并聯(lián)電抗器在電網(wǎng)中的作用及應(yīng)用

隨著我國(guó)電力工業(yè)的速發(fā)展，大電網(wǎng)互聯(lián)已成為必然的趨勢(shì)，同時(shí)，負(fù)荷的大幅度增長(zhǎng)，在大電網(wǎng)中安裝-定數(shù)量的感性無功補(bǔ)償裝置就變得尤為重要，其目的主要是補(bǔ)償容性充電功率，在輕負(fù)荷時(shí)吸收無功功率、控制無功潮流、穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行電壓，從而降低系統(tǒng)損耗、提高系統(tǒng)供電效率，進(jìn)一步改善電壓質(zhì)量，維持輸電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

電抗器作為無功補(bǔ)償手段，在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、發(fā)送電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

無功補(bǔ)償是保證電壓合格的重要因素，無功補(bǔ)償又為容性補(bǔ)償和感性補(bǔ)償，缺容性無功，電壓偏低，缺感性無功，則會(huì)出現(xiàn)電壓偏高。電力系統(tǒng)的容性無功補(bǔ)償，從高壓到低壓，從變電所的集中補(bǔ)償?shù)接脩舻姆稚⒕偷匮a(bǔ)償，以及設(shè)備制造、運(yùn)行管理、科研標(biāo)準(zhǔn)化工作，已有全面提高。感性無功補(bǔ)償是隨超高壓電網(wǎng)的建立而發(fā)展起來的。因此，感性無功補(bǔ)償起步稍晚一些，在工程應(yīng)用上，不少技術(shù)問題有待進(jìn)行研究，標(biāo)準(zhǔn)化工作開展得不多。

1感性無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展和作用

20世紀(jì)70年代中國(guó)開始建立超高壓電網(wǎng)，超高壓輸電線路中有大量的容性充電功率，如500 kV線路每百公里充電功率達(dá)11～115 MVA。充電功率起因于架空輸電線路的分布電容，所以，它是容性的。容性充電功率的存在，使電力系統(tǒng)產(chǎn)生諸多問題，必須進(jìn)行感性無功補(bǔ)償，即吸收充電功率，從而需要在電網(wǎng)中裝設(shè)并聯(lián)電抗器。中國(guó)并聯(lián)抗器主要裝設(shè)在四個(gè)電壓等級(jí)上：35 kV、66 kV、330 kV和500 kV，裝設(shè)于330 kV和500 kV的并聯(lián)電抗器，通常叫高抗;而裝設(shè)于變電所主變壓器低壓側(cè)35 kV和66 kV側(cè)的電抗器，又通常叫低抗。從以下幾個(gè)數(shù)據(jù)中可以看出并聯(lián)電抗器的發(fā)展速度是很快的：據(jù)全國(guó)統(tǒng)計(jì)1989年5 070MVA，1990年5 460 MVA，1993年7 730 MVA，1997年12 790 MVA，1998年已達(dá)19 000 MVA，現(xiàn)在已超過20 000 MVA。但是，感性無功仍然不足。按部頒標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》要求，高低壓并聯(lián)電抗器的裝設(shè)容量，要達(dá)到線路充電功率的90%。感性無功補(bǔ)償不足，致使電網(wǎng)電壓偏高是有先例的，1995年?yáng)|北電網(wǎng)的局部地區(qū)，500 kV的最高電壓達(dá)到556 kV，220 kV的最高電壓為257 kV，顯然已經(jīng)超過了設(shè)備的最高電壓550 kV和252 kV，盡管只是短時(shí)，但對(duì)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行仍是不利的。必須進(jìn)行感性補(bǔ)償，吸收充電功率，降低工頻電壓。感性無功補(bǔ)償原則也是分層就地平衡，在變電所裝設(shè)高、低壓并聯(lián)電抗器，以達(dá)到對(duì)電壓的控制，保證電壓質(zhì)量，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

2感性補(bǔ)償?shù)囊恍┘夹g(shù)問題

感性補(bǔ)償是利用高、低壓電抗器進(jìn)行的補(bǔ)償。當(dāng)然，調(diào)相機(jī)也可以進(jìn)相運(yùn)行，吸收充電功率，但調(diào)相機(jī)雖有優(yōu)點(diǎn)（既可以發(fā)出感性無功，也可發(fā)出容性無功，可以進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)），但也有缺點(diǎn)（旋轉(zhuǎn)機(jī)械，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪音大、損耗大、運(yùn)行維護(hù)麻煩、需要的運(yùn)行和檢修人員多），所以，很長(zhǎng)時(shí)間以來都沒有再上調(diào)相機(jī)，以前裝設(shè)的調(diào)相機(jī)也在逐步退出運(yùn)行，如1990年全國(guó)有調(diào)相機(jī)475 MVA，到1998年僅剩不到300 MVA。電抗器和電容器一樣，運(yùn)行條件非?？量?，一旦帶電即滿載運(yùn)行，這就不像變壓器，可以由空載、輕載，逐步過渡到滿載。而且，電抗器全年的投運(yùn)時(shí)間很長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，500 kV變電所里的高抗，年投運(yùn)率達(dá)8 000 h以上，裝在主變?nèi)蝹?cè)的低抗，年投運(yùn)率也接近8 000h。高、低電壓抗器在設(shè)備制造、工程設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)備選型、參數(shù)確定、電氣接線、布置與安裝，以及保護(hù)、測(cè)量和控制方式諸多方面，有不少值得研究的問題，現(xiàn)分述如下：

1）高抗都是油浸鐵心式結(jié)構(gòu)，像變壓器，它們都有鐵心、線圈、絕緣油、油箱、瓷套管以及散熱器等。但電抗器與變壓器工作原理不同，結(jié)構(gòu)上的區(qū)別在于磁路，電抗器的鐵心有氣隙、磁阻大。電抗器制造的最大技術(shù)難點(diǎn)在于對(duì)漏磁通的處理。前幾年，電抗器運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)漏磁通在部件中感應(yīng)產(chǎn)生渦流，引起局部過熱，絕緣油分解劣化，含氣量增加，部件被燒壞事故時(shí)有發(fā)生;有的高抗振動(dòng)和噪音過大，甚至到無法投運(yùn)的地步。為了研討相關(guān)技術(shù)問題，由無功補(bǔ)償裝置分委員會(huì)組織，1998年在無錫召開了電抗器運(yùn)行技術(shù)交流會(huì)，與會(huì)代表提供的會(huì)議交流資料，有很多高抗事故例子，故障設(shè)備有中國(guó)早期產(chǎn)品、也有進(jìn)口產(chǎn)品，信息不斷地反饋到制造廠，國(guó)內(nèi)外廠家根據(jù)事故分析，研究出了解決問題的各種措施，從西變廠近期的產(chǎn)品看，質(zhì)量已經(jīng)提高。

2）高抗中性點(diǎn)通常經(jīng)小電抗接地，為了不給高頻信號(hào)提供入地通路，高抗通常接在變電所的母線側(cè)。要達(dá)到這種連接方式，有時(shí)在布置上比較困難，甚至?xí)嗾嫉?。在阻波器前后如果都可以接電抗器，則布置上就比較方便，特別是擴(kuò)建時(shí)裝電抗器，預(yù)留場(chǎng)地較方便。把電抗器接在阻波器前，關(guān)鍵在于高頻信號(hào)衰減后是否能滿足載波通信和繼電保護(hù)的要求。有的工程經(jīng)計(jì)算認(rèn)為可以滿足要求，在哪種情況下不能滿足要求，還應(yīng)給出一個(gè)定量的數(shù)值范圍;這種連接方式，可以使配電裝置的間隔長(zhǎng)度縮短，達(dá)到節(jié)約用地的目的。

3）電抗器的額定電壓和損耗是兩個(gè)非常重要的參數(shù)，既關(guān)系到設(shè)備的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性，也涉及到設(shè)備價(jià)格。電抗器的輸出容量與運(yùn)行電壓的平方成正比，當(dāng)電抗器的實(shí)際運(yùn)行電壓與設(shè)備額定電壓接近時(shí)，則電抗器輸出達(dá)到額定容量。電網(wǎng)的無功平衡就是按實(shí)際工作電壓下的輸出容量來考慮的。如出于保守、追求安全，把設(shè)備的額定電壓定高了，就會(huì)出現(xiàn)容量虧損，不能充分發(fā)揮有效出力，這樣不經(jīng)濟(jì)。相反，如把額定電壓定得偏低，忽視了電抗器可能會(huì)在最高電壓下連續(xù)運(yùn)行，又會(huì)出現(xiàn)電抗器過電壓，它的損耗、溫升都會(huì)增加，這樣不安全。因此，確定電抗器的額定電壓與電容器的額定電壓是同一性質(zhì)的問題。對(duì)電抗器的總損耗，既不能太小，也不能太大，損耗值的確定直接關(guān)系到電抗器制造的原材料用量，影響設(shè)備價(jià)格，同時(shí)，損耗大小又影響電抗器的年運(yùn)行費(fèi)用。因此，應(yīng)該按照中國(guó)現(xiàn)階段電價(jià)和電抗器制造價(jià)格，進(jìn)行綜合計(jì)算分析，選擇合理的總損耗值適用范圍，供工程設(shè)計(jì)時(shí)選用。

4）中國(guó)電網(wǎng)中運(yùn)行的低抗有兩種產(chǎn)品：干式空心和油浸鐵心式。從運(yùn)行情況看，油浸鐵心式事故相對(duì)少一些。干式空心電抗器運(yùn)行幾年后，由于污穢引起電抗器表面龜裂，出現(xiàn)樹枝狀放電，內(nèi)部出現(xiàn)匝間短路，空心電抗器燒壞事故在東北、華北、華東、中南、西南地區(qū)均有發(fā)生。1996年原電力部國(guó)調(diào)中心轉(zhuǎn)發(fā)的電力電容器標(biāo)委會(huì)調(diào)查文件“關(guān)于并聯(lián)電容器運(yùn)行情況通報(bào)”，專門提到電抗器的選型問題，認(rèn)為選油抗或是選干抗值得探討。1994年?yáng)|北地區(qū)提出，66 kV暫不采用干式空心電抗器。針對(duì)這些事故，國(guó)內(nèi)外廠家都對(duì)自己的產(chǎn)品進(jìn)行了改進(jìn)：加裝防護(hù)頂帽、加強(qiáng)匝間絕緣、提高絕緣等級(jí)、均衡磁路，以及表面使用特殊RTV涂料等。與此同時(shí)，運(yùn)行單位加強(qiáng)維護(hù)，定期沖洗表面污穢。制造廠家正在研究對(duì)運(yùn)行中的空心電抗器進(jìn)行溫升監(jiān)測(cè)，防止過熱事故發(fā)生。

5）干式空心電抗器，線性好、不飽和、無油、噪音低，這些優(yōu)點(diǎn)使其在電網(wǎng)中應(yīng)用較普遍。但是，空心電抗器四周存在著強(qiáng)磁場(chǎng)，電抗器表面出現(xiàn)的爬電現(xiàn)象與此有關(guān)，電壓愈高、影響愈大。處于電抗器四周磁場(chǎng)中的金屬部件，會(huì)產(chǎn)生渦流，將造成金屬部件發(fā)熱，輕者造成電解損耗，重者即釀成事故。所以，要規(guī)定一個(gè)防磁范圍，在此范圍之內(nèi)，不能使用鐵磁性金屬部件，因此，電抗器下面的支撐件和支柱絕緣子的金屬部件，要采用無磁性金屬材料。為了減少渦流，設(shè)備安裝上也要作些特殊要求，如：電抗器連接到其他設(shè)備的導(dǎo)線，采用鋁母線時(shí)，要立式安裝，不宜平放，所有組件的連接螺栓，均采用不銹鋼材料。

空心電抗器低式布置落地安裝時(shí)，為保證人員安全，須在其四周設(shè)備圍欄，如果設(shè)置的是金屬圍欄，則應(yīng)滿足防磁范圍要求。即使這樣金屬圍欄中仍有渦流產(chǎn)生，而且數(shù)值很大。東北地區(qū)有人作過測(cè)量，用鉗形電流表在圍欄的鐵絲網(wǎng)上測(cè)感應(yīng)電流，10 kV并聯(lián)電抗器達(dá)到60 A，66 kV并聯(lián)電抗器則高達(dá)140 A。有的工程已注意到這個(gè)問題，用塑料圍欄取代金屬圍欄?？招碾娍蛊鞯幕炷粱A(chǔ)中一般不加鋼筋，如有鋼筋，則鋼筋接點(diǎn)要采用絕緣材料隔離，使之不能形成閉合回路。如果空心電抗器采用高式布置、支撐安裝，其支柱不能采用鋼筋混凝土圓桿，須用特殊材料的支柱或混凝土平臺(tái)。華東地區(qū)進(jìn)口的空心電抗器，廠家配套供貨玻璃鋼支柱?？招碾娍蛊飨路降牡鼐W(wǎng)，工程中的作法是：地網(wǎng)開環(huán)，交叉點(diǎn)隔離，或者除掉下方局部地網(wǎng)。由此可見，由于空心電抗器的自身特點(diǎn)、工程中安裝設(shè)計(jì)花樣很多，這些作法需要給予總結(jié)，納入設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)供大家共同遵循。

6）35 kV空心電抗器，當(dāng)采用雙星形接線時(shí)，可以裝設(shè)中性點(diǎn)不平衡保護(hù)，防止線圈匝間故障。但是，每一個(gè)單相電抗器，都要并聯(lián)繞制兩個(gè)線圈，對(duì)兩個(gè)線圈的制造精度要求很高，有的產(chǎn)品就增加一個(gè)調(diào)平衡的附加線圈，反而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。運(yùn)行情況表明，雙星形接線的電抗器，仍然有短路燒壞事故發(fā)生。究其原因，匝間絕緣擊穿事故是制造質(zhì)量有問題，因?yàn)?，電抗器運(yùn)行對(duì)匝間承受的電壓是較低的，僅幾百伏，而匝間絕緣的試驗(yàn)電壓為3 kV，正常情況，通過試驗(yàn)的產(chǎn)品，應(yīng)該在運(yùn)行中不出問題。采用單星形接線，對(duì)空心電抗器的制造和安裝布置都比較簡(jiǎn)單，近期很多工程在采用單星形接線，把線圈絕緣等級(jí)由B級(jí)提高到F級(jí)，這個(gè)問題需根據(jù)工程實(shí)踐作進(jìn)一步總結(jié)。

7）低抗回路設(shè)備配置和連接，工程中有多種形式：斷路器有的接母線側(cè)，有的接中性點(diǎn)側(cè);抑制操作過電壓的金屬氧化物避雷器，有的裝設(shè)，有的又沒有裝設(shè);電抗器被切除時(shí)斷路器有截流現(xiàn)象，電抗器儲(chǔ)存的能量，在通過電抗器入口等值電容泄放時(shí)，會(huì)因L-C回路效應(yīng)而產(chǎn)生振蕩，電抗器端部將產(chǎn)生過電壓，由于不同型式的斷路器開斷性能有區(qū)別，產(chǎn)生的過電壓不一樣。如真空斷路器的操作過電壓高，SF6斷路器的操作過電壓低。所以，工程中凡采用真空斷路器的均裝設(shè)了避雷器，而采用SF6斷路器的多數(shù)未裝設(shè)避雷器。SF6斷路器開斷短路電流的能力強(qiáng)，通常裝在母線側(cè)，真空斷路器開斷能力低，一般裝在中性點(diǎn)側(cè)或裝在具有限流能力的電抗器后，當(dāng)然，限流電抗器的電抗值應(yīng)計(jì)入回路的總電抗值中。

8）其他相關(guān)問題

①高抗中性點(diǎn)小電抗，產(chǎn)品型式絕大多數(shù)為油抗，但也有例外，個(gè)別的用了空心電抗器。小電抗的額定電流值，絕大多數(shù)采用30 A，但也有采用20 A的，其對(duì)應(yīng)的額定短時(shí)最大電流為300 A和200 A。小電抗的阻抗抽頭多數(shù)用5%，少數(shù)用10%。

②35 kV并聯(lián)電抗器回路的電流互感器設(shè)置有用兩相的，也有用三相的，從繼電保護(hù)的靈敏度看，兩相式低于三相式，但兩相式同樣可以滿足要求，減少了設(shè)備，節(jié)省了投資，特別是對(duì)油浸式鐵心電抗器，用的是套管電流互感器，如三相都裝電流互感器，制造困難。

③高抗中性點(diǎn)絕緣水平和中性點(diǎn)避雷器額定電壓，以前采用180 kV或170 kV，現(xiàn)在已降到了110 kV甚至還可以降到72.5 kV，這對(duì)設(shè)備制造有好處，同時(shí)可以降低設(shè)備費(fèi)用。

總之，并聯(lián)電抗器的應(yīng)用問題可以歸結(jié)為兩個(gè)方面：一是設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的各種故障和事故，應(yīng)由生產(chǎn)制造部門研究解決;二是工程安裝設(shè)計(jì)問題，應(yīng)通過總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及科研標(biāo)準(zhǔn)化工作來解決。