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干式空心電抗器低溫下故障研究

文檔作者：羅天嗚，倪學鋒，林浩，姜勝寶，國江文檔來源：中國電力科學研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年07月26日
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第38卷第6期：0070—0074 電力電容器與無功補償
2017年12月Power Capacitor＆Reactive Power Compensation
Vo1．38，No．6：0070-0074
Dec．2017
DOI：10．14044／j．1674—1757．pcrpc．2017．06．014
干式空心電抗器低溫下故障研究
羅天嗚，倪學鋒，林浩，姜勝寶，國江
(中國電力科學研究院，湖北武漢430074)
摘要：干式空心電抗器是電力系統(tǒng)中比較重要的電力設備，主要用于限制短路電流以及無功補償，
因此電抗器能否保持穩(wěn)定運行關系著電網(wǎng)整體的安全穩(wěn)定。在我國北方地區(qū)，冬天氣候寒冷。北方地
區(qū)冬天經(jīng)常發(fā)生電抗器燒毀事故，尤其是當電抗器進行合閘操作的時候。因此為了探索低溫環(huán)境對干式
空心電抗器繞組性能的影響，本文對繞組部分不同低溫環(huán)境下的絕緣特性和機械特性進行了研究。
關鍵詞：干式空心電抗器；故障；低溫環(huán)境；絕緣特性；機械特性
Study on the Fault of Dry。。type Air—。core Reactor Under Low Temperature
LUO Tianming，NI Xuefeng，LIN Hao，JIANG Shengbao，GUO Jiang
(China Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China)
Abstract：Dry—type air-core reactor，as important equipment in power system，is used mainly to limit the
short circuit current and provide reactive power compensation．Therefore，stable operation of reactor is
critical the whole safety and stability of the d．It is cold in the north part of China in winter，with frequent
burning of reactor and especially in the closed operation of the reactor．Therefore，in this paper，both
insulation and mechanical performance of the winding under different low temperatures is studied SO to find
the influence of low temperature on the perform ance of the reactor winding
Keywords：dry—type air—core reactor；fault；low temperature；insulation perform ance；mechanical per—
form ance
0 引言
干式空心電抗器作為電力系統(tǒng)中重要的一部
分，承擔著限制短路電流和無功補償?shù)墓δ埽?
穩(wěn)定運行對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定有著重要的作用n ]。
在我國北方的冬天，電抗器發(fā)生故障的次數(shù)比其他
時間與地區(qū)的故障發(fā)生次數(shù)要多 ]，并且事故多發(fā)
生在電抗器進行投切操作的時候 ]。相比南方地區(qū)，
北方冬天氣候寒冷，電抗器未投人運行時，低溫環(huán)
境可能對電抗器中各個部件的物理特性造成影響，
從而影響到整個電抗器的工作特性，因此當電抗器
投入運行時，電抗器的絕緣性能或機械特性不滿足
正常運行時的要求，從而產(chǎn)生局部的缺陷，進而發(fā)
展成大的事故。本文通過在不同的低溫環(huán)境下，對
電抗器的絕緣特性和機械特性進行研究。
1 環(huán)氧換位線低溫抗拉試驗
干式空心電抗器為了保證外絕緣并且隔離外界
收稿日期：2016．12．07
· 70 ·
環(huán)境，通常在繞組外部使用浸有環(huán)氧樹脂的環(huán)氧玻璃
絲環(huán)繞包裹哺 。由于繞組與絕緣材料之間熱膨脹系數(shù)
的不同，對于鋁導線的熱膨脹系數(shù)為2．3×l0 ／K，而
對于環(huán)氧樹脂臌璃纖維復合材料的為1．8x10一／K。
在低溫環(huán)境下，原本結合牢固的繞組與浸有環(huán)氧樹
脂的環(huán)氧玻璃絲會產(chǎn)生不同的收縮，對二者連接處
產(chǎn)生一個應力，并且粘合劑的性質(zhì)也會因為低溫發(fā)
生一定的改變 ]，減弱繞組與環(huán)氧樹脂間的結合，產(chǎn)
生缺陷。當電抗器投入運行時，繞組中會通過大電
流，電流產(chǎn)生的熱能會使繞組溫度升高，而環(huán)氧樹脂
由于導熱等原因溫度上升相對較小隋 ，二者結合會
使之前產(chǎn)生的缺陷增大，最終造成絕緣的損壞。
因此為了解低溫環(huán)境下繞組與環(huán)氧樹脂間粘
合程度，粘合程度可以由二者所能承受的極限應力
代表。
or=
F
。 (1)
文中是將粘合在一起的環(huán)氧樹脂與繞組分割
2017年第6期 羅天嗚，等干式空心電抗器低溫下故障研究 (總第174期)
成10 cmX lO cm的環(huán)氧換位線小塊，然后對其進行
了抗拉試驗，通過式(1)將結果力學單位轉化為應
力單位。試驗分別在室溫、一25℃ 和一40 qC的情況
下進行，對環(huán)氧換位線進行拉伸，逐漸增加負荷，直
至換位線與環(huán)氧樹脂徹底脫離。在每個情況下重復
進行7次試驗，獲得的試驗數(shù)據(jù)見表1。
表1 環(huán)氧換位線粘接抗拉試驗
Table 1 Tensile test of cohesiveness between wire and
epoxy resin
平均不同溫度下環(huán)氧換位線的拉伸試驗結果，
可以用圖1表示。
圖1 不同溫度最大負荷曲線
Fig．1 Max．1oad curve under diferent temperature
從圖中可以看出，低溫環(huán)境對于環(huán)氧換位線的
最大可承受的應力有著較大的影響，隨著溫度的下
降，可承受的應力也明顯下降。在室溫27℃ 的情況
下，應力平均為365．9 kPa，在一25℃ 的環(huán)境中，應力
平均為331．2 kPa，相比室溫情況下，下降了10％，而
到了一40℃ 時，只有293．8 kPa，相比室溫下降了
20％。這個現(xiàn)象可能使繞組與環(huán)氧樹脂在比室溫溫
度低的情況下產(chǎn)生不同的收縮程度，并且粘合劑的
性質(zhì)也可能是因為低溫發(fā)生一定的改變綜合導致
的。最大應力的下降說明低溫環(huán)境使環(huán)氧換位線的
粘合性能相比于常溫下有了明顯的下降，使二者之
間的粘合狀態(tài)更加脆弱。在電抗器投入的過程中，
會產(chǎn)生一個瞬態(tài)電動力，并且導線與環(huán)氧的不均勻
受熱也會產(chǎn)生一個應力，由于在低溫情況下環(huán)氧與
繞組之間的粘合所能承受的最大應力下降，作用在
環(huán)氧換位線的電動力就更容易使環(huán)氧與繞組之間
產(chǎn)生裂縫，從而損壞絕緣。
2 繞組絕緣低溫試驗
干式空心電抗器的繞組通常由多股內(nèi)換位的
絕緣電纜繞制而成的，其中每股線都由多層絕緣薄
膜包裹，保證每股線之間相互絕緣，同時多股線換
位繞制，在外部再包裹上由多層絕緣薄膜組成的外
絕緣n 。這些絕緣薄膜是電抗器不發(fā)生短路的保
證，外絕緣可以防止匝間短路，股間絕緣能夠防止
因不同股導線間的接觸產(chǎn)生的影響。而在低溫環(huán)境
下，這些薄膜的絕緣水平可能受到影響。因此，為了
了解低溫環(huán)境對于繞組絕緣水平的影響，本文對絕
緣薄膜、整個換位線以及每股線之間的絕緣水平進
行了耐壓試驗。
本文中使用的換位線是由上下2排，每排8根
單絲鋁線組成，每根單絲線直徑2．54 mm，每根單絲
線外包0．01 mm聚酯膜。整個鋁絞線寬21．7 mm，高
5．8 mm。由2層聚酯膜中間夾1層聚酰亞胺膜繞
包，每層膜1／3搭接纏繞，每層聚酯膜厚25 m，每
層聚酰亞胺膜厚25 m。
2．1 絕緣薄膜耐壓試驗
本文分別對厚25 m的聚酯膜和聚酰亞胺膜
在30 qC、一25℃ 和一40℃ 的溫度情況下進行交流
耐壓試驗。
試驗接線原理如圖2所示，圖中X為試品，R
為保護電阻，通過阻容分壓器獲得電壓數(shù)據(jù)。
AC
測量
圖2 試驗接線原理圖
Fig．2 W iring principle diagram of test
試驗電極按GB／T 1408．1—2006制成，由2個金
屬圓柱體組成，其邊緣倒圓成半徑為(3．O~O．2)mm
的圓弧，其中1個電極的直徑為(25+1)mm，高
25 mm，另1個電極直徑為(75+1)mm，高15 mm，電
極同軸放置，誤差2 mm內(nèi)n卜 。
3種溫度條件中，一25℃ 和一40℃ 的耐壓試驗在
全封閉的冰柜中進行，并且保證每次試驗間有一定間
隔時間，確保冰柜中沒有水氣進人。每次試驗均是逐
漸升高電壓直至薄膜擊穿為止。表2、表3為3種溫
度下，聚酯膜和聚酰亞胺膜分別得到的試驗數(shù)據(jù)。
3種溫度下所得到的試驗數(shù)據(jù)的平均值如圖3
所示。
· 7l ·
m 姍 姍 瑚 Ⅲ 姍 瑚
《撂《
2017年第6期 電力電容器與無功補償 第38卷
表2 不同溫度下聚酯薄膜耐壓水平
Table 2 W ithstand voltage level of PET film under
diferent temperature
序號
l
2
3
4
5
6
30℃耐壓／kV 一25℃ 耐壓 v 一4O℃ 耐壓 V
5．2
4．9
4．8
5．2
4．6
5．6
5．2
5．1
5．1
5-3
5．5
5．6
5．1
4．8
6-3
6-3
6．5
6．5
表3 不同溫度下聚酰亞胺薄膜耐壓水平
Table3 W ithstandvoltagelevelofPIfilm underdiferent
temperature
序號
l
2
3
4
5
6
30 耐壓／kV 一25℃ 耐壓／kv 一40℃ 耐~3．kV
5．O
5．7
5．8
6．4
5-3
5．6
6．9
6．6
6-3
6．0
6．4
5．5
7．0
6．6
6_3
6．9
7．5
7．1
圖3 不同溫度下聚酯與聚酰亞胺膜的絕緣水平
Fig．3 Insulation level of PI and PET membrane under
diferent temperature
從圖3中可以看出低溫不但不會降低絕緣薄
膜的耐受水平，一25℃ 下薄膜的耐受水平相對室溫
有一定提升，一40℃ 下聚酯膜和聚酰亞胺膜的耐受
水平，相對30℃ 時有大約20％提升的。溫度的下
降使絕緣薄膜的絕緣水平上升，這個現(xiàn)象說明單
論絕緣薄膜在低溫環(huán)境中是不會產(chǎn)生絕緣水平
上的缺陷的。
2．2 換位線外絕緣耐壓試驗
換位線試驗接線的原理依舊如圖2所示，在對
整個換位線的外絕緣試驗中，通過支柱絕緣子將換
位線固定，并將l6根單股導線的一頭纏繞在一起
連接設備輸出的電壓，在換位線中部外包裹上涂抹
了凡士林的錫紙，再將地線通過銅電極連接到錫紙
上，保證高壓端與地電位保持一定距離，不會出現(xiàn)
外部爬電狀況。
- 25℃ 和一4O℃ 的耐壓試驗在全封閉的冰柜中
· 72 ·
進行，確保換位線與箱體之間的距離不發(fā)生擊穿，
并且保證每次試驗間有一定間隔時間。每次試驗都
是逐漸升高電壓直至發(fā)生擊穿為止，試驗結果見表4。
表4 不同溫度下?lián)Q位線耐壓水平
Table 4 W ithstand voltage level of strand wire under
diferent temperature
圖4是不同溫度下?lián)Q位線對地絕緣水平的平
均值。從圖中可以，看出換位線整體的絕緣水平對
于不同溫度是相對穩(wěn)定的，與溫度沒有明顯的明確
關系，這與之前所試驗的絕緣膜隨溫度下降，絕緣
水平上升的現(xiàn)象是不同的。這可能是整個的換位線
中3層絕緣膜之間以及每股導線與外絕緣之間的
空隙由于溫度的影響而有所變化，進而對整體的絕
緣水平產(chǎn)生了影響。
圖4 不同溫度整個換位線絕緣水平
Fig．4 Insulation level of stran d wire under diferent
temperature
2．3 換位線股間絕緣耐壓試驗
股間絕緣相對于整個換位線的試驗，只是將設
備產(chǎn)生的電壓加在單股導線上，其余15股導線通過
銅線連接在一起再接地，并且要保證高壓股線與其
他股線在兩端的間距，其他并無不同。試驗結果見
表5，不同溫度下股間絕緣水平的曲線如圖5所示。
表5 不同溫度下股間耐壓水平
Table 5 W ithstand voltage level between wires under
diferent temperature
0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 O
2017年第6期 羅天鳴，等于式空心電抗器低溫下故障研究 (總第174期)
圖5 不同溫度股間絕緣水平
Fig．5 Insulation level between wires under diferent
temperature
從圖5可以得到不同溫度下股間絕緣水平變
化較小，同樣與對單層絕緣薄膜耐壓試驗的結果所
顯示的趨勢不同。在理想狀態(tài)下，二者的趨勢應該
是相同的，這說明低溫對于薄膜間界面處或?qū)Ь€與
薄膜界面處的物理特性有所影響，使本應該呈上升
趨勢的絕緣水平有一定下降，趨于平穩(wěn)。
3 結束語
通過對干式空心電抗器中的環(huán)氧換位線進行
拉伸試驗，以及對電抗器中絕緣薄膜和換位線進行
耐壓試驗，結論如下：
1)在低溫環(huán)境使環(huán)氧換位線的粘合性能相比
于常溫下有了明顯的下降，使二者之間的粘合狀態(tài)
更加脆弱，在電抗器投入的過程中產(chǎn)生的電動力也
更容易對絕緣造成損壞。
2)根據(jù)試驗研究表明：環(huán)境溫度的下降使單層
絕緣薄膜的絕緣水平上升，因此，單論絕緣薄膜在
低溫環(huán)境中是不會產(chǎn)生絕緣水平上的缺陷。
3)換位線整體的絕緣水平和股間的絕緣水平
對于不同溫度是相對穩(wěn)定的。這與單層絕緣薄膜
進行試驗產(chǎn)生的結果不相同，因此低溫對膜與膜
之間和導線與膜之間界面的影響可能是使整體上
的絕緣水平和單層薄膜絕緣水平發(fā)展趨勢不同的
原因。
4)低溫環(huán)境對空心電抗器繞組的影響不在于
單個材料的絕緣性能，而是低溫造成的不同材料收
縮不匹配產(chǎn)生空隙等缺陷，從而整體的機械性能和
絕緣性能下降。在空心電抗器投入的過程中產(chǎn)生的
瞬態(tài)電動力以及各部位不均勻受熱的作用下，原本
的微小缺陷可能發(fā)展成為大缺陷，損傷絕緣，在瞬
態(tài)電壓的作用下，缺陷部分可能發(fā)生局部放電或擊
穿，最終引起事故發(fā)生。
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作者簡介：
羅天嗚(1993一)，男，研究生，研究方向為高電壓和絕緣
技術。
倪學鋒(196O一)，男，教授級高級工程師，從事電容器生
產(chǎn)及運行技術研究工作。
林浩(1965一)，男，高級工程師，從事電容器及無功補償
研究工作。
姜勝寶(1964一)，男，工程師，從事電容器試驗研究工作。
國江(1985一)，男，工程師，從事電力電子及補償技術研
究工作。
(上接第59頁)
to construct equivalent circuit model from frequency
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technique[J]．IEEE Transactions on Advanced Packaging，
2000，23(1)：55—61．
· 74 ·
作者簡介：
馮俊杰(1986一)，男，工程師，從事電力系統(tǒng)運行維護工
作。
張廣勇(1989一)，男，研究方向為特高壓CVT寬頻建模
與暫態(tài)故障。
王平(1982__)，女，講師，研究方向為高電壓技術與電力
系統(tǒng)電磁兼容技術。
戴麗莉(1988一)，女，助教，研究方向為電力系統(tǒng)保護與
控帝3。

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