绝缘材料技术要求对国内绝缘材料进行调研，经过多方面试验比较，最终确定使用硅橡胶高压绝缘涂料对电抗器进行全绝缘处理。以下对该涂料样品试验结果进行介绍。
（1）对样品进行工频耐压试验。
图2为绝缘材料的试验方案，用于测试涂料完全固化后的耐压性能。测试方法：取1段铝排，清洁表面后喷样品涂料2遍。待涂料固化后，铝排1端接地，涂料固化表层接高压，试验涂料干膜的耐压值。
硅橡胶高压绝缘涂料在不同厚度干膜条件下的耐压试验，具体数据见表1。
该样品2次喷涂后可以满足10 kV电压等级的干式空心电抗器相间短路要求；通过增加喷涂遍数后重新做耐压试验。喷涂5遍后干膜耐压试验升压到45 kV绝缘材料才击穿。通过数据我们可以看出硅橡胶高压绝缘涂料具有优良的绝缘性能。
（2）电抗器星角架全绝缘喷涂试验。
使用硅橡胶高压绝缘涂料对电抗器星角架进行绝缘处理，喷涂次数为5遍，待绝缘材料完全固化。将上星角架和下星角架进出线端子分别接高压和地，并使用一根短接线连接上星角架和下星角架之间的绝缘涂料表面。见图3。
从图3中可以看出，跨接于两层星角架之间的短接线等效于攀爬于电抗器相间的小动物。使用100 kVA耐压试验升压变压器对上部星角架施加高压U后，上下两星角架干膜绝缘涂料没有发生击穿现象，相与地之间不导通，没有电流通过短接线。通过此项试验证明，尽管有短接线（小动物）的存在，但是电抗器相间没有发生接地现象。U值参见表2。
通过试验结果，并结合产品型式试验报告、导热性能试验报告，确定硅橡胶高压绝缘涂料为干式空心电抗器全绝缘处理最佳绝缘材料。
2.4 现场施工工艺
采用绝缘材料对干式空心电抗器进行全绝缘处理，可以实现在不移动电抗器、不动用大型起吊安装设备的情况下，方便地对已投运电抗器进行设备改造。建议采用以下解决方案。
（1）采用硅橡胶高压绝缘涂料对电抗器的线圈部分进行绝缘防护喷涂，涂层厚度0.5 mm，有效地防止电抗器线匝因包封开裂而出现匝间短路事故。
（2）采用硅橡胶高压绝缘涂料对电抗器的星角架部分进行全绝缘处理，涂层厚度：10 kV时为1.5 mm，35 kV时为2.3 mm，防止因鸟类栖息、小动物攀爬或异物搭挂而引起的相间短路或相对地的短路事故。
2.4.1 电抗器施工工艺
（1）干式空心电抗器用抹布从电抗器内侧到电抗器外侧，从电抗器上面到电抗器下面进行清洁。用表面处理剂对需要喷涂的部位进行全面的清理。
（2）等表面处理剂完全挥发后，开始对电抗器进行喷涂处理。处理的总体原则是先内后外、从上到下、先层间后表面、先线圈后支架。对空心电抗器线圈内部进行喷涂时，施工人员要带防毒面具，做好安全防护。
（3）绝缘层厚度要求为：电抗器表层的厚度为0.5 mm。先对空心电抗器的内部和层间进行喷涂处理，等涂料表干后，用手电仔细检查找出未涂部位及涂层厚度不合要求的部位，喷涂不易实现的部位要用毛刷蘸取涂料进行刷涂，达到要求的厚度后用喷枪再喷一遍，使表面光洁。内部和层间处理完成后，对电抗器外表面进行喷涂处理，包含电抗器的连接母排、绝缘子金属构件都一并进行处理，同样需要检查、刷涂和复喷。不得出现缺损、堆积、流淌等现象。
（4）完成绝缘处理后，再分别用黄、绿、红、三涂料对相应的A、B、C三相进行相色喷涂。保证相色涂层均匀完整的覆盖电抗器外表面，不得出现缺损、堆积、流淌等现象。
2.4.2 电抗器匝间施工工艺
（1）电抗器匝间施工要与普通喷涂区分开，应使用淋涂工艺。
（2）将硅橡胶高压绝缘涂料用稀释剂按比例稀释。
（3）调整好喷枪流量，不应喷出雾化涂料。调整好气压，喷枪喷淋流速不应过快。
（4）使用专用喷枪在匝间从上往下进行淋涂，匝间下面放置一个涂料回收桶，把从匝间上边流下的涂料回收。
（5）一个匝间淋涂完成一次后，厚度大约为0.1 mm。静止15 min，待表面稍干后再进行第二次淋涂，经过多次淋涂后，匝间确保厚度达到0.5 mm，涂层厚度均匀。
2.4.3星角架母排施工工艺
（1）将母排用硬质毛刷清理表面污垢及腐蚀物，使用表面处理剂对母排及绝缘子表面进行全面清洁。
（2）35 kV电抗器星角架绝缘层厚度要求为2.3 mm，10 kV电抗器星角架绝缘层厚度要求为1.5 mm。
（3）采用高级羊毛刷蘸取硅橡胶高压绝缘涂料对星角架母排进行涂刷，保证涂刷均匀，然后采用硅橡胶绝缘胶带呈45°角对母排进行缠绕，缠绕绝缘胶带时需注意胶带覆盖层宽度要保持一致，增加审美感，拉力要适中。缠绕完最后一层胶带后，再用液体硅橡胶高压绝缘涂料对表面进行相色涂刷。
图4为一组全绝缘化改造完毕的无功补偿装置效果图：
3 结语
無功补偿装置在配电网中对提高电网功率因数和供电效率，改善供电质量的起到重大作用，对供电系统甚至整个电网都起着至关重要的作用。其重要组成部件之一干式空心电抗器对无功补偿装置安全运行的意义重大。该文对干式空心电抗器故障原因进行分析，对绝缘化改造材料选取、施工方案等进行了探讨，通过对干式空心电抗器全绝缘化改造以实现设备的安全可靠运行。
参考文献
[1]张聪聪，张家瑞.35kV无功补偿设备的绝缘化处理方法研究[J].科技创新导报，2015（33）：120.
[2]刘让雄，杨春江.电容补偿装置中电抗器烧损原因与保护措施[J].高电压技术，2012，25（3）：782.
[3]王宏，张铁.10千伏高压开关柜常见故障分析和对策措 施[J].中国电力教育，2008（S3）：482-483.
[4]潘长明，刘刚，等.高压开关柜绝缘事故的分析及防范措 施[J].高压电器，2011（7）：90-93.
