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    技術干貨:高壓電抗器箱沿螺栓過熱問題的分析及處理

    發布時間:2021-12-16

    高壓電抗器箱沿螺栓過熱是威脅電抗器安全運行的因素之一。西安熱工研究院有限公司的研究人員張少鵬、王團結、郭沛、楊志龍,在2021年第8期《電氣技術》撰文,分析了引起電抗器箱沿螺栓過熱問題的可能原因,通過對某海上風電場海上升壓站電抗器箱沿螺栓過熱實例的分析,正確判斷出螺栓過熱的原因并提出有效的解決方案,消除了螺栓過熱的問題,最后總結了類似變壓器、電抗器箱沿螺栓過熱問題的處理方法。

    大型海上風電場通過長距離海纜接入電網,空載時容易引起海纜末端電壓過高造成海纜供電損耗大、同期困難,輕載時容易使線路首端電壓高于電源電勢造成工頻過電壓,因此在海纜末端安裝并聯電抗器可改善長距離海纜上的電壓分布。

    運行中的電抗器箱沿螺栓發熱,其熱量會傳遞到箱沿與密封圈上,一方面會造成局部密封圈老化從而造成漏油,另一方面會促進電抗器油分解,產生氣體,引起瓦斯或者壓力釋放閥保護動作,迫使高壓電抗器退出運行,影響電網可靠運行。

    1 箱沿螺栓發熱現象

    某海上風電場海上升壓站2號電抗器是沈陽特變生產,型號BKS—70000/220,容量70000kvar,額定電壓230kV,額定電流176A,聯接組標號YN,制造日期2019年7月。

    在帶電初期巡檢時,用紅外測試儀發現電抗器中性點側靠近B相有兩顆油箱連接螺栓溫度分別為112℃(1號超溫螺栓)、111℃(2號超溫螺栓),其余螺栓溫度分布大致在50℃,1號超溫螺栓紅外熱成像如圖1所示,兩顆超溫螺栓位置如圖2所示。

    2號電抗器滿負荷運行,運行電壓231.2kV,運行電流175.1A,電抗器本體油溫1為47℃、油溫2為49℃、繞組溫度為52℃,后臺監控監測油溫、繞組溫度及負荷電流運行穩定,無緩慢增長現象。

    圖1 1號超溫螺栓紅外熱成像
    圖2 中性點側靠近B相兩顆超溫螺栓位置

    根據國家電力行業標準要求,電氣設備與金屬部件的連接熱點溫度大于110℃時,發熱判斷為緊急缺陷。如果不及時處理將會使密封膠墊局部老化,導致電抗器出現滲漏油、受潮甚至瓦斯保護動作等問題,嚴重影響2號電抗器的安全穩定運行。

    2 原因分析

    電抗器取油樣化驗的結果與DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》規程中要求的“判斷運行設備油中溶解氣體含量注意值”對比合格,由此可排除電抗器主磁回路故障引起的箱沿螺栓發熱,詳細對比結果見表1。

    表1 油樣化驗結果與規程要求對比

    通過紅外成像儀進行拍攝跟蹤、分析,基本確定螺栓過熱的根本原因是漏磁引起的環流,其產生的電流流過連接螺栓導致發熱。引起電抗器油箱與底座連接螺栓發熱的原因一般是繞組和引線漏磁產生較大的電流,該電流可能是短路電流或者是渦流。

    當箱沿螺栓過熱是由較大的短路電流引起時,該電流可能是由于繞組或者引線漏磁(大多由于引線中的大電流產生的漏磁)在油箱與箱沿螺栓的回路中感應出的環流。由于高壓電抗器油箱的上、下箱沿處在強磁場中,強磁場的磁通密度不同而使油箱的上、下箱沿感應的電動勢不同,從而產生電位差,此時油箱上、下箱沿通過螺栓形成導電回路。電抗器的漏磁分布示意圖如圖3所示。

    圖3 電抗器的漏磁分布示意圖

    當箱沿螺栓過熱是由箱沿螺栓內感應出較大的渦流引起時,電抗器的漏磁通穿過箱沿,由于電抗器箱沿螺栓相對于周邊的空氣磁阻較小,所以大多數磁通集中通過導磁相對較好的箱沿螺栓,如果螺栓局部磁通密度很大就會造成渦流,該電流可能造成螺栓過熱,箱沿連接螺栓磁力線分布示意圖如圖4所示。

    圖4 箱沿連接螺栓磁力線分布示意圖

    3 故障處理

    為了解決箱沿螺栓發熱的問題,首先將發熱較為嚴重的這兩個箱沿螺栓拆除,對螺孔附近箱蓋上的油漆進行清理打磨,然后在箱沿上下跨接一根60mm×6mm的銅排,同時將墊片1更換為絕緣墊片,將墊片2更換為導電率較高的銅墊片,實現將油箱上、下沿短接的效果,使電流從短接銅排流過,電抗器跨接短接銅排設計圖如圖5所示,電抗器跨接短接銅排實物如圖6所示。

    圖5 電抗器跨接短接銅排設計圖
    圖6 電抗器跨接短接銅排實物

    利用鉗形電流表分別測量流過1號螺栓短接銅排的電流是14A,流過2號螺栓短接銅排的電流是39A。經過大約12h的觀察后再次利用紅外測試儀對這兩個箱沿螺栓的溫度進行測量,發現2號螺栓的溫度已經和其他螺栓的溫度接近,大約50℃。而1號螺栓的溫度仍然較高,大約93℃,跨接短路排12h后1號螺栓紅外熱成像如圖7所示。

    圖7跨接短路排12h后1號螺栓紅外熱成像

    由此可見在增加短接銅排及更換墊片之后2號螺栓溫度過高的問題已經解決,1號螺栓溫度仍然過高。觀察后發現,1號螺栓距離電抗器B相較近,可能是B相引線漏磁產生渦流導致1號螺栓過熱。

    用同樣大小規格的反磁鋼螺栓替代溫度過高的1號螺栓,經過大約12h的觀察后再次利用紅外測試儀對1號螺栓的溫度進行測量,其溫度下降至63.2℃左右,采用反磁鋼螺栓12h后1號螺栓紅外熱成像如圖8所示。由此可見,1號螺栓內感應出較大的渦流造成螺栓過熱,更換成反磁鋼螺栓后,使穿過箱沿螺栓的漏磁通的大小和分布發生了變化,溫度下降比較明顯。

    圖8反磁鋼螺栓12h后1號螺栓熱成像

    停電檢修時,將整個電抗器的箱沿螺栓通過力矩扳手整體緊固,使得漏磁經過油箱形成閉合回路后產生的電流均勻地從每個箱沿螺栓流過。電抗器帶電后再次利用紅外測試儀對所有箱沿螺栓的溫度進行測量,溫度顯示基本在49~52℃左右。

    4 結論

    經過此次對電抗器箱沿螺栓過熱問題的處理,總結以下處理類似問題的方法:

    1)所有箱沿螺栓要經過力矩扳手緊固,使得漏磁經過油箱形成閉合回路后產生的電流均勻地從每個箱沿螺栓流過。

    2)將因渦流引起過熱的螺栓更換成截面積較大的螺栓或者換以低磁鋼、反磁鋼螺栓,可以降低螺栓的磁通密度,提高散熱效果。

    3)將因短路電流引起過熱的螺栓與箱沿絕緣,用導電率較高的銅排、銅導線或者硅鋼片將其短路或者接地,使短路電流通過銅排或者銅導線流過。類似的方法還包括在溫度較高的箱沿螺栓外側焊接導流件。

    本文編自2021年第8期《電氣技術》,論文標題為“高壓電抗器箱沿螺栓過熱問題分析及處理”,作者為張少鵬、王團結 等。

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