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干式空心电抗器低温下故障研究

文档作者：罗天呜，倪学锋，林浩，姜胜宝，国江文档来源：中国电力科学研究院		点击数：	更新时间： 2024年07月26日
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第38卷第6期：0070—0074 电力电容器与无功补偿
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
干式空心电抗器低温下故障研究
罗天呜，倪学锋，林浩，姜胜宝，国江
(中国电力科学研究院，湖北武汉430074)
摘要：干式空心电抗器是电力系统中比较重要的电力设备，主要用于限制短路电流以及无功补偿，
因此电抗器能否保持稳定运行关系着电网整体的安全稳定。在我国北方地区，冬天气候寒冷。北方地
区冬天经常发生电抗器烧毁事故，尤其是当电抗器进行合闸操作的时候。因此为了探索低温环境对干式
空心电抗器绕组性能的影响，本文对绕组部分不同低温环境下的绝缘特性和机械特性进行了研究。
关键词：干式空心电抗器；故障；低温环境；绝缘特性；机械特性
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
干式空心电抗器作为电力系统中重要的一部
分，承担着限制短路电流和无功补偿的功能，他的
稳定运行对电网的安全稳定有着重要的作用n ]。
在我国北方的冬天，电抗器发生故障的次数比其他
时间与地区的故障发生次数要多 ]，并且事故多发
生在电抗器进行投切操作的时候 ]。相比南方地区，
北方冬天气候寒冷，电抗器未投人运行时，低温环
境可能对电抗器中各个部件的物理特性造成影响，
从而影响到整个电抗器的工作特性，因此当电抗器
投入运行时，电抗器的绝缘性能或机械特性不满足
正常运行时的要求，从而产生局部的缺陷，进而发
展成大的事故。本文通过在不同的低温环境下，对
电抗器的绝缘特性和机械特性进行研究。
1 环氧换位线低温抗拉试验
干式空心电抗器为了保证外绝缘并且隔离外界
收稿日期：2016．12．07
· 70 ·
环境，通常在绕组外部使用浸有环氧树脂的环氧玻璃
丝环绕包裹哺 。由于绕组与绝缘材料之间热膨胀系数
的不同，对于铝导线的热膨胀系数为2．3×l0 ／K，而
对于环氧树脂臌璃纤维复合材料的为1．8x10一／K。
在低温环境下，原本结合牢固的绕组与浸有环氧树
脂的环氧玻璃丝会产生不同的收缩，对二者连接处
产生一个应力，并且粘合剂的性质也会因为低温发
生一定的改变 ]，减弱绕组与环氧树脂间的结合，产
生缺陷。当电抗器投入运行时，绕组中会通过大电
流，电流产生的热能会使绕组温度升高，而环氧树脂
由于导热等原因温度上升相对较小隋 ，二者结合会
使之前产生的缺陷增大，最终造成绝缘的损坏。
因此为了解低温环境下绕组与环氧树脂间粘
合程度，粘合程度可以由二者所能承受的极限应力
代表。
or=
F
。 (1)
文中是将粘合在一起的环氧树脂与绕组分割
2017年第6期 罗天呜，等干式空心电抗器低温下故障研究 (总第174期)
成10 cmX lO cm的环氧换位线小块，然后对其进行
了抗拉试验，通过式(1)将结果力学单位转化为应
力单位。试验分别在室温、一25℃ 和一40 qC的情况
下进行，对环氧换位线进行拉伸，逐渐增加负荷，直
至换位线与环氧树脂彻底脱离。在每个情况下重复
进行7次试验，获得的试验数据见表1。
表1 环氧换位线粘接抗拉试验
Table 1 Tensile test of cohesiveness between wire and
epoxy resin
平均不同温度下环氧换位线的拉伸试验结果，
可以用图1表示。
图1 不同温度最大负荷曲线
Fig．1 Max．1oad curve under diferent temperature
从图中可以看出，低温环境对于环氧换位线的
最大可承受的应力有着较大的影响，随着温度的下
降，可承受的应力也明显下降。在室温27℃ 的情况
下，应力平均为365．9 kPa，在一25℃ 的环境中，应力
平均为331．2 kPa，相比室温情况下，下降了10％，而
到了一40℃ 时，只有293．8 kPa，相比室温下降了
20％。这个现象可能使绕组与环氧树脂在比室温温
度低的情况下产生不同的收缩程度，并且粘合剂的
性质也可能是因为低温发生一定的改变综合导致
的。最大应力的下降说明低温环境使环氧换位线的
粘合性能相比于常温下有了明显的下降，使二者之
间的粘合状态更加脆弱。在电抗器投入的过程中，
会产生一个瞬态电动力，并且导线与环氧的不均匀
受热也会产生一个应力，由于在低温情况下环氧与
绕组之间的粘合所能承受的最大应力下降，作用在
环氧换位线的电动力就更容易使环氧与绕组之间
产生裂缝，从而损坏绝缘。
2 绕组绝缘低温试验
干式空心电抗器的绕组通常由多股内换位的
绝缘电缆绕制而成的，其中每股线都由多层绝缘薄
膜包裹，保证每股线之间相互绝缘，同时多股线换
位绕制，在外部再包裹上由多层绝缘薄膜组成的外
绝缘n 。这些绝缘薄膜是电抗器不发生短路的保
证，外绝缘可以防止匝间短路，股间绝缘能够防止
因不同股导线间的接触产生的影响。而在低温环境
下，这些薄膜的绝缘水平可能受到影响。因此，为了
了解低温环境对于绕组绝缘水平的影响，本文对绝
缘薄膜、整个换位线以及每股线之间的绝缘水平进
行了耐压试验。
本文中使用的换位线是由上下2排，每排8根
单丝铝线组成，每根单丝线直径2．54 mm，每根单丝
线外包0．01 mm聚酯膜。整个铝绞线宽21．7 mm，高
5．8 mm。由2层聚酯膜中间夹1层聚酰亚胺膜绕
包，每层膜1／3搭接缠绕，每层聚酯膜厚25 m，每
层聚酰亚胺膜厚25 m。
2．1 绝缘薄膜耐压试验
本文分别对厚25 m的聚酯膜和聚酰亚胺膜
在30 qC、一25℃ 和一40℃ 的温度情况下进行交流
耐压试验。
试验接线原理如图2所示，图中X为试品，R
为保护电阻，通过阻容分压器获得电压数据。
AC
测量
图2 试验接线原理图
Fig．2 W iring principle diagram of test
试验电极按GB／T 1408．1—2006制成，由2个金
属圆柱体组成，其边缘倒圆成半径为(3．O~O．2)mm
的圆弧，其中1个电极的直径为(25+1)mm，高
25 mm，另1个电极直径为(75+1)mm，高15 mm，电
极同轴放置，误差2 mm内n卜 。
3种温度条件中，一25℃ 和一40℃ 的耐压试验在
全封闭的冰柜中进行，并且保证每次试验间有一定间
隔时间，确保冰柜中没有水气进人。每次试验均是逐
渐升高电压直至薄膜击穿为止。表2、表3为3种温
度下，聚酯膜和聚酰亚胺膜分别得到的试验数据。
3种温度下所得到的试验数据的平均值如图3
所示。
· 7l ·
m 姗 姗 瑚 Ⅲ 姗 瑚
《撂《
2017年第6期 电力电容器与无功补偿 第38卷
表2 不同温度下聚酯薄膜耐压水平
Table 2 W ithstand voltage level of PET film under
diferent temperature
序号
l
2
3
4
5
6
30℃耐压／kV 一25℃ 耐压 v 一4O℃ 耐压 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 不同温度下聚酰亚胺薄膜耐压水平
Table3 W ithstandvoltagelevelofPIfilm underdiferent
temperature
序号
l
2
3
4
5
6
30 耐压／kV 一25℃ 耐压／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
图3 不同温度下聚酯与聚酰亚胺膜的绝缘水平
Fig．3 Insulation level of PI and PET membrane under
diferent temperature
从图3中可以看出低温不但不会降低绝缘薄
膜的耐受水平，一25℃ 下薄膜的耐受水平相对室温
有一定提升，一40℃ 下聚酯膜和聚酰亚胺膜的耐受
水平，相对30℃ 时有大约20％提升的。温度的下
降使绝缘薄膜的绝缘水平上升，这个现象说明单
论绝缘薄膜在低温环境中是不会产生绝缘水平
上的缺陷的。
2．2 换位线外绝缘耐压试验
换位线试验接线的原理依旧如图2所示，在对
整个换位线的外绝缘试验中，通过支柱绝缘子将换
位线固定，并将l6根单股导线的一头缠绕在一起
连接设备输出的电压，在换位线中部外包裹上涂抹
了凡士林的锡纸，再将地线通过铜电极连接到锡纸
上，保证高压端与地电位保持一定距离，不会出现
外部爬电状况。
- 25℃ 和一4O℃ 的耐压试验在全封闭的冰柜中
· 72 ·
进行，确保换位线与箱体之间的距离不发生击穿，
并且保证每次试验间有一定间隔时间。每次试验都
是逐渐升高电压直至发生击穿为止，试验结果见表4。
表4 不同温度下换位线耐压水平
Table 4 W ithstand voltage level of strand wire under
diferent temperature
图4是不同温度下换位线对地绝缘水平的平
均值。从图中可以，看出换位线整体的绝缘水平对
于不同温度是相对稳定的，与温度没有明显的明确
关系，这与之前所试验的绝缘膜随温度下降，绝缘
水平上升的现象是不同的。这可能是整个的换位线
中3层绝缘膜之间以及每股导线与外绝缘之间的
空隙由于温度的影响而有所变化，进而对整体的绝
缘水平产生了影响。
图4 不同温度整个换位线绝缘水平
Fig．4 Insulation level of stran d wire under diferent
temperature
2．3 换位线股间绝缘耐压试验
股间绝缘相对于整个换位线的试验，只是将设
备产生的电压加在单股导线上，其余15股导线通过
铜线连接在一起再接地，并且要保证高压股线与其
他股线在两端的间距，其他并无不同。试验结果见
表5，不同温度下股间绝缘水平的曲线如图5所示。
表5 不同温度下股间耐压水平
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 罗天鸣，等于式空心电抗器低温下故障研究 (总第174期)
图5 不同温度股间绝缘水平
Fig．5 Insulation level between wires under diferent
temperature
从图5可以得到不同温度下股间绝缘水平变
化较小，同样与对单层绝缘薄膜耐压试验的结果所
显示的趋势不同。在理想状态下，二者的趋势应该
是相同的，这说明低温对于薄膜间界面处或导线与
薄膜界面处的物理特性有所影响，使本应该呈上升
趋势的绝缘水平有一定下降，趋于平稳。
3 结束语
通过对干式空心电抗器中的环氧换位线进行
拉伸试验，以及对电抗器中绝缘薄膜和换位线进行
耐压试验，结论如下：
1)在低温环境使环氧换位线的粘合性能相比
于常温下有了明显的下降，使二者之间的粘合状态
更加脆弱，在电抗器投入的过程中产生的电动力也
更容易对绝缘造成损坏。
2)根据试验研究表明：环境温度的下降使单层
绝缘薄膜的绝缘水平上升，因此，单论绝缘薄膜在
低温环境中是不会产生绝缘水平上的缺陷。
3)换位线整体的绝缘水平和股间的绝缘水平
对于不同温度是相对稳定的。这与单层绝缘薄膜
进行试验产生的结果不相同，因此低温对膜与膜
之间和导线与膜之间界面的影响可能是使整体上
的绝缘水平和单层薄膜绝缘水平发展趋势不同的
原因。
4)低温环境对空心电抗器绕组的影响不在于
单个材料的绝缘性能，而是低温造成的不同材料收
缩不匹配产生空隙等缺陷，从而整体的机械性能和
绝缘性能下降。在空心电抗器投入的过程中产生的
瞬态电动力以及各部位不均匀受热的作用下，原本
的微小缺陷可能发展成为大缺陷，损伤绝缘，在瞬
态电压的作用下，缺陷部分可能发生局部放电或击
穿，最终引起事故发生。
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作者简介：
罗天呜(1993一)，男，研究生，研究方向为高电压和绝缘
技术。
倪学锋(196O一)，男，教授级高级工程师，从事电容器生
产及运行技术研究工作。
林浩(1965一)，男，高级工程师，从事电容器及无功补偿
研究工作。
姜胜宝(1964一)，男，工程师，从事电容器试验研究工作。
国江(1985一)，男，工程师，从事电力电子及补偿技术研
究工作。
(上接第59页)
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作者简介：
冯俊杰(1986一)，男，工程师，从事电力系统运行维护工
作。
张广勇(1989一)，男，研究方向为特高压CVT宽频建模
与暂态故障。
王平(1982__)，女，讲师，研究方向为高电压技术与电力
系统电磁兼容技术。
戴丽莉(1988一)，女，助教，研究方向为电力系统保护与
控帝3。

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