在气温较低的冬季，东北地区的干式空心并联电抗器易出现烧损故障。针对这一情况，吉林电科院开展寒冷地区干式空心并联电抗器故障机理与运行可靠性提升技术探讨研究及应用，实现——
4月24日，国网吉林省电力有限公司电力科学研究院员工将干式空心并联电抗器微裂纹探测修复装置安装在500千伏松原变电站电抗器的顶部，协助现场运维人员开展春检工作。
干式空心并联电抗器是一种用于无功补偿、保证输配电系统电压稳定的设备。近年来，东北地区出现了多次干式空心并联电抗器烧损故障，且相关故障多发生在气温较低的冬季。针对这一情况，吉林电科院组建科研团队，开展干式空心并联电抗器包封绝缘材料、结构及模型的低温特性试验，研究包封微裂纹探测及修复材料开发等多项技术，制订包封开裂的抑制措施和修复全套方案，实现干式空心并联电抗器匝间短路故障预警和过电压防护。目前，项目成果已在东北地区电网运维单位及相关电抗器制造企业应用。
自2017年1月起，为探明干式空心并联电抗器在低温条件下的故障机理，科研团队分成三组开展调查研究：一组在零下20摄氏度的环境下，调研了14座500千伏变电站电抗器运作情况；一组前往设备生产厂商，对故障电抗器开展解体试验，并与同批次生产的其他电抗器比对研究；一组赴科研院校交流设备状态监测技术和故障分析仿真技术，了解最前沿的故障预警方法。
“要掌握故障机理，就需要复盘缺陷产生、发展直至成为故障的过程，在此基础上研究故障特征。”科研团队核心成员赵春明介绍。2018年1月，结合调研结果，科研团队采用仿真分析与模型试验相结合的方法开展项目攻关。
科研团队联合哈尔滨理工大学，对不同运行工况下干式空心并联电抗器的电场、温度场、应力场进行仿真分析，获得各物理场的分布规律。为了验证仿真分析的结论，团队制作了电抗器包封模型，并配置了温度传感器和应变片。科研团队在实验室中搭建电抗器低温通流模拟测试平台，在零下60摄氏度至0摄氏度的低温条件下开展模型试验，不仅验证了各物理场的分布规律，还发现在降温过程中热致压缩应力会导致包封绝缘层开裂，产生微裂纹。
“由于干式空心并联电抗器绕组和包封间线胀系数存在比较大的差异，在热致压缩应力作用下，包封绝缘层开裂，水汽、灰尘等容易进入电抗器本体，降低设备绝缘性能，这是引发电抗器故障的内在机理。”赵春明说，根据这一研究结果，从2019年起，科研团队开始就如何避免包封开裂开展研究，积累了一定的技术和经验，制定出团体标准《干式空心电抗器低温适应性技术条件及运维要求》。
干式空心并联电抗器外观庞大，内部由大量狭窄的封道构成。微裂纹主要出现在内部，几乎不可能通过肉眼发现。2019年6月开始，为探测微裂纹，科研团队尝试了多种方案，先后研发了三款机器人，通过对自身重量、负载能力、行动稳定性、定位准确性、有效视场以及搭载功能模块等方面的对比，最终选择把拉拽式探头机器人作为探测装置，实现了对微裂纹位置和大小的精准探测。
随后，利用机器人修复微裂纹成为科研团队的攻关重点。2020年4月，他们向国内高分子材料领域的专家咨询，开始研究修复材料。
电抗器绝缘层的主要材质是树脂基体。起初，科研团队按照在树脂基体中加入催化剂或固化剂的思路研制修复材料。自然光照条件下，试剂需有效接触才能发生反应，固化修复时间至少一个小时，且该修复材料绝缘性能较差。小组成员查阅大量资料后，改变了思路，研发了含三氟甲基和联苯的新型树脂基体，提高了固化物的机械强度和绝缘性能。2022年2月，科研团队在500千伏延吉变电站测试机器人携带、喷涂修复材料，试验结果达到了预期成效。
为进一步加快修复速度、优化固化效果，小组成员林海丹在树脂基体中添加了小分子活性稀释剂。这种成分过多或过少都会影响固化效果，小组成员开展上百次试验，最终得出最佳配比，并利用机器人自带光源使试剂加速固化。2022年12月，科研团队测试了改进的修复材料，固化修复时间缩短至20秒以内。
“在解体故障电抗器时，我们得知匝间绝缘层的损伤导致了不同程度的匝间短路，严重时可能引发火灾，波及相邻设备。”赵春明说，发生匝间短路时，由于短路电流较小，过电流保护设施无法及时动作，直至故障发展到相对地或相间时才动作。
为及时发现缺陷、防止故障范围扩大，研发干式空心并联电抗器在线监测装置势在必行。科研团队总结电抗器匝间短路后电气参数变化规律，考虑互感器相位偏移和电抗器温度上升带来的影响，提出了基于三相电抗器功率因数相间变化量的监控策略，研发了在线监测装置，形成可识别电抗器任一匝间短路状态的成套技术。2019年10月，该装置在220千伏长白变电站挂网运行。
同时，长时间运行的干式空心并联电抗器在投入和切除时会产生高频过电压，而高频过电压会加剧电抗器微裂纹附近电场的畸变程度，引发沿面放电，因此采取过电压保护的方法至关重要。科研团队提出阻容加避雷器组合式抑制过电压技术，确定了保护电路相关参数，研制出故障自脱离式干式空心并联电抗器过电压吸收装置。
3月29日，项目成果鉴定会召开，专家组认为成果在干式空心并联电抗器故障机理研究、微裂纹修复材料、监测预警及过电压防护技术方面达到国际领先水平。依托该项目，目前，科研团队获国家发明专利授权10项、国家实用新型专利授权6项，发表SCI、EI等论文16篇，制定行业级、地方级团体标准3项。
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