寧夏銀利電氣股份有限公司
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1、前言
在這40年里，電抗器產(chǎn)品的設(shè)計、制造技術(shù)有了長足的發(fā)展。電抗器的先進(jìn)設(shè)計、制造技術(shù)、試驗方法和運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗，在行業(yè)內(nèi)、在電力部門等用戶中得到了傳播和交流，從而促進(jìn)了電抗器產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步。在這里對40年來各種電抗器的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢加以介紹。
2、并聯(lián)電抗器
發(fā)電機(jī)滿負(fù)載試驗用的電抗器是并聯(lián)電抗器的雛型。1967年上海電機(jī)廠的技術(shù)人員在原有的三相油浸鐵心式電抗器的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行技術(shù)改造，生產(chǎn)了同類型60Mvar電抗器。該產(chǎn)品首次采用了輻射式鐵心餅和用彈簧強(qiáng)力壓緊裝置壓緊鐵心柱，使并聯(lián)電抗器的振動和噪聲有所降低。
1970年我國開始在西北地區(qū)建設(shè)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(zé)任公司前身，以下簡稱西變)為之提供了3X30Mvar／363kV并聯(lián)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(shè)置中性點(diǎn)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(chǎn)設(shè)備裝備的500kV線路的元寶山-遼陽-錦州段在錦州設(shè)置了3X40Mvar／500kV并聯(lián)電抗器。當(dāng)時為了使500kV繞組具有更大的縱絕緣裕度，繞組二柱串聯(lián)，故電抗器為二柱鐵心式。盡管磁通密度選用偏低，但由于當(dāng)時工藝條件差，鐵心餅澆注工藝落后，運(yùn)行中噪聲仍接近90dB。
以上早年生產(chǎn)的330kV／500kV并聯(lián)電抗器迄今均仍在運(yùn)行中。
1985年，以技貿(mào)結(jié)合方式從阿爾斯通公司引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的50Mvar／550kV電抗器在晉-京房山-大同線上投運(yùn)。這批電抗器的重大改進(jìn)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(qiáng)力壓緊。
改進(jìn)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(shù)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(yīng)就很大。運(yùn)行后有低溫過熱現(xiàn)象。投運(yùn)不久，在色譜分析中總烴、氫含量即達(dá)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(chǎn)的產(chǎn)品也存在同樣的問題。西變于1990年解剖了一臺返廠的產(chǎn)品，查找問題所在，采取措施，降低了高磁場強(qiáng)度處的渦流，并相應(yīng)改善了冷卻條件，局部過熱現(xiàn)象得以消除。迄今，西變共生產(chǎn)此類500kV級并聯(lián)電抗器近300臺，最高年產(chǎn)80臺電抗器，規(guī)格有40Mvar、50Mvar、60Mvar，最近還生產(chǎn)了70Mvar的電抗器，投運(yùn)后均運(yùn)行正常。低損耗的50Mvar?500kV并聯(lián)電抗器總損耗由160kW降低到100kW(飽和后斜率相應(yīng)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(chǎn)同樣規(guī)格的500kV并聯(lián)電抗器，也是分段鐵心式。保定天威集團(tuán)則引進(jìn)日本三菱公司技術(shù)生產(chǎn)了500kV殼式空心并聯(lián)電抗器。
在一些開關(guān)站，要求超高壓并聯(lián)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(zhì)是在并聯(lián)電抗器內(nèi)設(shè)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(cè)即使短路也不會影響并聯(lián)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(jīng)斷路器)超高壓并聯(lián)電抗器外，還有接在超高壓升／降壓站變壓器三次側(cè)的l0V～63kV中壓并聯(lián)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(bǔ)償。根據(jù)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(jìn)口較多。20世紀(jì)(以下省略)90年代以來，國內(nèi)北京電力修造廠、揚(yáng)子電氣公司也開始生產(chǎn)，采用的都是多層并聯(lián)、聚脂薄膜匝絕緣、環(huán)氧樹脂包封的技術(shù)。西安交通大學(xué)等為之開發(fā)了相應(yīng)的計算軟件。
隨著大城市地下電纜配電系統(tǒng)的不斷擴(kuò)展，電纜容性充電電流引起的輕負(fù)荷期的電壓升高也日益引起重視。一些供電部門要求裝設(shè)10kV、35kV三相鐵心式并聯(lián)電抗器，容量為5Mvar～10Mvar。為了與配電裝置相適應(yīng)，這些電抗器都要求裝在室內(nèi)。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(yīng)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(fā)了此類產(chǎn)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(bǔ)償?shù)腡CR晶閘管相控電抗器就其作用來說，可歸人并聯(lián)電抗器一類。國內(nèi)自80年代以來生產(chǎn)了若干套靜止補(bǔ)償?shù)木чl管相控電抗器，多由西安電力機(jī)械制造公司和電力科學(xué)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(chǎn)用水泥電抗器電纜繞制的各種規(guī)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(dá)額定電流25倍的短路電流下的動、熱穩(wěn)定。因為要限流，電感值在很大電流范圍內(nèi)應(yīng)為線性，所以都是空心干式。
90年代以后，隨著多層并聯(lián)、環(huán)氧樹脂包封技術(shù)的發(fā)展，限流電抗器多數(shù)采用干式空心并聯(lián)電抗器相同的技術(shù)生產(chǎn)，由環(huán)氧玻璃絲來確保短路時的動穩(wěn)定。
根據(jù)我國電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式，只有500kV系統(tǒng)采用中性點(diǎn)小電抗接地。這種小電抗正常工作時實質(zhì)上只有很小的不平衡電流通過，但在系統(tǒng)單相接地故障時卻要求承受巨大短路電流下的動、熱穩(wěn)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(shù)用油浸空心式，外加屏蔽。
啟動電抗器用來限制大型電動機(jī)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(jī)的啟動比較平穩(wěn)。因其工作時間很短(規(guī)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(lián)電抗器)與電容器組或密集型電容器相串聯(lián)，用以限制電容器的合閘涌流。就這一點(diǎn)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(dāng)于電容器組容抗值1%的感抗就夠了。如系統(tǒng)有5次或以上諧波，則采用
4 5%-6%的感抗；如系統(tǒng)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(tǒng)原有諧波不致因增設(shè)電容器回路而放大。阻尼電抗器的過載能力應(yīng)與電容器的過載能力相適應(yīng)，而在合閘瞬間，電抗器首末端之間要耐受幾乎全部系統(tǒng)電壓，并要能承受合閘涌流作用下的動、熱穩(wěn)定。為此，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對此作出了嚴(yán)格的規(guī)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(xiàn)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(chǎn)廠自己生產(chǎn)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(lián)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(bǔ)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(jìn)入系統(tǒng)。電力部門對于電力系統(tǒng)中的諧波有具體規(guī)定。近年來電網(wǎng)受諧波電流源的威脅愈來愈嚴(yán)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(nèi)電抗器專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)提供。濾波電抗器的電抗值通常要求能在一定范圍內(nèi)可調(diào)，以使與電容器相配合。對其品質(zhì)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(cè)濾波裝置因為數(shù)量眾多，均設(shè)于戶外，占地范圍相當(dāng)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(tǒng)。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(diǎn)小電阻接地的傾向外，目前我國大部分地區(qū)10kV~66kV系統(tǒng)都是中性點(diǎn)不接地的。在這些系統(tǒng)中，特別對于架空線路，絕大多數(shù)單相接地故障是暫時性的弧光接地，但繼發(fā)性的線間和線-地電容所形成的故障點(diǎn)容性工頻續(xù)流卻使弧光持續(xù)以至使故障擴(kuò)大。此時接在系統(tǒng)中性點(diǎn)和地之間的消弧線圈因中性點(diǎn)位移而流過感性電流抵消了容性工頻續(xù)流而使弧光熄滅，使線路恢復(fù)正常工作。上海電機(jī)廠為常州至南京升壓到66kV的線路提供了我國第一臺1900kVA，66／√3 kV 25A~50A消弧線圈，此后系列生產(chǎn)175kVA-3800kVA 10kV-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(chǎn)廠。
80年代后期，上海交通大學(xué)、山東大學(xué)等致力于消弧線圈自動調(diào)諧、自動選線功能的開發(fā)。10kV~66kV輸電線路總是帶有分支，運(yùn)行中要切換，切換以后線路電容有所改變。有自動調(diào)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(dá)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(diào)諧自動選線功能的消弧線圈更適合于無人值班變電所，進(jìn)入90年代，一些專業(yè)廠如上海思源電氣公司等已能成套供應(yīng)。
由于變電所的無油化傾向，因此35kV以下的消弧線圈現(xiàn)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(diǎn)引出端子的系統(tǒng)提供一個人為的中性點(diǎn)。嚴(yán)格來說，接地變壓器本質(zhì)上不是變壓器而是一臺繞組為ZN結(jié)法的電抗器，其N端引出端子就是人為中性點(diǎn)。采用ZN結(jié)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(yīng)對系統(tǒng)的零序阻抗有重大的改變。接地變壓器可以用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，此時其中性點(diǎn)一般接消弧線圈，也可以用于中性點(diǎn)小電阻接地系統(tǒng)，此時其中性點(diǎn)經(jīng)由小電阻接地。在10kV系統(tǒng)中，因電力變壓器的二次10kV繞組經(jīng)常為三角聯(lián)結(jié)，所以接地變壓器用得較多。某些地區(qū)，例如上海，35kV變電所的主變，其35kV側(cè)有時也為三角聯(lián)結(jié)，此時就接額定接地電流為lkA、2kA的接地變壓器，再經(jīng)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(lián)結(jié)繞組，組成YNyn聯(lián)結(jié)組。
生產(chǎn)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(fā)電廠自用電系統(tǒng)多數(shù)為高電阻接地系統(tǒng)，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(shù)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(zhèn)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(yīng)，為干式戶外型，由支柱絕緣子支起?，F(xiàn)在即將投運(yùn)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(chǎn)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(jī)內(nèi)造成不必要的損耗和發(fā)熱，諧波中的負(fù)序分量則產(chǎn)生反向力矩，而且當(dāng)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(jī)的反電勢，將使電流不連續(xù)。
電力機(jī)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(dāng)。株洲電力機(jī)車廠批量生產(chǎn)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(nèi)，飽和電抗器在飽和前吸收了一定的伏-秒，達(dá)到飽和，以后就呈全開放狀態(tài)。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(diào)壓器廠曾致力于扼流式飽和電抗器的開發(fā)，后來隨著晶閘管的廣泛應(yīng)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(shè)在橋臂的自飽和電抗器經(jīng)由直流控制來實現(xiàn)小范圍調(diào)節(jié)(一般為輸出額定電壓的5％-15％)。調(diào)壓范圍不大時，比用可控硅更為經(jīng)濟(jì)。自飽和電抗器可以與整流變壓器共箱，也可以單獨(dú)設(shè)置，由變壓器生產(chǎn)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。
10、可控電抗器
可控電抗器是幾年來的熱門話題。并聯(lián)電抗器用于抑制超高壓長線末端空載或輕載時的電壓升高，隨著負(fù)荷的增加，并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償容量可以減少甚至切除。但如果線路有擾動以致負(fù)荷跳閘時，則又要求立即投入。因此，如果并聯(lián)電抗器能做到容量可調(diào)，且能快速反應(yīng)，則更為理想。隨著緊湊型線路的引入，這一要求顯得更為迫切。80年代后期，一些前蘇聯(lián)學(xué)者研究緊湊型線路，減小線間距離，由此增加線路電容，減小電感，降低波阻抗，進(jìn)而可以成倍增加同一電壓等級能輸送的自然功率。在這種線路上，用以補(bǔ)償容性電流的并聯(lián)電抗器容量更大，抑制工頻電壓升高的要求更高，所以問題更為突出。有幾種方式可以實現(xiàn)這一目的，但迄今還不能說是足夠理想，尚需在探索中進(jìn)一步加以完善。西變于2001年試制了一臺10kV／300kyat單相高阻抗型可控電抗器樣機(jī)。沈變和長江變壓器廠分別試制了單 6000kvar／35kV和2400kvar／10kV磁閥式可控電抗器樣機(jī)，并已在電氣化鐵道中試運(yùn)行。
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電抗器的應(yīng)用必然將越來越廣泛，新開發(fā)的產(chǎn)品也將不斷涌現(xiàn)。
11、電抗器產(chǎn)品的發(fā)展展望
電能是最清潔又容易受控的能源，而電抗器作為無功補(bǔ)償手段，在電力系統(tǒng)中是不可缺少的。隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，無論是裝機(jī)容量或用電總量都將進(jìn)人世界第2位，特別是近2~3年內(nèi)，城鄉(xiāng)缺電再度成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，加快電力建設(shè)勢在必行，電抗器的需求相應(yīng)增長。就并聯(lián)電抗器而言，西變2003年生產(chǎn)500kV并聯(lián)電抗器80余臺，預(yù)計2004年還會有增長。
從技術(shù)角度來看，緊湊型線路由于其輸送容量大、線路走廊占地少而成為今后的發(fā)展趨勢。昌房試驗線段已積累了一定經(jīng)驗，并通過驗收鑒定。由于緊湊型線路電容的增大，需要的無功補(bǔ)償電抗器容量也就更多，對于可控電抗器的要求也更為迫切。磁閥式可控電抗器由于晶閘管控制功率小，諧波含量低，相對有一定優(yōu)勢。
因為戶內(nèi)安裝的中壓干式鐵心式并聯(lián)電抗器裝設(shè)在居民稠密區(qū)，所以最需要解決的是噪聲問題。
用于戶外的干式空心電抗器最需要提高的是絕緣材料的耐候性。
節(jié)能是一個永恒的課題?，F(xiàn)在國內(nèi)對于1l0kV、220kV輸電線路空載損耗的評價值最高為30000元／(kW·h)。對于電抗器來說，其總損耗就屬于空載損耗的范疇，所以低損耗的要求是可以理解的。
10kV級干式限流電抗器，近年來其用途日趨狹窄?，F(xiàn)在由于斷路器開斷能力和其它性能方面的提高，l0kV配電裝置的小型化，以及變電所主變壓器承受短路能力的加強(qiáng)，在變電所設(shè)計中已趨向于不再裝設(shè)早年串在母線分支饋線中的那種限流電抗器。
工業(yè)用途的電抗器隨著各行各業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，近年來在需求方面有一些變化。電弧爐變壓器以前容量大于10MVA就不需要帶串聯(lián)電抗器，其二次側(cè)短網(wǎng)阻抗足以穩(wěn)定電弧并限制短路電流。近年來電弧爐單臺容量不斷增大，以及超高功率的發(fā)展，以致不得不提高變壓器二次電壓，否則二次電流太大。150t超高功率電弧爐由150MVA變壓器供電，其二次電壓為1200V，二次電流72kA。爐內(nèi)噴炭粉，一氧化碳造泡沫渣的技術(shù)已使長弧熔煉成為可能。礦渣泡沫足以保護(hù)爐襯使其不受電弧侵蝕。因此二次電壓普遍提高到1000V左右，這樣，短路阻抗標(biāo)么值就降低。為穩(wěn)定長弧，大容量電弧爐也就需要變壓器額定容量為20%右的串聯(lián)電抗器。串聯(lián)電抗器一般單獨(dú)設(shè)置，不與變壓器共箱。
隨著晶閘管的廣泛應(yīng)用，電解整流裝置中，自飽和飽和電抗器有逐漸被取代之勢。用晶閘管代替二極管整流，由晶閘管微調(diào)電壓，同樣起到飽和電抗器的作用，而又免除了飽和電抗器帶來的損耗和噪聲。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在經(jīng)濟(jì)上晶閘管代替二極管也是可行的。目前至少在化工電解方面已非常普遍采用晶閘管，鋁電解方面則還在沿用飽和電抗器。
但是，利用鐵磁材料的非線性特性，通過不同方式來控制電壓，控制無功仍然有其發(fā)展前途。再說，電力電子技術(shù)的發(fā)展會對電力系統(tǒng)和電力裝備帶來很多變化，但作為無功補(bǔ)償元件的電抗器仍然是不可缺少的。
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