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40年來電抗器技術的發展狀況

發布時間:2021/09/13
40年來電抗器技術的發展狀況

  1、前言
  在這40年里,電抗器產品的設計、制造技術有了長足的發展。電抗器的先進設計、制造技術、試驗方法和運行維護經驗,在行業內、在電力部門等用戶中得到了傳播和交流,從而促進了電抗器產品的技術進步。在這里對40年來各種電抗器的發展狀況和發展趨勢加以介紹。
  2、并聯電抗器
  發電機滿負載試驗用的電抗器是并聯電抗器的雛型。1967年上海電機廠的技術人員在原有的三相油浸鐵心式電抗器的基礎上對其進行技術改造,生產了同類型60Mvar電抗器。該產品首次采用了輻射式鐵心餅和用彈簧強力壓緊裝置壓緊鐵心柱,使并聯電抗器的振動和噪聲有所降低。
  1970年我國開始在西北地區建設第一條330kV超高壓線路,西安變壓器廠(西安西電變壓器有限責任公司前身,以下簡稱西變)為之提供了3X30Mvar/363kV并聯電抗器。為了便于單相重合閘,消除單相接地故障以后的潛供電弧電流,超高壓電抗器除了設置中性點電抗外,還要求減少相間耦合,因此都用單相。為了減少漏磁,30Mvar電抗器為單柱帶磁軛回路,不但鐵心餅為輻射式,磁軛回路也輻射排列。
  1980年,我國第一條用國產設備裝備的500kV線路的元寶山-遼陽-錦州段在錦州設置了3X40Mvar/500kV并聯電抗器。當時為了使500kV繞組具有更大的縱絕緣裕度,繞組二柱串聯,故電抗器為二柱鐵心式。盡管磁通密度選用偏低,但由于當時工藝條件差,鐵心餅澆注工藝落后,運行中噪聲仍接近90dB。
  以上早年生產的330kV/500kV并聯電抗器迄今均仍在運行中。
  1985年,以技貿結合方式從阿爾斯通公司引進技術生產的50Mvar/550kV電抗器在晉-京房山-大同線上投運。這批電抗器的重大改進在于:
  (1)鐵心餅密實,澆注良好;
  (2)用更為密實的間隙材料;
  (3)鐵心柱強力壓緊。
  改進以后的電抗器噪聲水平降低到80dB以下。但由于電抗器的技術要求,飽和以后的電壓--電流特性曲線的斜率為飽和前的2/3,因此其空心電感值很大,漏磁相應就很大。運行后有低溫過熱現象。投運不久,在色譜分析中總烴、氫含量即達到注意值,干擾了正常的對電抗器故障的判斷。阿爾斯通公司生產的產品也存在同樣的問題。西變于1990年解剖了一臺返廠的產品,查找問題所在,采取措施,降低了高磁場強度處的渦流,并相應改善了冷卻條件,局部過熱現象得以消除。迄今,西變共生產此類500kV級并聯電抗器近300臺,最高年產80臺電抗器,規格有40Mvar、50Mvar、60Mvar,最近還生產了70Mvar的電抗器,投運后均運行正常。低損耗的50Mvar?500kV并聯電抗器總損耗由160kW降低到100kW(飽和后斜率相應降低到40%-50%),噪聲在75dB左右。近年來沈陽變壓器廠(以下簡稱沈變)也開始生產同樣規格的500kV并聯電抗器,也是分段鐵心式。保定天威集團則引進日本三菱公司技術生產了500kV殼式空心并聯電抗器。
  在一些開關站,要求超高壓并聯電抗器能同時供站用電,為此提出要求提供抽能式電抗器。抽能式電抗器的實質是在并聯電抗器內設置一個小容量的低壓二次繞組,但一、二次繞組間要有足夠的阻抗;使低壓側即使短路也不會影響并聯電抗器的正常工作。
  除了上述直接接在超高壓線路上的(一般不經斷路器)超高壓并聯電抗器外,還有接在超高壓升/降壓站變壓器三次側的l0V~63kV中壓并聯電抗器,其容量一般為三相30Mvar或45Mvar。一個變電站最多可裝6~8組,同樣用于無功補償。根據用戶要求可以是油浸鐵心式或干式空心式,后者用于單相組??招母墒诫娍蛊饕彩菓敉庋b置,以減少磁場對建筑物的影響。但戶外裝置對干式電抗器所用絕緣材料的耐候性要求較高,往往不夠理想。這類干式空心電抗器早年進口較多。20世紀(以下省略)90年代以來,國內北京電力修造廠、揚子電氣公司也開始生產,采用的都是多層并聯、聚脂薄膜匝絕緣、環氧樹脂包封的技術。西安交通大學等為之開發了相應的計算軟件。
  隨著大城市地下電纜配電系統的不斷擴展,電纜容性充電電流引起的輕負荷期的電壓升高也日益引起重視。一些供電部門要求裝設10kV、35kV三相鐵心式并聯電抗器,容量為5Mvar~10Mvar。為了與配電裝置相適應,這些電抗器都要求裝在室內。采用鐵心式的目的是為了減少漏磁對建筑物的影響。為適應無油化趨勢,又要求為干式。順德特種變壓器廠(順特電氣有限公司前身)于90年代開發了此類產品。
  鐵心式電抗器由于分段鐵心餅之間存在著交變磁場的吸引力,因此盡管采取了各項措施,其噪聲一般要比同容量變壓器高出10dB左右。
  用于靜止補償的TCR晶閘管相控電抗器就其作用來說,可歸人并聯電抗器一類。國內自80年代以來生產了若干套靜止補償的晶閘管相控電抗器,多由西安電力機械制造公司和電力科學院成套,相控電抗器為空心干式。
  3、限流電抗器
  限流電抗器一般用于配電線路。從同一母線引出的分支饋線上往往串有限流電抗器,以限制饋線的短路電流,并維持母線電壓,不致因饋線短路而致過低。50年代初,沈變就開始生產用水泥電抗器電纜繞制的各種規格10kV級限流電抗器,繞組繞完后用混凝土澆注使其成為整體。限流電抗器本身容量并不大,一般在2.5Mvar以下,但要承受最多可達額定電流25倍的短路電流下的動、熱穩定。因為要限流,電感值在很大電流范圍內應為線性,所以都是空心干式。
  90年代以后,隨著多層并聯、環氧樹脂包封技術的發展,限流電抗器多數采用干式空心并聯電抗器相同的技術生產,由環氧玻璃絲來確保短路時的動穩定。
  根據我國電力系統的中性點接地方式,只有500kV系統采用中性點小電抗接地。這種小電抗正常工作時實質上只有很小的不平衡電流通過,但在系統單相接地故障時卻要求承受短路電流下的動、熱穩定。這種電抗器容量不大,用量不多,但要求可靠性高,目前多數用油浸空心式,外加屏蔽。
  啟動電抗器用來限制大型電動機的啟動電流,啟動完成即退出。與自耦變壓器啟動方式相比,電動機的啟動比較平穩。因其工作時間很短(規定為2min),所以電流密度可以很高,電抗器尺寸不大。就其功能來說,也可歸于限流一類。
  4、阻尼電抗器
  阻尼電抗器(通常也稱串聯電抗器)與電容器組或密集型電容器相串聯,用以限制電容器的合閘涌流。就這一點來說,其作用與限流電抗器相類似。一般來說,如僅僅是為了限制合閘涌流,只要相當于電容器組容抗值1%的感抗就夠了。如系統有5次或以上諧波,則采用
  45%-6%的感抗;如系統有3次諧波,則取12%。其目的是為了使電容器回路對諧波呈感性,因此使系統原有諧波不致因增設電容器回路而放大。阻尼電抗器的過載能力應與電容器的過載能力相適應,而在合閘瞬間,電抗器首末端之間要耐受幾乎全部系統電壓,并要能承受合閘涌流作用下的動、熱穩定。為此,行業標準對此作出了嚴格的規定。70年代,寧波變壓器廠就試制了鐵心式三相阻尼電抗器并形成系列?,F在,鐵心式(油浸或干式)和空心式(干式)阻尼電抗器都在使用。很多電容器生產廠自己生產阻尼電抗器與其電容器配套。
  5、濾波電抗器
  濾波電抗器與濾波電容器串聯組成諧振濾波器,一般用于3次至17次的諧振濾波或更高次的高通濾波。直流輸電線路的換流站、相控型靜止補償裝置、中大型整流裝置、電氣化鐵道,以至于所有大功率晶閘管控制的電力電子電路都是諧波電流源,必須加以濾除,不讓其進入系統。電力部門對于電力系統中的諧波有具體規定。近年來電網受諧波電流源的威脅愈來愈嚴重,因此濾波是不可少的。迄今,超高壓直流輸電工程濾波裝置均由國外工程總承包商承包,其它方面的濾波電抗器則均由國內電抗器專業生產企業提供。濾波電抗器的電抗值通常要求能在一定范圍內可調,以使與電容器相配合。對其品質因素Q值也有一定要求,以滿足濾波裝置的頻率特性。濾波電抗器通常為空心干式,也可以做成鐵心式。超高壓直流輸電換流站的交、直流側濾波裝置因為數量眾多,均設于戶外,占地范圍相當大。
  6、消弧線圈
  消弧線圈廣泛用于我國lOkV~6kV級的諧振接地系統。除了在一些沿海大城市,因電纜線路的普及而有采用中性點小電阻接地的傾向外,目前我國大部分地區10kV~66kV系統都是中性點不接地的。在這些系統中,特別對于架空線路,絕大多數單相接地故障是暫時性的弧光接地,但繼發性的線間和線-地電容所形成的故障點容性工頻續流卻使弧光持續以至使故障擴大。此時接在系統中性點和地之間的消弧線圈因中性點位移而流過感性電流抵消了容性工頻續流而使弧光熄滅,使線路恢復正常工作。上海電機廠為常州至南京升壓到66kV的線路提供了我國第一臺1900kVA,66/√3kV25A~50A消弧線圈,此后系列生產175kVA-3800kVA10kV-66kV級的消弧線圈。60年代中期以后北京電力修造廠成為消弧線圈的主要生產廠。
  80年代后期,上海交通大學、山東大學等致力于消弧線圈自動調諧、自動選線功能的開發。10kV~66kV輸電線路總是帶有分支,運行中要切換,切換以后線路電容有所改變。有自動調諧功能的消弧線圈在線路切換以后可自動變換分接位置以達到合適的感抗值,使之與線路電容始終匹配。有自動選線功能的消弧線圈則可以在若干條線路中自動選出不能成功消弧的非弧光接地永久性故障段而予以切除。具有自動調諧自動選線功能的消弧線圈更適合于無人值班變電所,進入90年代,一些專業廠如上海思源電氣公司等已能成套供應。
  由于變電所的無油化傾向,因此35kV以下的消弧線圈現很多是干式澆注型。
  7、接地變壓器
  接地變壓器為原本無中性點引出端子的系統提供一個人為的中性點。嚴格來說,接地變壓器本質上不是變壓器而是一臺繞組為ZN結法的電抗器,其N端引出端子就是人為中性點。采用ZN結法的目的是減小零序阻抗至合理值。接地變壓器的引入不應對系統的零序阻抗有重大的改變。接地變壓器可以用于中性點不接地系統,此時其中性點一般接消弧線圈,也可以用于中性點小電阻接地系統,此時其中性點經由小電阻接地。在10kV系統中,因電力變壓器的二次10kV繞組經常為三角聯結,所以接地變壓器用得較多。某些地區,例如上海,35kV變電所的主變,其35kV側有時也為三角聯結,此時就接額定接地電流為lkA、2kA的接地變壓器,再經小電阻接地。
  也有一些變電所的接地變壓器要兼具所用變功能,為此就增加一個400V的yn聯結繞組,組成YNyn聯結組。
  生產消弧線圈的廠家一般成套供接地變。同樣由于變電所無油化的傾向,因此很多接地變是干式澆注型。
  發電廠自用電系統多數為高電阻接地系統,更多選用五柱式接地變壓器。這種變壓器有一個零序二次繞組,其端子間接有電阻。單相接地故障時,二次繞組中感生的零序電流通過電阻,起到阻尼過電壓的作用。
  8、平波電抗器
  平波電抗器用于整流以后的直流回路中。整流電路的脈波數總是有限的,在輸出的整直電壓中總是有紋波的。這種紋波往往是有害的,需要由平波電抗器加以抑制。直流輸電的換流站都裝有平波電抗器,使輸出的直流接近于理想直流。1985年我國第一條鎮海-舟山±l00kV跨海直流輸電線路上的100kV/500A平波電抗器為西變所試制。1988年我國第一條~500kV/2x600MW葛洲壩-南橋直流輸電線路上的500kV/1200A平波電抗器是由BBC公司成套供應,為干式戶外型,由支柱絕緣子支起?,F在即將投運的三峽-常州和三峽-廣東~500kV/2X1500MW直流輸電線路中所用的500kV、3000A平波電抗器是由ABB公司和西變合作生產的,為油浸鐵心式。500kV平波電抗器的尺寸、重量都很大。
  直流供電的晶閘管電氣傳動中,平波電抗器也是不可少的。因為脈動的直流輸出電壓中所包含的諧波分量在直流電動機內造成不必要的損耗和發熱,諧波中的負序分量則產生反向力矩,而且當晶閘管深控時,若脈動的直流輸出電壓的瞬時值低于電動機的反電勢,將使電流不連續。
  電力機車上的車載27.5kV整流變壓器雖然只有幾千kVA,但因為單相供電,脈動大,要求平波電抗器的電感量大,所以其尺寸重量差不多與主變壓器相當。株洲電力機車廠批量生產此種電抗器已有多年了。
  9、直流控制的飽和電抗器
  直流控制的飽和電抗器屬于另類的電抗器。串在電路中的扼流式或自飽和飽和電抗器,其作用不能簡單地看作串人一個可變電感。在電壓正弦波的周期內,飽和電抗器在飽和前吸收了一定的伏-秒,達到飽和,以后就呈全開放狀態。因此其輸出電壓是非正弦的,這種飽和電抗器的作用與晶閘管相似。60年代中,上海調壓器廠曾致力于扼流式飽和電抗器的開發,后來隨著晶閘管的廣泛應用,已完全被取代。但與二極管整流的整流變壓器配套的自飽和式飽和電抗器一直延用至今。整流輸出電壓由設在橋臂的自飽和電抗器經由直流控制來實現小范圍調節(一般為輸出額定電壓的5%-15%)。調壓范圍不大時,比用可控硅更為經濟。自飽和電抗器可以與整流變壓器共箱,也可以單獨設置,由變壓器生產廠成套提供。
  其它類型的直流控制飽和電抗器用得較少,這里不贅述。

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