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40年来电抗器技术的发展状况

2015-12-16

1、前言

在这40年里,电抗器产品的设计、制造技术有了长足的发展。电抗器的先进设计、制造技术、试验方法和运行维护经验,在行业内、在电力部门等用户中得到了传播和交流,从而促进了电抗器产品的技术进步。在这里对40年来各种电抗器的发展状况和发展趋势加以介绍。

2、并联电抗器

发电机满负载试验用的电抗器是并联电抗器的雏型。1967年上海电机厂的技术人员在原有的三相油浸铁心式电抗器的基础上对其进行技术改造,生产了同类型60Mvar电抗器。该产品首次采用了辐射式铁心饼和用弹簧强力压紧装置压紧铁心柱,使并联电抗器的振动和噪声有所降低。

1970年我国开始在西北地区建设第一条330kV超高压线路,西安变压器厂(西安西电变压器有限责任公司前身,以下简称西变)为之提供了3X30Mvar/363kV并联电抗器。为了便于单相重合闸,消除单相接地故障以后的潜供电弧电流,超高压电抗器除了设置中性点电抗外,还要求减少相间耦合,因此都用单相。为了减少漏磁,30Mvar电抗器为单柱带磁轭回路,不但铁心饼为辐射式,磁轭回路也辐射排列。

1980年,我国第一条用国产设备装备的500kV线路的元宝山-辽阳-锦州段在锦州设置了3X40Mvar/500kV并联电抗器。当时为了使500kV绕组具有更大的纵绝缘裕度,绕组二柱串联,故电抗器为二柱铁心式。尽管磁通密度选用偏低,但由于当时工艺条件差,铁心饼浇注工艺落后,运行中噪声仍接近90dB。

以上早年生产的330kV/500kV并联电抗器迄今均仍在运行中。

1985年,以技贸结合方式从阿尔斯通公司引进技术生产的50Mvar/550kV电抗器在晋-京房山-大同线上投运。这批电抗器的重大改进在于:

(1)铁心饼密实,浇注良好;
(2)用更为密实的间隙材料;
(3)铁心柱强力压紧。

改进以后的电抗器噪声水平降低到80dB以下。但由于电抗器的技术要求,饱和以后的电压--电流特性曲线的斜率为饱和前的2/3,因此其空心电感值很大,漏磁相应就很大。运行后有低温过热现象。投运不久,在色谱分析中总烃、氢含量即达到注意值,干扰了正常的对电抗器故障的判断。阿尔斯通公司生产的产品也存在同样的问题。西变于1990年解剖了一台返厂的产品,查找问题所在,采取措施,降低了高磁场强度处的涡流,并相应改善了冷却条件,局部过热现象得以消除。迄今,西变共生产此类500kV级并联电抗器近300台,最高年产80台电抗器,规格有40Mvar、50Mvar、60Mvar,最近还生产了70Mvar的电抗器,投运后均运行正常。低损耗的50Mvar?500kV并联电抗器总损耗由160kW降低到100kW(饱和后斜率相应降低到40%-50%),噪声在75dB左右。近年来沈阳变压器厂(以下简称沈变)也开始生产同样规格的500kV并联电抗器,也是分段铁心式。保定天威集团则引进日本三菱公司技术生产了500kV壳式空心并联电抗器。

在一些开关站,要求超高压并联电抗器能同时供站用电,为此提出要求提供抽能式电抗器。抽能式电抗器的实质是在并联电抗器内设置一个小容量的低压二次绕组,但一、二次绕组间要有足够的阻抗;使低压侧即使短路也不会影响并联电抗器的正常工作。

除了上述直接接在超高压线路上的(一般不经断路器)超高压并联电抗器外,还有接在超高压升/降压站变压器三次侧的l0V~63kV中压并联电抗器,其容量一般为三相30Mvar或45Mvar。一个变电站最多可装6~8组,同样用于无功补偿。根据用户要求可以是油浸铁心式或干式空心式,后者用于单相组。空心干式电抗器也是户外装置,以减少磁场对建筑物的影响。但户外装置对干式电抗器所用绝缘材料的耐候性要求较高,往往不够理想。这类干式空心电抗器早年进口较多。20世纪(以下省略)90年代以来,国内北京电力修造厂、扬子电气公司也开始生产,采用的都是多层并联、聚脂薄膜匝绝缘、环氧树脂包封的技术。西安交通大学等为之开发了相应的计算软件。

随着大城市地下电缆配电系统的不断扩展,电缆容性充电电流引起的轻负荷期的电压升高也日益引起重视。一些供电部门要求装设10kV、35kV三相铁心式并联电抗器,容量为5Mvar~10Mvar。为了与配电装置相适应,这些电抗器都要求装在室内。采用铁心式的目的是为了减少漏磁对建筑物的影响。为适应无油化趋势,又要求为干式。顺德特种变压器厂(顺特电气有限公司前身)于90年代开发了此类产品。

铁心式电抗器由于分段铁心饼之间存在着交变磁场的吸引力,因此尽管采取了各项措施,其噪声一般要比同容量变压器高出10dB左右。

用于静止补偿的TCR晶闸管相控电抗器就其作用来说,可归人并联电抗器一类。国内自80年代以来生产了若干套静止补偿的晶闸管相控电抗器,多由西安电力机械制造公司和电力科学院成套,相控电抗器为空心干式。

3、限流电抗器

限流电抗器一般用于配电线路。从同一母线引出的分支馈线上往往串有限流电抗器,以限制馈线的短路电流,并维持母线电压,不致因馈线短路而致过低。50年代初,沈变就开始生产用水泥电抗器电缆绕制的各种规格10kV级限流电抗器,绕组绕完后用混凝土浇注使其成为整体。限流电抗器本身容量并不大,一般在2.5Mvar以下,但要承受最多可达额定电流25倍的短路电流下的动、热稳定。因为要限流,电感值在很大电流范围内应为线性,所以都是空心干式。

90年代以后,随着多层并联、环氧树脂包封技术的发展,限流电抗器多数采用干式空心并联电抗器相同的技术生产,由环氧玻璃丝来确保短路时的动稳定。

根据我国电力系统的中性点接地方式,只有500kV系统采用中性点小电抗接地。这种小电抗正常工作时实质上只有很小的不平衡电流通过,但在系统单相接地故障时却要求承受巨大短路电流下的动、热稳定。这种电抗器容量不大,用量不多,但要求可靠性高,目前多数用油浸空心式,外加屏蔽。

启动电抗器用来限制大型电动机的启动电流,启动完成即退出。与自耦变压器启动方式相比,电动机的启动比较平稳。因其工作时间很短(规定为2min),所以电流密度可以很高,电抗器尺寸不大。就其功能来说,也可归于限流一类。

4、阻尼电抗器

阻尼电抗器(通常也称串联电抗器)与电容器组或密集型电容器相串联,用以限制电容器的合闸涌流。就这一点来说,其作用与限流电抗器相类似。一般来说,如仅仅是为了限制合闸涌流,只要相当于电容器组容抗值1%的感抗就够了。如系统有5次或以上谐波,则采用

4 5%-6%的感抗;如系统有3次谐波,则取12%。其目的是为了使电容器回路对谐波呈感性,因此使系统原有谐波不致因增设电容器回路而放大。阻尼电抗器的过载能力应与电容器的过载能力相适应,而在合闸瞬间,电抗器首末端之间要耐受几乎全部系统电压,并要能承受合闸涌流作用下的动、热稳定。为此,行业标准对此作出了严格的规定。70年代,宁波变压器厂就试制了铁心式三相阻尼电抗器并形成系列。现在,铁心式(油浸或干式)和空心式(干式)阻尼电抗器都在使用。很多电容器生产厂自己生产阻尼电抗器与其电容器配套。

5、滤波电抗器

滤波电抗器与滤波电容器串联组成谐振滤波器,一般用于3次至17次的谐振滤波或更高次的高通滤波。直流输电线路的换流站、相控型静止补偿装置、中大型整流装置、电气化铁道,以至于所有大功率晶闸管控制的电力电子电路都是谐波电流源,必须加以滤除,不让其进入系统。电力部门对于电力系统中的谐波有具体规定。近年来电网受谐波电流源的威胁愈来愈严重,因此滤波是不可少的。迄今,超高压直流输电工程滤波装置均由国外工程总承包商承包,其它方面的滤波电抗器则均由国内电抗器专业生产企业提供。滤波电抗器的电抗值通常要求能在一定范围内可调,以使与电容器相配合。对其品质因素Q值也有一定要求,以满足滤波装置的频率特性。滤波电抗器通常为空心干式,也可以做成铁心式。超高压直流输电换流站的交、直流侧滤波装置因为数量众多,均设于户外,占地范围相当大。

6、消弧线圈

消弧线圈广泛用于我国lOkV~6kV级的谐振接地系统。除了在一些沿海大城市,因电缆线路的普及而有采用中性点小电阻接地的倾向外,目前我国大部分地区10kV~66kV系统都是中性点不接地的。在这些系统中,特别对于架空线路,绝大多数单相接地故障是暂时性的弧光接地,但继发性的线间和线-地电容所形成的故障点容性工频续流却使弧光持续以至使故障扩大。此时接在系统中性点和地之间的消弧线圈因中性点位移而流过感性电流抵消了容性工频续流而使弧光熄灭,使线路恢复正常工作。上海电机厂为常州至南京升压到66kV的线路提供了我国第一台1900kVA,66/√3 kV 25A~50A消弧线圈,此后系列生产175kVA-3800kVA 10kV-66kV级的消弧线圈。60年代中期以后北京电力修造厂成为消弧线圈的主要生产厂。

80年代后期,上海交通大学、山东大学等致力于消弧线圈自动调谐、自动选线功能的开发。10kV~66kV输电线路总是带有分支,运行中要切换,切换以后线路电容有所改变。有自动调谐功能的消弧线圈在线路切换以后可自动变换分接位置以达到合适的感抗值,使之与线路电容始终匹配。有自动选线功能的消弧线圈则可以在若干条线路中自动选出不能成功消弧的非弧光接地永久性故障段而予以切除。具有自动调谐自动选线功能的消弧线圈更适合于无人值班变电所,进入90年代,一些专业厂如上海思源电气公司等已能成套供应。

由于变电所的无油化倾向,因此35kV以下的消弧线圈现很多是干式浇注型。

7、接地变压器

接地变压器为原本无中性点引出端子的系统提供一个人为的中性点。严格来说,接地变压器本质上不是变压器而是一台绕组为ZN结法的电抗器,其N端引出端子就是人为中性点。采用ZN结法的目的是减小零序阻抗至合理值。接地变压器的引入不应对系统的零序阻抗有重大的改变。接地变压器可以用于中性点不接地系统,此时其中性点一般接消弧线圈,也可以用于中性点小电阻接地系统,此时其中性点经由小电阻接地。在10kV系统中,因电力变压器的二次10kV绕组经常为三角联结,所以接地变压器用得较多。某些地区,例如上海,35kV变电所的主变,其35kV侧有时也为三角联结,此时就接额定接地电流为lkA、2kA的接地变压器,再经小电阻接地。

也有一些变电所的接地变压器要兼具所用变功能,为此就增加一个400V的yn联结绕组,组成YNyn联结组。

生产消弧线圈的厂家一般成套供接地变。同样由于变电所无油化的倾向,因此很多接地变是干式浇注型。

发电厂自用电系统多数为高电阻接地系统,更多选用五柱式接地变压器。这种变压器有一个零序二次绕组,其端子间接有电阻。单相接地故障时,二次绕组中感生的零序电流通过电阻,起到阻尼过电压的作用。

8、平波电抗器

平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的,在输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的,需要由平波电抗器加以抑制。直流输电的换流站都装有平波电抗器,使输出的直流接近于理想直流。1985年我国第一条镇海-舟山±l00kV跨海直流输电线路上的100kV/500A平波电抗器为西变所试制。1988年我国第一条~500kV/2x600MW葛洲坝-南桥直流输电线路上的500kV/1200A平波电抗器是由BBC公司成套供应,为干式户外型,由支柱绝缘子支起。现在即将投运的三峡-常州和三峡-广东~500kV/2X1500MW直流输电线路中所用的500kV、3000A平波电抗器是由ABB公司和西变合作生产的,为油浸铁心式。500kV平波电抗器的尺寸、重量都很大。

直流供电的晶闸管电气传动中,平波电抗器也是不可少的。因为脉动的直流输出电压中所包含的谐波分量在直流电动机内造成不必要的损耗和发热,谐波中的负序分量则产生反向力矩,而且当晶闸管深控时,若脉动的直流输出电压的瞬时值低于电动机的反电势,将使电流不连续。

电力机车上的车载27.5kV整流变压器虽然只有几千kVA,但因为单相供电,脉动大,要求平波电抗器的电感量大,所以其尺寸重量差不多与主变压器相当。株洲电力机车厂批量生产此种电抗器已有多年了。

9、直流控制的饱和电抗器

直流控制的饱和电抗器属于另类的电抗器。串在电路中的扼流式或自饱和饱和电抗器,其作用不能简单地看作串人一个可变电感。在电压正弦波的周期内,饱和电抗器在饱和前吸收了一定的伏-秒,达到饱和,以后就呈全开放状态。因此其输出电压是非正弦的,这种饱和电抗器的作用与晶闸管相似。60年代中,上海调压器厂曾致力于扼流式饱和电抗器的开发,后来随着晶闸管的广泛应用,已完全被取代。但与二极管整流的整流变压器配套的自饱和式饱和电抗器一直延用至今。整流输出电压由设在桥臂的自饱和电抗器经由直流控制来实现小范围调节(一般为输出额定电压的5%-15%)。调压范围不大时,比用可控硅更为经济。自饱和电抗器可以与整流变压器共箱,也可以单独设置,由变压器生产厂成套提供。

其它类型的直流控制饱和电抗器用得较少,这里不赘述。

10、可控电抗器

可控电抗器是几年来的热门话题。并联电抗器用于抑制超高压长线末端空载或轻载时的电压升高,随着负荷的增加,并联电抗器的补偿容量可以减少甚至切除。但如果线路有扰动以致负荷跳闸时,则又要求立即投入。因此,如果并联电抗器能做到容量可调,且能快速反应,则更为理想。随着紧凑型线路的引入,这一要求显得更为迫切。80年代后期,一些前苏联学者研究紧凑型线路,减小线间距离,由此增加线路电容,减小电感,降低波阻抗,进而可以成倍增加同一电压等级能输送的自然功率。在这种线路上,用以补偿容性电流的并联电抗器容量更大,抑制工频电压升高的要求更高,所以问题更为突出。有几种方式可以实现这一目的,但迄今还不能说是足够理想,尚需在探索中进一步加以完善。西变于2001年试制了一台10kV/300kyat单相高阻抗型可控电抗器样机。沈变和长江变压器厂分别试制了单 6000kvar/35kV和2400kvar/10kV磁阀式可控电抗器样机,并已在电气化铁道中试运行。

随着我国国民经济的快速发展,电抗器的应用必然将越来越广泛,新开发的产品也将不断涌现。

11、电抗器产品的发展展望

电能是最清洁又容易受控的能源,而电抗器作为无功补偿手段,在电力系统中是不可缺少的。随着我国现代化进程的加快,无论是装机容量或用电总量都将进人世界第2位,特别是近2~3年内,城乡缺电再度成为经济发展的瓶颈,加快电力建设势在必行,电抗器的需求相应增长。就并联电抗器而言,西变2003年生产500kV并联电抗器80余台,预计2004年还会有增长。

从技术角度来看,紧凑型线路由于其输送容量大、线路走廊占地少而成为今后的发展趋势。昌房试验线段已积累了一定经验,并通过验收鉴定。由于紧凑型线路电容的增大,需要的无功补偿电抗器容量也就更多,对于可控电抗器的要求也更为迫切。磁阀式可控电抗器由于晶闸管控制功率小,谐波含量低,相对有一定优势。

因为户内安装的中压干式铁心式并联电抗器装设在居民稠密区,所以最需要解决的是噪声问题。

用于户外的干式空心电抗器最需要提高的是绝缘材料的耐候性。

节能是一个永恒的课题。现在国内对于1l0kV、220kV输电线路空载损耗的评价值最高为30000元/(kW·h)。对于电抗器来说,其总损耗就属于空载损耗的范畴,所以低损耗的要求是可以理解的。

10kV级干式限流电抗器,近年来其用途日趋狭窄。现在由于断路器开断能力和其它性能方面的提高,l0kV配电装置的小型化,以及变电所主变压器承受短路能力的加强,在变电所设计中已趋向于不再装设早年串在母线分支馈线中的那种限流电抗器。

工业用途的电抗器随着各行各业的技术进步,近年来在需求方面有一些变化。电弧炉变压器以前容量大于10MVA就不需要带串联电抗器,其二次侧短网阻抗足以稳定电弧并限制短路电流。近年来电弧炉单台容量不断增大,以及超高功率的发展,以致不得不提高变压器二次电压,否则二次电流太大。150t超高功率电弧炉由150MVA变压器供电,其二次电压为1200V,二次电流72kA。炉内喷炭粉,一氧化碳造泡沫渣的技术已使长弧熔炼成为可能。矿渣泡沫足以保护炉衬使其不受电弧侵蚀。因此二次电压普遍提高到1000V左右,这样,短路阻抗标么值就降低。为稳定长弧,大容量电弧炉也就需要变压器额定容量为20%右的串联电抗器。串联电抗器一般单独设置,不与变压器共箱。

随着晶闸管的广泛应用,电解整流装置中,自饱和饱和电抗器有逐渐被取代之势。用晶闸管代替二极管整流,由晶闸管微调电压,同样起到饱和电抗器的作用,而又免除了饱和电抗器带来的损耗和噪声。随着电力电子技术的进步,在经济上晶闸管代替二极管也是可行的。目前至少在化工电解方面已非常普遍采用晶闸管,铝电解方面则还在沿用饱和电抗器。

但是,利用铁磁材料的非线性特性,通过不同方式来控制电压,控制无功仍然有其发展前途。再说,电力电子技术的发展会对电力系统和电力装备带来很多变化,但作为无功补偿元件的电抗器仍然是不可缺少的。