电抗器的作用-绝缘等级及寿命.doc

电抗器的作用
[日期：2008-11-07]
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干式空心电抗器的作用和使用寿命
近年来，我国500kV输电线路迅速发展，电网容量越来越大，由于电压等级高，电网装机容量大，造成了系统短路电流增大，事故电压波动大，功率因数偏低，开关容量不够和谐波电流的增加，解决这些问题的方法是在系统上安装电抗器。大容量干式空心电抗器是近几年研制开发的新型电抗器，它具有线性特性好，参数稳定，防火性能好的特点，本文仅就干式空心电抗器(以下简称电抗器)的作用和使用寿命作一分析。 来源:www.tede
1 电抗器的作用
1.1 电抗器的限流和滤波作用
电网容量的扩大，使得系统短路容量的额定值迅速增大。如在500kV变电所的低压35kV侧， 最大的三相对称短路电流有效值已经接近50kA。为了限制输电线路的短路电流，保护电力设 备，必须安装电抗器，电抗器能够减小短路电流和使短路瞬间系统的电压保持不变。
在电容器回路安装阻尼电抗器(即串联电抗器)，电容器回路投入时起抑制涌流的作用。同时与电容器组一起组成谐波回路，起各次谐波的滤波作用。如在500kV变电所35kV无功补偿装置的电容器回路中，为了限制投入电容器时的涌流和抑制电力系统的高次谐波，在35kV电容器回路中必须安装阻尼电抗器，抑制3次谐波时，采用额定电压35kV，额定电感量26.2mH，额定电流350A干式空心单相户外型阻尼电抗器，它与2.52Mvar电容器对3次谐波形成谐振回路，即3次谐波滤波回路。同样，为了抑制5次及以上高次谐波，采用了额定电压35kV，额定电感量9.2mH，额定电流382A单相户外型阻尼电抗器，它与2.52Mvar电容器对5次及以上高次谐波形成谐振回路。起到了抑制高次谐波的作用，需要说明的是，在国家标准《电抗器》 GB10229—88和IEC289—88国际标准中均对阻尼电抗器的使用和技术条件作了规定。但目前国内有些部门将阻尼电抗器称为串联电抗器，严格来讲是不合适的，因为上述标准中均没有串联电抗器这个名称。
1.2 电抗器在无功补偿装置中的作用
随着我国500kV电力系统的发展，以及电气化铁路和大型钢铁基地的建设，在大型枢纽变电 所中需要安装静止补偿装置的趋势越来越明显。静止补偿装置对负载突变的反映速度快(一般响应时间为0.02～0.04s)，具有平滑的无功功率和电压调节特性。因此它能够稳定电力系统电压，有效地补偿电力系统的无功功率系数，抑制电压的波动，维持电力系统处于三相平衡状态，抑制电力系统的次同步振荡。此外安装在电力系统枢纽点的静止补偿装置还能起降低电力系统暂态超压的作用。因此各大电网均要求大中型变电站必须安装电抗器来补偿电容性的无功功率，做到就地补偿，就地平衡，以保证电力系统的安全运行。
电抗器是无功补偿装置的重要组成部分之一，并联电抗器用来提供感抗值消耗电力系统过剩 的电容性无功功率，这在电力系统初期输送功率较小的时候以及电力系统后期在每日深夜轻负荷的时候都是十分必要的。因为在上述两种情况下，输电线路的无功功率损耗小，由于电容效应，输电线路产生的无功功率大于输电线路消耗的无功功率，在整个电力系统中存在剩余的无功功率(电容性)，必须安装并联电抗器来消耗这部分剩余的无功功率，满足电力系统无功平衡的需要，维持电力系统的电压水平。否则电力系统的电压过高，无法安全运行。
近年来用减少静止补偿装置中晶闸管的数量，来节省整个装置的投资，有尽可能增大电容器 组(简称TSC)容量和并联电抗器组(简称TCR)容量的趋势。在有的静止补偿装置中甚至取消了TSC回路，完全由固定电容器组(简称FC)代替。这样为了保持静止补偿装置具有连续平滑的无功功率和电压调节特性，就需要加大并联电抗器的总容量。因此，电抗器的用量将越来越大。
串联在电容器回路中的阻尼电抗器除起到前面所叙述的限制涌流和高次谐波的作用外，也起 到了无功补偿的作用。
2 电抗器使用寿命的分析
电抗器在额定负载下长期正常运行的时间，就是电抗器的使用寿命。电抗器使用寿命由制造 它的材料所决定。制造电抗器的材料有金属材料和绝缘材料两大类。金属材料耐高温，而绝缘材料长期在较高的温度、电场和磁场作用下，会逐渐失去原有的力学性能和绝缘性能，例如变脆、机械强度减弱、电击穿。这个渐变的过程就是绝缘材料的老化。温度愈高，绝缘材料的力学性能和绝缘性能减弱得越快；绝缘材料含水分愈多，老化也愈快。电抗器中的绝缘材料要承受电抗器运行产生的负荷和周围环境的作用，这些负荷的总和、强度和作用时间决定绝缘材料的使用寿命。
这些负荷包括热性质的、机械性质的和电气性质的，周围环境的作用指潮湿、化学污染、灰 尘和各种射线。
由于热作用一方面可以引起化学变化，如导致绝缘材料原子结构中的链断裂，分子结构改变，分离反应和交链反应；另一方面由于金属导线和相邻的绝缘材料间的热膨胀差别很大，而产生机械破坏。
因电抗器运行产生的交变磁场而引起的机械负荷有压力、拉力、伸展、振动。强度太高时， 绝缘材料会产生撕裂拉断，损耗大会引起发热而产生破坏。周围环境中对电抗器起破坏作用的最普遍的是温度高、温度波动大和相对湿度大；其次有强光照射、灰尘、细沙、烟雾等；另外还有生物(如霉菌和细菌)的影响，以及一些动物(如白蚁)的侵害。在此要提一下各种辐射对绝缘材料均有一定的破坏作用，对于聚合的绝缘材料辐射分子量增加，或者由于链分裂，网状组织导致破坏。
电抗器运行时，它的使用寿命要受到以上各种负荷和环境的影响，其中负荷和环境的影响最 大，因此，在保持足够的机械和电气特性下，温度稳定性和热状态均被看作是电抗器设计制造质量的重要指标，温度稳定性和热状态的突出影响是科研人员研究热负荷和寿命之间关系的原因。为此，国际电工委员会(IEC)和国家标准局制定了电抗器的IEC标准和国家标准。表1为干式空心电抗器国家标准规定的温升限值。从表1可以看出，各种绝缘材料的耐热温度与相应温升的差值，随着绝缘等级的提高而增大。这是因为采用不同耐热等级的绝缘材料制造的电抗器，运行时的温升限值是不同的。当温升较高时，电抗器运行时的热流强度就要增大。一般来说，部件中温度的分布随热流强度的增加而趋于不均匀，其平均温度与最热点温度的差值也增大。
表1 干式空心电抗器国家标准规定的温升限值
绝缘等级
绝缘的温度等级
/℃
(电阻法测得的平均值)
温升限值/K
A
105
60
E
120
75
B
130
85
F
155
100
H
180
125
C
220
150
电抗器运行时，它的绕组既是导热介质，又是热源，它的温度一般来说在空间上总是按一定规律呈曲线分布。这样就有了最热点温升和平均温升之分，电抗器的发热限度以最热点温升为准，平均温升是检验设计是否合理和经济性能好坏的重要指标。平均温升与最热点温升之间有一定的规律性联系。可以用平均温升来衡量电抗器的发热情况，电抗器绕组绝缘的热寿命和绝缘是否受损应由绕组最热点温升来决定，而不是平均温度来决定。干式空心电抗器的使用寿命根据蒙特申格尔(Montsinger)的寿命定律来计算
T＝Ae-αθ (1)
式中 T——绝缘材料的使用寿命
A——常数(根据电抗器所用绝缘材料的等级确定)
α——常数，约为0.88
θ——绝缘材料的温度
对于蒙特申格尔寿命定律的半对数θ＝f(lnT)，得到含有方向常数-1/α的直线，该直线如图所示，这就是绕组的寿命(绕组耐热等级为A、B和H)与绕组工作温度的函数关系。

图 A、B和H耐热等级绝缘绕组的寿命与绕组运行温度的函数关系
从式(1)和图中可以看出，每种绝缘材料都有一个固定的温度变化值。在某一统计期内，若 电抗器的最热点温度比所用绝缘材料的最高允许温度低，则绝缘老化缓慢，寿命延长。反之，则绝缘老化加快，寿命缩短。对于电抗器的全部寿命而言，这一寿命的延长或缩短便构成了寿命的补偿。每种绝缘材料的寿命减小到一半或寿命增加一倍的温度变化值是固定不变的。该温度变化值对于A级为8℃，对于B级为8～10℃，对于H级为12℃。由于A级的Δθ＝ 8℃，因而蒙特申格尔寿命定律还称为8℃规则，H级一般称为12℃规则。
我们知道，每种绝缘材料均有其耐热的绝对最高温度(见表2)，当超过其绝对最高温度时， 绝 缘材料将迅速碳化而失去绝缘性能和力学性能。因此若电抗器经常过负荷运行时，一定要在 订货时与制造厂协商，在设计和制造过程中考虑经常过负荷的工作状态。
表2 绝缘等级和绝对最高温度的关系
绝缘等级温度/℃
105(A)
120(E)
130(B)
155(F)
180(H)
220(C)
绝对最高温度/℃
150
175
185
210
235
260

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