干式空芯电抗器的应用和寿命

引言
　  干式空芯电抗器是当前世界上发展的新型电抗器，具有结构简单、重量轻、损耗低、线性度好、噪声小、维护方便等特点。在 50 年代，国、内外的限流用的干式空芯电抗器均采用水泥电抗器，而电力系统无功补偿用的并联电抗器多采用油浸式铁芯电抗器。由于水泥电抗器的水泥柱中易留有空隙，吸吵后发生绝缘击穿的问题。随着技术的进步与材料的发展，由加拿大 TRENCH 公司于 60 年代初首先研制了环氧浸渍玻璃纤维包封的干式空芯电抗器。目前国外生产厂家有 TRENCH 、 HABB 、 HAEFLY 和 SPEZIELEKTRA ，其中，产品在世界上覆盖率高的是 TRENCH 和 SPEZIELEKTRA ，其技术水平相当，*大无功容量达 600MVar ，*高电压等级已达 765kV 。国内开发研制干式空芯电抗器起步较晚，于 90 年代初北京电力设备总厂和西安杨子电器厂开始生产此类产品，目前并联电抗器的*高额定电压等级为 63kV ，*大无功容量为 120MVar ，电力阻波器的额定电压 500kV 。上海 MWB 互感器有限公司已于 2000 年引进了 TRENCH 的干式空芯电抗器技术及相关工艺装备，其干式空芯电抗器的设计、工艺、制造水平与加拿大 TRENCH 相当，各类干式空芯电抗器的年生产能力可达到 5000MVar 。

　  随着电网建设及输变电技术发展的需要，采用环氧浸渍玻璃纤维包封的干式空芯电抗器替代水泥电抗器与铁芯电抗器是重要的发展趋势，本文仅就干式空芯电抗器（以下简称电抗器）的作用和使用寿命作一分析。

电抗器的作用
电抗器的限流和滤波作用
　  电网容量的扩大，使系统短路容量的额定值迅速增大。如在 500kV 变电站的 35kV 侧，*大的三相对称短路电流有效值已接近 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），在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滤波器，起各次谐波的滤波作用。如：在 500kV 变电站 35kV 侧无功补偿装置的电容器回路中，为了限制投入电容器组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。当电容器组的额定容量为了 2.52MVar 时，组成 3 次谐波和 5 次谐波滤波支路的电抗器的额定电感分别为 26.2mH 和 9.2mH ，其对地绝缘水平为 35kV 级。需要说明的是，在国家标准《电抗器》 GB10229—88 和 IEC289—88 中均对阻尼电抗器的使用和技术条件作了详细规定。但国内有些部门将阻尼电抗器称为串联电抗器，严格来讲这是不合适的，因为上述标准中均设有串联电抗器这个名称。

　 电抗器在无功补偿装置中的应用

　  随着我国 500kV 电力系统的发展，在大型枢纽变电所中需要安装静止无功补偿装置的趋势越来越明显。静止无功补偿装置对负载突变的反应速度快（一般响应时间为 10~20ms ），具有平滑的无功功率和电压调节特性。因它能够稳定电力系统的电压，有效的改善电力系统的功率因数，抑制电压波动，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无功补偿装置还能起降低电力系统稳态起超压的作用。因此各大电网中均要求大、中型变电站必须安装电抗器来补偿电容性的无功功率，以保证电力系统的安全运行。

　  并联电抗器是无功补偿装置的重要组成部分，用来提高感性无功以平衡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及后期每日深夜轻负荷时都是十分必要的。因为在上述两种情况下，输电线路的电感性无功功率小，由于电容效应，输电线路产生的容性充电功率大于输电线路吸收的电感性无功功率，满足电力系统无功平衡的需要，维持电力系统的电压水平。否则电力系统电压过高，将无法保证安全运行。

　  近年来用减少静止无功补偿装置中晶闸管的数量，来减少整个装置的投资，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。在有的静止无功功率补偿装置甚*取消了 TSC 支路，完全由固定电容器组（简称 FC ）代替。这样，为了保持静止无功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，并联电抗器的用量有增加的趋势。

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时间，就是电抗器的使用寿命。电抗器使用寿命由材料所决定。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、机械强度降低、电击穿。这个渐变过程就是绝缘材料的老化。温度越高，绝缘材料的力学性能和绝缘性能减弱的越快；绝缘材料含水量越大，老化也越快。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，以及周围环境的温度、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，如导致绝缘材料分子结构中的链断裂，分离反应和交链反应；另一方面由于金属导线和相邻绝缘材料间的热膨胀系数差别较大，而产生机械挤压破坏。

　  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、振动等。承受的机械应力高于临界值时，绝缘材料会产生断裂。周围环境中对电抗器起破坏作用的*显著的因素是温度高、湿度大；其次是强光照射、尘埃、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。尤其是在户外条件下的紫外线辐射，会加速有机聚合物的绝缘材料的老化。

　  电抗器运行时，它的使用寿命要受到上述各种负荷和环境的影响，其中热负荷和环境的影响*大。因为，在保持足够的机械和电气特性下，电抗器绕组的热稳定温升被认为是其*主要的性能指标之一。为此， IEC 及相关的国家标准中均对采用各种不同耐温等级绝缘材料的电抗器的工作温升限值规定如表列所示。当温升较高时，电抗器运行时的热流强度的增加而趋于不均匀，其平均温度与*热点温度的差值也增大。

　  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*热点温升和平均温升之分，电抗器绕组的温升限值以其*热点温升为准，平均温升是评价设计是否合理和经济性能优劣的重要指标。平均温升与与*热点温升之间有一定的规律性联系，电抗器绕组绝缘的热寿命和绝缘是否受损应用绕组*热点温升来决定。而不是平均温升来决定。干式空芯电抗器的使用寿命根据蒙特申格尔（ Montsingey ）的寿命定律来计算：

　 （ 1 ）上式中， T 为绝缘材料的使用寿命； A 为常数（根据电抗器所用绝缘材料的耐温等级确定）； θ 为常数，约为 0.88 ； θ 为绝缘材料的实际工作温度。

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。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 
　  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，若电抗器绕组的*热点温度比所用绝缘材料的*高允许温度低，则绝缘材料老化缓慢，寿命延长。反之则绝缘老化加速，寿命缩短。对于电抗器的整个寿命而言，这一绝缘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少一半或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 ℃ 规律， H 级一般称为 12 ℃ 规律。

　  综上所述，每种绝缘材料均有其耐受的绝缘*高温度，当电抗器绕组的*热点温度超过***高温度时，绝缘材料将迅速碳化而丧失绝缘性能和力学性能。因此若电抗器经常过负荷运行时，一定要在定货时与制造厂协商，在设计时考虑经常过负荷的工作状态，保证电抗器必要的运行寿命。