近年來(lái)，我國(guó)500kV輸電線路迅速發(fā)展，電網(wǎng)容量越來(lái)越大，由于電壓等級(jí)高，電網(wǎng)裝機(jī)容量大，造成了系統(tǒng)短路電流增大，事故電壓波動(dòng)大，功率因數(shù)偏低，開關(guān)容量不夠和諧波電流的增加，解決這些問(wèn)題的方法是在系統(tǒng)上安裝電抗器。大容量干式空心電抗器是近幾年研制開發(fā)的新型電抗器，它具有線性特性好，參數(shù)穩(wěn)定，防火性能好的特點(diǎn)，本文僅就干式空心電抗器(以下簡(jiǎn)稱電抗器)的作用和使用壽命作一分析。
1 電抗器的作用
1.1 電抗器的限流和濾波作用
電網(wǎng)容量的擴(kuò)大，使得系統(tǒng)短路容量的額定值迅速增大。如在500kV變電所的低壓35kV側(cè)， 最大的三相對(duì)稱短路電流有效值已經(jīng)接近50kA。為了限制輸電線路的短路電流，保護(hù)電力設(shè)備，必須安裝電抗器，電抗器能夠減小短路電流和使短路瞬間系統(tǒng)的電壓保持不變。 在電容器回路安裝阻尼電抗器(即串聯(lián)電抗器)，電容器回路投入時(shí)起抑制涌流的作用。同時(shí)與電容器組一起組成諧波回路，起各次諧波的濾波作用。如在500kV變電所35kV無(wú)功補(bǔ)償裝置的電容器回路中，為了限制投入電容器時(shí)的涌流和抑制電力系統(tǒng)的高次諧波，在35kV電容器回路中必須安裝阻尼電抗器，抑制3次諧波時(shí)，采用額定電壓35kV，額定電感量26.2mH，額定電流350A干式空心單相戶外型阻尼電抗器，它與2.52Mvar電容器對(duì)3次諧波形成諧振回路，即3次諧波濾波回路。同樣，為了抑制5次及以上高次諧波，采用了額定電壓35kV，額定電感量9.2mH，額定電流382A單相戶外型阻尼電抗器，它與2.52Mvar電容器對(duì)5次及以上高次諧波形成諧振回路。起到了抑制高次諧波的作用，需要說(shuō)明的是，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電抗器》 GB10229—88和IEC289—88國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中均對(duì)阻尼電抗器的使用和技術(shù)條件作了規(guī)定。但目前國(guó)內(nèi)有些部門將阻尼電抗器稱為串聯(lián)電抗器，嚴(yán)格來(lái)講是不合適的，因?yàn)樯鲜鰳?biāo)準(zhǔn)中均沒(méi)有串聯(lián)電抗器這個(gè)名稱。 1.2 電抗器在無(wú)功補(bǔ)償裝置中的作用 隨著我國(guó)500kV電力系統(tǒng)的發(fā)展，以及電氣化鐵路和大型鋼鐵基地的建設(shè)，在大型樞紐變電 所中需要安裝靜止補(bǔ)償裝置的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。靜止補(bǔ)償裝置對(duì)負(fù)載突變的反映速度快(一般響應(yīng)時(shí)間為0.02～0.04s)，具有平滑的無(wú)功功率和電壓調(diào)節(jié)特性。因此它能夠穩(wěn)定電力系統(tǒng)電壓，有效地補(bǔ)償電力系統(tǒng)的無(wú)功功率系數(shù)，抑制電壓的波動(dòng)，維持電力系統(tǒng)處于三相平衡狀態(tài)，抑制電力系統(tǒng)的次同步振蕩。此外安裝在電力系統(tǒng)樞紐點(diǎn)的靜止補(bǔ)償裝置還能起降低電力系統(tǒng)暫態(tài)超壓的作用。因此各大電網(wǎng)均要求大中型變電站必須安裝電抗器來(lái)補(bǔ)償電容性的無(wú)功功率，做到就地補(bǔ)償，就地平衡，以保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
電抗器是無(wú)功補(bǔ)償中頻電源裝置的重要組成部分之一，并聯(lián)電抗器用來(lái)提供感抗值消耗電力系統(tǒng)過(guò)剩 的電容性無(wú)功功率，這在電力系統(tǒng)初期輸送功率較小的時(shí)候以及電力系統(tǒng)后期在每日深夜輕負(fù)荷的時(shí)候都是十分必要的。因?yàn)樵谏鲜鰞煞N情況下，輸電線路的無(wú)功功率損耗小，由于電容效應(yīng)，輸電線路產(chǎn)生的無(wú)功功率大于輸電線路消耗的無(wú)功功率，在整個(gè)電力系統(tǒng)中存在剩余的無(wú)功功率(電容性)，必須安裝并聯(lián)電抗器來(lái)消耗這部分剩余的無(wú)功功率，滿足電力系統(tǒng)無(wú)功平衡的需要，維持電力系統(tǒng)的電壓水平。否則電力系統(tǒng)的電壓過(guò)高，無(wú)法安全運(yùn)行。 近年來(lái)用減少靜止補(bǔ)償裝置中晶閘管的數(shù)量，來(lái)節(jié)省整個(gè)裝置的投資，有盡可能增大電容器組(簡(jiǎn)稱TSC)容量和并聯(lián)電抗器組(簡(jiǎn)稱TCR)容量的趨勢(shì)。在有的靜止補(bǔ)償裝置中甚至取消了TSC回路，完全由固定電容器組(簡(jiǎn)稱FC)代替。這樣為了保持靜止補(bǔ)償裝置具有連續(xù)平滑的無(wú)功功率和電壓調(diào)節(jié)特性，就需要加大并聯(lián)電抗器的總?cè)萘?。因此，電抗器的用量將越?lái)越大。
串聯(lián)在電容器回路中的阻尼電抗器除起到前面所敘述的限制涌流和高次諧波的作用外，也起到了無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?2 電抗器使用壽命的分析
電抗器在額定負(fù)載下長(zhǎng)期正常運(yùn)行的時(shí)間，就是電抗器的使用壽命。電抗器使用壽命由制造它的材料所決定。制造電抗器的材料有金屬材料和絕緣材料兩大類。金屬材料耐高溫，而絕緣材料長(zhǎng)期在較高的溫度、電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下，會(huì)逐漸失去原有的力學(xué)性能和絕緣性能，例如變脆、機(jī)械強(qiáng)度減弱、電擊穿。這個(gè)漸變的過(guò)程就是絕緣材料的老化。溫度愈高，絕緣材料的力學(xué)性能和絕緣性能減弱得越快；絕緣材料含水分愈多，老化也愈快。電抗器中的絕緣材料要承受電抗器運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)荷和周圍環(huán)境的作用，這些負(fù)荷的總和、強(qiáng)度和作用時(shí)間決定絕緣材料的使用壽命。
這些負(fù)荷包括熱性質(zhì)的、機(jī)械性質(zhì)的和電氣性質(zhì)的，周圍環(huán)境的作用指潮濕、化學(xué)污染、灰 塵和各種射線。
由于熱作用一方面可以引起化學(xué)變化，如導(dǎo)致絕緣材料原子結(jié)構(gòu)中的鏈斷裂，分子結(jié)構(gòu)改變，分離反應(yīng)和交鏈反應(yīng)；另一方面由于金屬導(dǎo)線和相鄰的絕緣材料間的熱膨脹差別很大，而產(chǎn)生機(jī)械破壞。
因電抗器運(yùn)行產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)而引起的機(jī)械負(fù)荷有壓力、拉力、伸展、振動(dòng)。強(qiáng)度太高時(shí)， 絕緣材料會(huì)產(chǎn)生撕裂拉斷，損耗大會(huì)引起發(fā)熱而產(chǎn)生破壞。周圍環(huán)境中對(duì)電抗器起破壞作用的最普遍的是溫度高、溫度波動(dòng)大和相對(duì)濕度大；其次有強(qiáng)光照射、灰塵、細(xì)沙、煙霧等；另外還有生物(如霉菌和細(xì)菌)的影響，以及一些動(dòng)物(如白蟻)的侵害。在此要提一下各種輻射對(duì)絕緣材料均有一定的破壞作用，對(duì)于聚合的絕緣材料輻射分子量增加，或者由于鏈分裂，網(wǎng)狀組織導(dǎo)致破壞。
電抗器運(yùn)行時(shí)，它的使用壽命要受到以上各種負(fù)荷和環(huán)境的影響，其中負(fù)荷和環(huán)境的影響最大，因此，在保持足夠的機(jī)械和電氣特性下，溫度穩(wěn)定性和熱狀態(tài)均被看作是電抗器設(shè)計(jì)制造質(zhì)量的重要指標(biāo)，溫度穩(wěn)定性和熱狀態(tài)的突出影響是科研人員研究熱負(fù)荷和壽命之間關(guān)系的原因。為此，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局制定了電抗器的IEC標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。表1為干式空心電抗器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升限值。從表1可以看出，各種絕緣材料的耐熱溫度與相應(yīng)溫升的差值，隨著絕緣等級(jí)的提高而增大。這是因?yàn)椴捎貌煌蜔岬燃?jí)的絕緣材料制造的電抗器，運(yùn)行時(shí)的溫升限值是不同的。當(dāng)溫升較高時(shí)，電抗器運(yùn)行時(shí)的熱流強(qiáng)度就要增大。一般來(lái)說(shuō)，部件中溫度的分布隨熱流強(qiáng)度的增加而趨于不均勻，其平均溫度與最熱點(diǎn)溫度的差值也增大。
表1 干式空心電抗器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升限值
絕緣等級(jí)
絕緣的溫度等級(jí)
(電阻法測(cè)得的平均值)
溫升限值 A
105 60 E
120
75
B
130
85
F
155
100
H
180
125
C 220
150
1 電抗器的作用
1.1 電抗器的限流和濾波作用
電網(wǎng)容量的擴(kuò)大，使得系統(tǒng)短路容量的額定值迅速增大。如在500kV變電所的低壓35kV側(cè)， 最大的三相對(duì)稱短路電流有效值已經(jīng)接近50kA。為了限制輸電線路的短路電流，保護(hù)電力設(shè)備，必須安裝電抗器，電抗器能夠減小短路電流和使短路瞬間系統(tǒng)的電壓保持不變。 在電容器回路安裝阻尼電抗器(即串聯(lián)電抗器)，電容器回路投入時(shí)起抑制涌流的作用。同時(shí)與電容器組一起組成諧波回路，起各次諧波的濾波作用。如在500kV變電所35kV無(wú)功補(bǔ)償裝置的電容器回路中，為了限制投入電容器時(shí)的涌流和抑制電力系統(tǒng)的高次諧波，在35kV電容器回路中必須安裝阻尼電抗器，抑制3次諧波時(shí)，采用額定電壓35kV，額定電感量26.2mH，額定電流350A干式空心單相戶外型阻尼電抗器，它與2.52Mvar電容器對(duì)3次諧波形成諧振回路，即3次諧波濾波回路。同樣，為了抑制5次及以上高次諧波，采用了額定電壓35kV，額定電感量9.2mH，額定電流382A單相戶外型阻尼電抗器，它與2.52Mvar電容器對(duì)5次及以上高次諧波形成諧振回路。起到了抑制高次諧波的作用，需要說(shuō)明的是，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電抗器》 GB10229—88和IEC289—88國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中均對(duì)阻尼電抗器的使用和技術(shù)條件作了規(guī)定。但目前國(guó)內(nèi)有些部門將阻尼電抗器稱為串聯(lián)電抗器，嚴(yán)格來(lái)講是不合適的，因?yàn)樯鲜鰳?biāo)準(zhǔn)中均沒(méi)有串聯(lián)電抗器這個(gè)名稱。 1.2 電抗器在無(wú)功補(bǔ)償裝置中的作用 隨著我國(guó)500kV電力系統(tǒng)的發(fā)展，以及電氣化鐵路和大型鋼鐵基地的建設(shè)，在大型樞紐變電 所中需要安裝靜止補(bǔ)償裝置的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。靜止補(bǔ)償裝置對(duì)負(fù)載突變的反映速度快(一般響應(yīng)時(shí)間為0.02～0.04s)，具有平滑的無(wú)功功率和電壓調(diào)節(jié)特性。因此它能夠穩(wěn)定電力系統(tǒng)電壓，有效地補(bǔ)償電力系統(tǒng)的無(wú)功功率系數(shù)，抑制電壓的波動(dòng)，維持電力系統(tǒng)處于三相平衡狀態(tài)，抑制電力系統(tǒng)的次同步振蕩。此外安裝在電力系統(tǒng)樞紐點(diǎn)的靜止補(bǔ)償裝置還能起降低電力系統(tǒng)暫態(tài)超壓的作用。因此各大電網(wǎng)均要求大中型變電站必須安裝電抗器來(lái)補(bǔ)償電容性的無(wú)功功率，做到就地補(bǔ)償，就地平衡，以保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
電抗器是無(wú)功補(bǔ)償中頻電源裝置的重要組成部分之一，并聯(lián)電抗器用來(lái)提供感抗值消耗電力系統(tǒng)過(guò)剩 的電容性無(wú)功功率，這在電力系統(tǒng)初期輸送功率較小的時(shí)候以及電力系統(tǒng)后期在每日深夜輕負(fù)荷的時(shí)候都是十分必要的。因?yàn)樵谏鲜鰞煞N情況下，輸電線路的無(wú)功功率損耗小，由于電容效應(yīng)，輸電線路產(chǎn)生的無(wú)功功率大于輸電線路消耗的無(wú)功功率，在整個(gè)電力系統(tǒng)中存在剩余的無(wú)功功率(電容性)，必須安裝并聯(lián)電抗器來(lái)消耗這部分剩余的無(wú)功功率，滿足電力系統(tǒng)無(wú)功平衡的需要，維持電力系統(tǒng)的電壓水平。否則電力系統(tǒng)的電壓過(guò)高，無(wú)法安全運(yùn)行。 近年來(lái)用減少靜止補(bǔ)償裝置中晶閘管的數(shù)量，來(lái)節(jié)省整個(gè)裝置的投資，有盡可能增大電容器組(簡(jiǎn)稱TSC)容量和并聯(lián)電抗器組(簡(jiǎn)稱TCR)容量的趨勢(shì)。在有的靜止補(bǔ)償裝置中甚至取消了TSC回路，完全由固定電容器組(簡(jiǎn)稱FC)代替。這樣為了保持靜止補(bǔ)償裝置具有連續(xù)平滑的無(wú)功功率和電壓調(diào)節(jié)特性，就需要加大并聯(lián)電抗器的總?cè)萘?。因此，電抗器的用量將越?lái)越大。
串聯(lián)在電容器回路中的阻尼電抗器除起到前面所敘述的限制涌流和高次諧波的作用外，也起到了無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?2 電抗器使用壽命的分析
電抗器在額定負(fù)載下長(zhǎng)期正常運(yùn)行的時(shí)間，就是電抗器的使用壽命。電抗器使用壽命由制造它的材料所決定。制造電抗器的材料有金屬材料和絕緣材料兩大類。金屬材料耐高溫，而絕緣材料長(zhǎng)期在較高的溫度、電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下，會(huì)逐漸失去原有的力學(xué)性能和絕緣性能，例如變脆、機(jī)械強(qiáng)度減弱、電擊穿。這個(gè)漸變的過(guò)程就是絕緣材料的老化。溫度愈高，絕緣材料的力學(xué)性能和絕緣性能減弱得越快；絕緣材料含水分愈多，老化也愈快。電抗器中的絕緣材料要承受電抗器運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)荷和周圍環(huán)境的作用，這些負(fù)荷的總和、強(qiáng)度和作用時(shí)間決定絕緣材料的使用壽命。
這些負(fù)荷包括熱性質(zhì)的、機(jī)械性質(zhì)的和電氣性質(zhì)的，周圍環(huán)境的作用指潮濕、化學(xué)污染、灰 塵和各種射線。
由于熱作用一方面可以引起化學(xué)變化，如導(dǎo)致絕緣材料原子結(jié)構(gòu)中的鏈斷裂，分子結(jié)構(gòu)改變，分離反應(yīng)和交鏈反應(yīng)；另一方面由于金屬導(dǎo)線和相鄰的絕緣材料間的熱膨脹差別很大，而產(chǎn)生機(jī)械破壞。
因電抗器運(yùn)行產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)而引起的機(jī)械負(fù)荷有壓力、拉力、伸展、振動(dòng)。強(qiáng)度太高時(shí)， 絕緣材料會(huì)產(chǎn)生撕裂拉斷，損耗大會(huì)引起發(fā)熱而產(chǎn)生破壞。周圍環(huán)境中對(duì)電抗器起破壞作用的最普遍的是溫度高、溫度波動(dòng)大和相對(duì)濕度大；其次有強(qiáng)光照射、灰塵、細(xì)沙、煙霧等；另外還有生物(如霉菌和細(xì)菌)的影響，以及一些動(dòng)物(如白蟻)的侵害。在此要提一下各種輻射對(duì)絕緣材料均有一定的破壞作用，對(duì)于聚合的絕緣材料輻射分子量增加，或者由于鏈分裂，網(wǎng)狀組織導(dǎo)致破壞。
電抗器運(yùn)行時(shí)，它的使用壽命要受到以上各種負(fù)荷和環(huán)境的影響，其中負(fù)荷和環(huán)境的影響最大，因此，在保持足夠的機(jī)械和電氣特性下，溫度穩(wěn)定性和熱狀態(tài)均被看作是電抗器設(shè)計(jì)制造質(zhì)量的重要指標(biāo)，溫度穩(wěn)定性和熱狀態(tài)的突出影響是科研人員研究熱負(fù)荷和壽命之間關(guān)系的原因。為此，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局制定了電抗器的IEC標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。表1為干式空心電抗器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升限值。從表1可以看出，各種絕緣材料的耐熱溫度與相應(yīng)溫升的差值，隨著絕緣等級(jí)的提高而增大。這是因?yàn)椴捎貌煌蜔岬燃?jí)的絕緣材料制造的電抗器，運(yùn)行時(shí)的溫升限值是不同的。當(dāng)溫升較高時(shí)，電抗器運(yùn)行時(shí)的熱流強(qiáng)度就要增大。一般來(lái)說(shuō)，部件中溫度的分布隨熱流強(qiáng)度的增加而趨于不均勻，其平均溫度與最熱點(diǎn)溫度的差值也增大。
表1 干式空心電抗器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升限值
絕緣等級(jí)
絕緣的溫度等級(jí)
(電阻法測(cè)得的平均值)
溫升限值 A
105 60 E
120
75
B
130
85
F
155
100
H
180
125
C 220
150
