干式電抗器的壽命和應(yīng)用分析

      國內(nèi)開發(fā)研制干式空芯電抗器起步較晚，于90年代初北京電力設(shè)備總廠和西安楊子電器廠開始生產(chǎn)此類產(chǎn)品，目前并聯(lián)電抗器的最高額定電壓等級為63kV，最大無功容量為120MVar，電力阻波器的額定電壓500kV。上海MWB互感器有限公司已于2000年引進了TRENCH的干式空芯電抗器技術(shù)及相關(guān)工藝裝備，其干式空芯電抗器的設(shè)計、工藝、制造水平與加拿大TRENCH相當，各類干式空芯電抗器的年生產(chǎn)能力可達到5000MVar。

　　隨著電網(wǎng)建設(shè)及輸變電技術(shù)發(fā)展的需要，采用環(huán)氧浸漬玻璃纖維包封的干式空芯電抗器替代水泥電抗器與鐵芯電抗器是重要的發(fā)展趨勢，本文僅就干式空芯電抗器（以下簡稱電抗器）的作用和使用壽命作一分析。

　　電抗器的作用：電抗器的限流和濾波作用

　　電網(wǎng)容量的擴大，使系統(tǒng)短路容量的額定值迅速增大。如在500kV變電站的35kV側(cè)，最大的三相對稱短路電流有效值已接近50kA。為了限制輸電線路的短路電流，保護電力設(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），在電容器回路投入時起抑制涌流的作用。同時與電容器組一起組成濾波器，起各次諧波的濾波作用。如：在500kV變電站35kV側(cè)無功補償裝置的電容器回路中，為了限制投入電容器組時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。當電容器組的額定容量為了2.52MVar時，組成3次諧波和5次諧波濾波支路的電抗器的額定電感分別為26.2mH和9.2mH，其對地絕緣水平為35kV級。需要說明的是，在國家標準《電抗器》GB10229—88和IEC289—88中均對阻尼電抗器的使用和技術(shù)條件作了詳細規(guī)定。但國內(nèi)有些部門將阻尼電抗器稱為串聯(lián)電抗器，嚴格來講這是不合適的，因為上述標準中均設(shè)有串聯(lián)電抗器這個名稱。

　　
    電抗器使用壽命的分析

　　電抗器在額定負載下長期正常運行時間，就是電抗器的使用壽命。電抗器使用壽命由材料所決定。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，而絕緣材料長期在較高的溫度、電場和磁場作用下，會逐漸失去原有的力學性能和絕緣性能，例如變脆、機械強度降低、電擊穿。這個漸變過程就是絕緣材料的老化。溫度越高，絕緣材料的力學性能和絕緣性能減弱的越快；絕緣材料含水量越大，老化也越快。電抗器中的絕緣材料要承受電抗器運行產(chǎn)生的負荷和周圍環(huán)境的作用，這些負荷的總和、強度和作用時間決定絕緣材料的使用壽命。

　　這些負荷包括熱性質(zhì)的、機械性質(zhì)的和電氣性質(zhì)的，以及周圍環(huán)境的溫度、化學污染、灰塵和各種射線。

　　由于熱作用一方面可以引起化學變化，如導致絕緣材料分子結(jié)構(gòu)中的鏈斷裂，分離反應(yīng)和交鏈反應(yīng)；另一方面由于金屬導線和相鄰絕緣材料間的熱膨脹系數(shù)差別較大，而產(chǎn)生機械擠壓破壞。

　　因電抗器運行產(chǎn)生的交變磁場而引起的機械負荷有壓力、拉力、伸展、振動等。承受的機械應(yīng)力高于臨界值時，絕緣材料會產(chǎn)生斷裂。周圍環(huán)境中對電抗器起破壞作用的最顯著的因素是溫度高、濕度大；其次是強光照射、塵埃、細沙、煙霧等；另外還有生物（如霉菌和細菌）的影響，以及一些動物（如白蟻）的侵害。尤其是在戶外條件下的紫外線輻射，會加速有機聚合物的絕緣材料的老化。

　　電抗器運行時，它的使用壽命要受到上述各種負荷和環(huán)境的影響，其中熱負荷和環(huán)境的影響最大。因為，在保持足夠的機械和電氣特性下，電抗器繞組的熱穩(wěn)定溫升被認為是其最主要的性能指標之一。為此，IEC及相關(guān)的國家標準中均對采用各種不同耐溫等級絕緣材料的電抗器的工作溫升限值規(guī)定如表列所示。當溫升較高時，電抗器運行時的熱流強度的增加而趨于不均勻，其平均溫度與最熱點溫度的差值也增大。

　　電抗器運行時，它的繞組既是導熱介質(zhì)、又是熱源，它的溫度一般來說在空間上總是按一定規(guī)律呈曲線分布。這樣就有了最熱點溫升和平均溫升之分，電抗器繞組的溫升限值以其最熱點溫升為準，平均溫升是評價設(shè)計是否合理和經(jīng)濟性能優(yōu)劣的重要指標。平均溫升與與最熱點溫升之間有一定的規(guī)律性聯(lián)系，電抗器繞組絕緣的熱壽命和絕緣是否受損應(yīng)用繞組最熱點溫升來決定。而不是平均溫升來決定。干式空芯電抗器的使用壽命根據(jù)蒙特申格爾（Montsingey）的壽命定律來計算。

　　上式中，T為絕緣材料的使用壽命；A為常數(shù)（根據(jù)電抗器所用絕緣材料的耐溫等級確定）；θ為常數(shù)，約為0.88；θ為絕緣材料的實際工作溫度。

　　對于蒙特申格爾壽命定律的半對數(shù)θ＝f(lnT),得到含有方向常數(shù)（-1/α）的直線，該直線如圖所示，這就是繞組的壽命（繞組耐熱等級為A，B和H）與繞組工作溫度的函數(shù)關(guān)系。

　　從式（1）和圖中可以看出，每種絕緣材料都有一個固定的溫度變化值。在某一統(tǒng)計期內(nèi)，若電抗器繞組的最熱點溫度比所用絕緣材料的最高允許溫度低，則絕緣材料老化緩慢，壽命延長。反之則絕緣老化加速，壽命縮短。對于電抗器的整個壽命而言，這一絕緣壽命的延長或縮短便構(gòu)成了壽命的補償。每種絕緣材料的壽命減少一半或增加一倍的溫度變化值是固定不變的。該溫度變化值對于A級為8℃，對于B級為8~10℃，對于H級為12℃。由于A級的Δθ＝8℃。因而蒙特申格爾壽命定律還稱為8℃規(guī)律，H級一般稱為12℃規(guī)律。

      電抗器在無功補償裝置中的應(yīng)用

　　隨著我國500kV電力系統(tǒng)的發(fā)展，在大型樞紐變電所中需要安裝靜止無功補償裝置的趨勢越來越明顯。靜止無功補償裝置對負載突變的反應(yīng)速度快（一般響應(yīng)時間為10~20ms），具有平滑的無功功率和電壓調(diào)節(jié)特性。因它能夠穩(wěn)定電力系統(tǒng)的電壓，有效的改善電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，抑制電壓波動，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)樞紐點的靜止無功補償裝置還能起降低電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)起超壓的作用。因此各大電網(wǎng)中均要求大、中型變電站必須安裝電抗器來補償電容性的無功功率，以保證電力系統(tǒng)的安全運行。
 
      并聯(lián)電抗器是無功補償裝置的重要組成部分，用來提高感性無功以平衡電力系統(tǒng)過剩的電容性無功功率，這在電力系統(tǒng)初期輸送功率較小及后期每日深夜輕負荷時都是十分必要的。因為在上述兩種情況下，輸電線路的電感性無功功率小，由于電容效應(yīng)，輸電線路產(chǎn)生的容性充電功率大于輸電線路吸收的電感性無功功率，滿足電力系統(tǒng)無功平衡的需要，維持電力系統(tǒng)的電壓水平。否則電力系統(tǒng)電壓過高，將無法保證安全運行。

　　近年來用減少靜止無功補償裝置中晶閘管的數(shù)量，來減少整個裝置的投資，有盡可能增大電容器組（簡稱TSC）容量和并聯(lián)電抗器組（簡稱TCR）容量的趨勢。在有的靜止無功功率補償裝置甚至取消了TSC支路，完全由固定電容器組（簡稱FC）代替。這樣，為了保持靜止無功補償裝置具有連續(xù)平滑的無功功率和電壓調(diào)節(jié)特性，就需要加大并聯(lián)電抗器的總?cè)萘�。因此，并�?lián)電抗器的用量有增加的趨勢。

　　綜上所述，每種絕緣材料均有其耐受的絕緣最高溫度，當電抗器繞組的最熱點溫度超過絕對最高溫度時，絕緣材料將迅速碳化而喪失絕緣性能和力學性能。因此若電抗器經(jīng)常過負荷運行時，一定要在定貨時與制造廠協(xié)商，在設(shè)計時考慮經(jīng)常過負荷的工作狀態(tài)，保證電抗器必要的運行壽命。