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并联电抗器在电网中的作用及应用问题的探讨

已有 244 次阅读2014-5-21 10:52

无功补偿是保证电压合格的重要因素,无功补偿又为容性补偿和感性补偿,缺容性无功,电压偏低,缺感性无功,则会出现电压偏高。电力系统的容性无功补偿,从高压到低压,从变电所的集中补偿到用户的分散就地补偿,以及设备制造、运行管理、科研标准化工作,已有全面提高。感性无功补偿是随超高压电网的建立而发展起来的。因此,感性无功补偿起步稍晚一些,在工程应用上,不少技术问题有待进行研究,标准化工作开展得不多。本文从并联电抗器在电网中的作用,并联电抗器在工程应用中的一些问题,提请关注感性无功补偿,加强相关科研和标准化工作。

 

 

    1感性无功补偿的发展和作用

 

    20世纪70年代中国开始建立超高压电网,超高压输电线路中有大量的容性充电功率,如500 kV线路每百公里充电功率达11~115 MVA。充电功率起因于架空输电线路的分布电容,所以,它是容性的。容性充电功率的存在,使电力系统产生诸多问题,必须进行感性无功补偿,即吸收充电功率,从而需要在电网中装设并联电抗器。中国并联抗器主要装设在四个电压等级上:35 kV、66 kV、330 kV和500 kV,装设于330 kV和500 kV的并联电抗器,通常叫高抗;而装设于变电所主变压器低压侧35 kV和66 kV侧的电抗器,又通常叫低抗。从以下几个数据中可以看出并联电抗器的发展速度是很快的:据全国统计1989年5 070MVA,1990年5 460 MVA,1993年7 730 MVA,1997年12 790 MVA,1998年已达19 000 MVA,现在已超过20 000 MVA。但是,感性无功仍然不足。按部颁标准《电力系统电压和无功电力技术导则》要求,高低压并联电抗器的装设容量,要达到线路充电功率的90%。感性无功补偿不足,致使电网电压偏高是有先例的,1995年东北电网的局部地区,500 kV的最高电压达到556 kV,220 kV的最高电压为257 kV,显然已经超过了设备的最高电压550 kV和252 kV,尽管只是短时,但对电气设备的安全运行仍是不利的。必须进行感性补偿,吸收充电功率,降低工频电压。感性无功补偿原则也是分层就地平衡,在变电所装设高、低压并联电抗器,以达到对电压的控制,保证电压质量,提高电网运行的稳定性和经济性。

 

    2感性补偿的一些技术问题

 

    感性补偿是利用高、低压电抗器进行的补偿。当然,调相机也可以进相运行,吸收充电功率,但调相机虽有优点(既可以发出感性无功,也可发出容性无功,可以进行无级调节),但也有缺点(旋转机械,结构复杂,噪音大、损耗大、运行维护麻烦、需要的运行和检修人员多),所以,很长时间以来都没有再上调相机,以前装设的调相机也在逐步退出运行,如1990年全国有调相机475 MVA,到1998年仅剩不到300 MVA。电抗器和电容器一样,运行条件非常苛刻,一旦带电即满载运行,这就不像变压器,可以由空载、轻载,逐步过渡到满载。而且,电抗器全年的投运时间很长,据统计,500 kV变电所里的高抗,年投运率达8 000 h以上,装在主变三次侧的低抗,年投运率也接近8 000h。高、低电压抗器在设备制造、工程设计时设备选型、参数确定、电气接线、布置与安装,以及保护、测量和控制方式诸多方面,有不少值得研究的问题,现分述如下:

 

    1)高抗都是油浸铁心式结构,像变压器,它们都有铁心、线圈、绝缘油、油箱、瓷套管以及散热器等。但电抗器与变压器工作原理不同,结构上的区别在于磁路,电抗器的铁心有气隙、磁阻大。电抗器制造的最大技术难点在于对漏磁通的处理。前几年,电抗器运行中经常出现漏磁通在部件中感应产生涡流,引起局部过热,绝缘油分解劣化,含气量增加,部件被烧坏事故时有发生;有的高抗振动和噪音过大,甚至到无法投运的地步。为了研讨相关技术问题,由无功补偿装置分委员会组织,1998年在无锡召开了电抗器运行技术交流会,与会代表提供的会议交流资料,有很多高抗事故例子,故障设备有中国早期产品、也有进口产品,信息不断地反馈到制造厂,国内外厂家根据事故分析,研究出了解决问题的各种措施,从西变厂近期的产品看,质量已经提高。

 

    2)高抗中性点通常经小电抗接地,为了不给高频信号提供入地通路,高抗通常接在变电所的母线侧。要达到这种连接方式,有时在布置上比较困难,甚至会多占地。在阻波器前后如果都可以接电抗器,则布置上就比较方便,特别是扩建时装电抗器,预留场地较方便。把电抗器接在阻波器前,关键在于高频信号衰减后是否能满足载波通信和继电保护的要求。有的工程经计算认为可以满足要求,在哪种情况下不能满足要求,还应给出一个定量的数值范围;这种连接方式,可以使配电装置的间隔长度缩短,达到节约用地的目的。

 

    3)电抗器的额定电压和损耗是两个非常重要的参数,既关系到设备的安全运行和经济性,也涉及到设备价格。电抗器的输出容量与运行电压的平方成正比,当电抗器的实际运行电压与设备额定电压接近时,则电抗器输出达到额定容量。电网的无功平衡就是按实际工作电压下的输出容量来考虑的。如出于保守、追求安全,把设备的额定电压定高了,就会出现容量亏损,不能充分发挥有效出力,这样不经济。相反,如把额定电压定得偏低,忽视了电抗器可能会在最高电压下连续运行,又会出现电抗器过电压,它的损耗、温升都会增加,这样不安全。因此,确定电抗器的额定电压与电容器的额定电压是同一性质的问题。对电抗器的总损耗,既不能太小,也不能太大,损耗值的确定直接关系到电抗器制造的原材料用量,影响设备价格,同时,损耗大小又影响电抗器的年运行费用。因此,应该按照中国现阶段电价和电抗器制造价格,进行综合计算分析,选择合理的总损耗值适用范围,供工程设计时选用。

 

    4)中国电网中运行的低抗有两种产品:干式空心和油浸铁心式。从运行情况看,油浸铁心式事故相对少一些。干式空心电抗器运行几年后,由于污秽引起电抗器表面龟裂,出现树枝状放电,内部出现匝间短路,空心电抗器烧坏事故在东北、华北、华东、中南、西南地区均有发生。1996年原电力部国调中心转发的电力电容器标委会调查文件“关于并联电容器运行情况通报”,专门提到电抗器的选型问题,认为选油抗或是选干抗值得探讨。1994年东北地区提出,66 kV暂不采用干式空心电抗器。针对这些事故,国内外厂家都对自己的产品进行了改进:加装防护顶帽、加强匝间绝缘、提高绝缘等级、均衡磁路,以及表面使用特殊RTV涂料等。与此同时,运行单位加强维护,定期冲洗表面污秽。制造厂家正在研究对运行中的空心电抗器进行温升监测,防止过热事故发生。

 

    5)干式空心电抗器,线性好、不饱和、无油、噪音低,这些优点使其在电网中应用较普遍。但是,空心电抗器四周存在着强磁场,电抗器表面出现的爬电现象与此有关,电压愈高、影响愈大。处于电抗器四周磁场中的金属部件,会产生涡流,将造成金属部件发热,轻者造成电解损耗,重者即酿成事故。所以,要规定一个防磁范围,在此范围之内,不能使用铁磁性金属部件,因此,电抗器下面的支撑件和支柱绝缘子的金属部件,要采用无磁性金属材料。为了减少涡流,设备安装上也要作些特殊要求,如:电抗器连接到其他设备的导线,采用铝母线时,要立式安装,不宜平放,所有组件的连接螺栓,均采用不锈钢材料。

 

    空心电抗器低式布置落地安装时,为保证人员安全,须在其四周设备围栏,如果设置的是金属围栏,则应满足防磁范围要求。即使这样金属围栏中仍有涡流产生,而且数值很大。东北地区有人作过测量,用钳形电流表在围栏的铁丝网上测感应电流,10 kV并联电抗器达到60 A,66 kV并联电抗器则高达140 A。有的工程已注意到这个问题,用塑料围栏取代金属围栏。空心电抗器的混凝土基础中一般不加钢筋,如有钢筋,则钢筋接点要采用绝缘材料隔离,使之不能形成闭合回路。如果空心电抗器采用高式布置、支撑安装,其支柱不能采用钢筋混凝土圆杆,须用特殊材料的支柱或混凝土平台。华东地区进口的空心电抗器,厂家配套供货玻璃钢支柱。空心电抗器下方的地网,工程中的作法是:地网开环,交叉点隔离,或者除掉下方局部地网。由此可见,由于空心电抗器的自身特点、工程中安装设计花样很多,这些作法需要给予总结,纳入设计标准供大家共同遵循。

 

    6)35 kV空心电抗器,当采用双星形接线时,可以装设中性点不平衡保护,防止线圈匝间故障。但是,每一个单相电抗器,都要并联绕制两个线圈,对两个线圈的制造精度要求很高,有的产品就增加一个调平衡的附加线圈,反而使结构复杂化。运行情况表明,双星形接线的电抗器,仍然有短路烧坏事故发生。究其原因,匝间绝缘击穿事故是制造质量有问题,因为,电抗器运行对匝间承受的电压是较低的,仅几百伏,而匝间绝缘的试验电压为3 kV,正常情况,通过试验的产品,应该在运行中不出问题。采用单星形接线,对空心电抗器的制造和安装布置都比较简单,近期很多工程在采用单星形接线,把线圈绝缘等级由B级提高到F级,这个问题需根据工程实践作进一步总结。

 

    7)低抗回路设备配置和连接,工程中有多种形式:断路器有的接母线侧,有的接中性点侧;抑制操作过电压的金属氧化物避雷器,有的装设,有的又没有装设;电抗器被切除时断路器有截流现象,电抗器储存的能量,在通过电抗器入口等值电容泄放时,会因L-C回路效应而产生振荡,电抗器端部将产生过电压,由于不同型式的断路器开断性能有区别,产生的过电压不一样。如真空断路器的操作过电压高,SF6断路器的操作过电压低。所以,工程中凡采用真空断路器的均装设了避雷器,而采用SF6断路器的多数未装设避雷器。SF6断路器开断短路电流的能力强,通常装在母线侧,真空断路器开断能力低,一般装在中性点侧或装在具有限流能力的电抗器后,当然,限流电抗器的电抗值应计入回路的总电抗值中。

 

    8)其他相关问题

 

    ①高抗中性点小电抗,产品型式绝大多数为油抗,但也有例外,个别的用了空心电抗器。小电抗的额定电流值,绝大多数采用30 A,但也有采用20 A的,其对应的额定短时最大电流为300 A和200 A。小电抗的阻抗抽头多数用5%,少数用10%。

 

    ②35 kV并联电抗器回路的电流互感器设置有用两相的,也有用三相的,从继电保护的灵敏度看,两相式低于三相式,但两相式同样可以满足要求,减少了设备,节省了投资,特别是对油浸式铁心电抗器,用的是套管电流互感器,如三相都装电流互感器,制造困难。

 

    ③高抗中性点绝缘水平和中性点避雷器额定电压,以前采用180 kV或170 kV,现在已降到了110 kV甚至还可以降到72.5 kV,这对设备制造有好处,同时可以降低设备费用。

 

    总之,并联电抗器的应用问题可以归结为两个方面:一是设备在运行中出现的各种故障和事故,应由生产制造部门研究解决;二是工程安装设计问题,应通过总结实践经验以及科研标准化工作来解决。


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