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中频电炉上面干式空心电抗器的作用和使用寿命介绍
近年来，我国500kV输电线路迅速发展，电网容量越来越大，由于电压等级高，电网装机容量大，造成了系统短路电流增大，事故电压波动大，功率因数偏低，开关容量不够和谐波电流的增加，解决这些问题的方法是在系统上安装电抗器。大容量干式空心电抗器是近几年研制开发的新型电抗器，它具有线性特性好，参数稳定，防火性能好的特点，本文仅就干式空心电抗器(以下简称电抗器)的作用和使用寿命作一分析。
7 电网中含有谐波情况下的无功补偿
7.1 对原有变流器负荷的补偿 当电网接有谐波源负载(例如变流器等)时，不能将补偿电容器直接接于电网，因为电容器与电网阻抗形成并联谐振回路，在对谐振频率进行估算时，可以根据电网短路功率Sk"和电容器基波补偿容量Qc1计算Vr=F(Qcl/Sk")。
在5次谐波频率下电网具有谐振，并联阻抗Xp大大升高，由谐波源发出的5次谐波电流流入谐振回路后，会产生很高的谐波电压，谐波电压叠加在基波电压上，导致电压波形发生畸变。在电网和电容器之间流动的平衡电流可达谐波源发出的电流的数倍，即谐波放大，此时变压器和电容器承受大于正常情况的负荷，特别是电容器，长期运行于过负荷状态，加速绝缘老化，甚至击穿爆炸。可以根据电网阻抗和电容器容抗预先计算出并联谐振频率，调整电容器容量配置，使并联谐振频率与特征谐波频率保持一定的距离，避免谐波放大。但是实际的电网阻抗不为常数，而时常处于不断变化之中，很难完全避开谐振，特别当电容器分组调节运行时，情况更为复杂。
当需要对接有谐波源设备的电网进行补偿时，必须采取技术措施，将并联谐振点移到安全位置，而实践证明最可靠的方法就是在电容器回路中串联电抗器。
7.2 电容器回路串电抗
电容器串电抗后形成一个串联谐振回路，在谐振频率下呈现出很低的阻抗(理论上为0)。如果串联谐振频率与电网特征谐波频率一致，则成为纯滤波回路。如果只吸收少量谐波，则称为失谐滤波回路。
失谐波回路的主要用途是防止谐波放大，滤波效果不大，回路串联谐振频率通常低于电网的最低次特征谐波频率，即设定为基波频率的3.8～4.2倍。
工程计算公式为:
电抗器电抗XL=电容器容抗Xc的百分比(X%)或者:电抗器功率QL=电容器基波容量QC的百分比(X%)
电抗器电抗或容量一般为电容器容抗或容量的6%～7%。在选择X=6%时，谐振次数为V=4.08。
失谐滤波回路只吸收少量5次及以上的谐波，谐波源产生的谐波的大部分流入电网，电容器容量根据预计达到的功率因数值确定。纯滤波回路的主要用途是吸收谐波，同时补偿基波无功功率。
在串联谐振状态下，滤波回路的合成阻抗Xs接近于0，因此可对相关谐波形成“短路”。
在谐振频率以下滤波回路呈容性，因此能够输出容性基波无功功率以补偿感性无功功率。在谐振频率以上滤波回路呈感性。
由于滤波回路在谐振点以下呈容性，所以在其特征频率以下又与电网电感形成并联谐振回路。如果在这个频率范围内没有特征谐波，则并联谐振对电网不会产生危害。
设计滤波回路时，应从最低次谐波开始，例如对于6脉动桥式变流器的谐波，应从5次谐波开始设置滤波回路。多个滤波回路的并联谐振频率。当电容器采用△形接线，则滤波回路的谐振频率一般设定为特征谐波频率的96%～98%，以便平衡电网的频率波动和环境温度变化引起的电容量的改变，滤波回路除了输出基波无功功率外，还要承受谐波负荷，多个不同谐振频率的滤波器在两个过0点间会出现一个并联谐振点。
7.3 滤波回路的无功功率调节
由于滤波回路的主要任务是吸收电网谐波，所以限制了对基波无功功率进行调节的灵活性，只能对各个回路进行投切，投入的顺序为从低次到高次，切除的顺序为从高次到低次。对于容量较大的补偿滤波装置，可以采取纯滤波回路和失谐滤波回路结合的方法，即纯滤波回路固定运行，补偿基本负荷，失谐滤波回路作为调节运行。
对于低压谐波装置，也可以采取多个同次滤波回路并联的方法，但需注意以下两点:a)失谐滤波回路可以并联运行，用于对滤波效果没有严格要求的场所。b)同次调谐滤波回路并联运行会出现问题。在谐振频率下回路阻抗理论上为0，但实际上电流不可能在2个支路间平均分配，其主要原因:——由于元件制作误差、环境温度变化、电容器老化和元件容丝的动作等因素影响，导致各支路阻抗不为0，并且互有差异。电感和电容的调谐精度的限制。不可能将两个支路的参数调得完全一样。如果两个同次滤波回路中的一个在特征谐波频率下呈感性，另一个呈容性，则会产生并联谐振，使谐波放大。
如果经过经济技术比较需要采用并联方式，可以将两个支路均调为在特征谐波频率下呈感性，即ωr<v×ωl，各支路电阻接近，可以较好解决电流分配问题，但是滤波效果要降低。 如果既要吸收谐波，又要保持调节的灵活性，可以采用并联支路的方式，即若干个同次滤波回路同时接入电网，各支路的电容同时并联，形成一个总的滤波回路，调节时可以投切其中的一个或多个并联支路。这种方式不会出现支路间的并联谐振，同时提高了滤波效果。除了对电容器分组调节以外，对于负载波动频繁的场合，采用动态补偿及滤波装置是最佳的解决方案。
7.4 滤波回路的选择
选择滤波回路有以下两个原则:
a)主要用于吸收谐波，降低电网电压畸变，基波无功补偿居次要位置。
b)提高电网功率因数，同时吸收谐波，电容器容量按无功补偿的要求配置。
7.5 滤波回路的效应
在谐振频率下滤波回路仍然具有电阻，因此会产生损耗。图6原理图中忽略了所有其他负载，包括电缆电容，但并不影响计算准确度。
电容器容量越小，谐振曲线越陡，一旦失谐，会有大量谐波电流进入电网。电容器容量越大，滤波效果也越好。 品质因数改变时谐振曲线只在特征谐波附近变化，在滤波器调谐频率与谐波频率相等或相近的情况下，品质因数越高，滤波效果越好。考虑到电容器和电抗器制造技术和费用等条件，品质因数一般在30～80之间。
谐波分流特性只适用于谐波源和滤波器稳定状态，在谐波源(例如可逆轧机传动)动态变化过程中，谐波电流的每次改变均会引起滤波器震荡，滤波器回路电阻越大(品质因数越小)，则震荡时间越短，但滤波效果要降低。对于频繁变化的谐波源负载，在过渡过程期间，电网要承受较大的谐波电流。
7.6 电网分析与计算
设计补偿装置和滤波回路时，除了计算选择元器件参数外，对于特定的供电系统还需要进行具体电网分析，模拟出设备投入后预期的效果。
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1 电抗器的作用
1.1 电抗器的限流和滤波作用
电网容量的扩大，使得系统短路容量的额定值迅速增大。如在500kV变电所的低压35kV侧， 最大的三相对称短路电流有效值已经接近50kA。为了限制输电线路的短路电流，保护电力设备，必须安装电抗器，电抗器能够减小短路电流和使短路瞬间系统的电压保持不变。
在电容器回路安装阻尼电抗器(即串联电抗器)，电容器回路投入时起抑制涌流的作用。同时与电容器组一起组成谐波回路，起各次谐波的滤波作用。如在500kV变电所35kV无功补偿装置的电容器回路中，为了限制投入电容器时的涌流和抑制电力系统的高次谐波，在35kV电容器回路中必须安装阻尼电抗器，抑制3次谐波时，采用额定电压35kV，额定电感量26.2mH，额定电流350A干式空心单相户外型阻尼电抗器，它与2.52Mvar电容器对3次谐波形成谐振回路，即3次谐波滤波回路。同样，为了抑制5次及以上高次谐波，采用了额定电压35kV，额定电感量9.2mH，额定电流382A单相户外型阻尼电抗器，它与2.52Mvar电容器对5次及以上高次谐波形成谐振回路。起到了抑制高次谐波的作用，需要说明的是，在国家标准《电抗器》 GB10229—88和IEC289—88国际标准中均对阻尼电抗器的使用和技术条件作了规定。但目前国内有些部门将阻尼电抗器称为串联电抗器，严格来讲是不合适的，因为上述标准中均没有串联电抗器这个名称。
1.2 电抗器在无功补偿装置中的作用
随着我国500kV电力系统的发展，以及电气化铁路和大型钢铁基地的建设，在大型枢纽变电 所中需要安装静止补偿装置的趋势越来越明显。静止补偿装置对负载突变的反映速度快(一般响应时间为0.02～0.04s)，具有平滑的无功功率和电压调节特性。因此它能够稳定电力系统电压，有效地补偿电力系统的无功功率系数，抑制电压的波动，维持电力系统处于三相平衡状态，抑制电力系统的次同步振荡。此外安装在电力系统枢纽点的静止补偿装置还能起降低电力系统暂态超压的作用。因此各大电网均要求大中型变电站必须安装电抗器来补偿电容性的无功功率，做到就地补偿，就地平衡，以保证电力系统的安全运行。
电抗器是无功补偿中频电源装置的重要组成部分之一，并联电抗器用来提供感抗值消耗电力系统过剩 的电容性无功功率，这在电力系统初期输送功率较小的时候以及电力系统后期在每日深夜轻负荷的时候都是十分必要的。因为在上述两种情况下，输电线路的无功功率损耗小，由于电容效应，输电线路产生的无功功率大于输电线路消耗的无功功率，在整个电力系统中存在剩余的无功功率(电容性)，必须安装并联电抗器来消耗这部分剩余的无功功率，满足电力系统无功平衡的需要，维持电力系统的电压水平。否则电力系统的电压过高，无法安全运行。
近年来用减少静止补偿装置中晶闸管的数量，来节省整个装置的投资，有尽可能增大电容器组(简称TSC)容量和并联电抗器组(简称TCR)容量的趋势。在有的静止补偿装置中甚至取消了TSC回路，完全由固定电容器组(简称FC)代替。这样为了保持静止补偿装置具有连续平滑的无功功率和电压调节特性，就需要加大并联电抗器的总容量。因此，电抗器的用量将越来越大。
串联在电容器回路中的阻尼电抗器除起到前面所叙述的限制涌流和高次谐波的作用外，也起到了无功补偿的作用。
2 电抗器使用寿命的分析
电抗器在额定负载下长期正常运行的时间，就是电抗器的使用寿命。电抗器使用寿命由制造它的材料所决定。制造电抗器的材料有金属材料和绝缘材料两大类。金属材料耐高温，而绝缘材料长期在较高的温度、电场和磁场作用下，会逐渐失去原有的力学性能和绝缘性能，例如变脆、机械强度减弱、电击穿。这个渐变的过程就是绝缘材料的老化。温度愈高，绝缘材料的力学性能和绝缘性能减弱得越快；绝缘材料含水分愈多，老化也愈快。电抗器中的绝缘材料要承受电抗器运行产生的负荷和周围环境的作用，这些负荷的总和、强度和作用时间决定绝缘材料的使用寿命。
这些负荷包括热性质的、机械性质的和电气性质的，周围环境的作用指潮湿、化学污染、灰 尘和各种射线。
由于热作用一方面可以引起化学变化，如导致绝缘材料原子结构中的链断裂，分子结构改变，分离反应和交链反应；另一方面由于金属导线和相邻的绝缘材料间的热膨胀差别很大，而产生机械破坏。
因电抗器运行产生的交变磁场而引起的机械负荷有压力、拉力、伸展、振动。强度太高时， 绝缘材料会产生撕裂拉断，损耗大会引起发热而产生破坏。周围环境中对电抗器起破坏作用的最普遍的是温度高、温度波动大和相对湿度大；其次有强光照射、灰尘、细沙、烟雾等；另外还有生物(如霉菌和细菌)的影响，以及一些动物(如白蚁)的侵害。在此要提一下各种辐射对绝缘材料均有一定的破坏作用，对于聚合的绝缘材料辐射分子量增加，或者由于链分裂，网状组织导致破坏。
电抗器运行时，它的使用寿命要受到以上各种负荷和环境的影响，其中负荷和环境的影响最大，因此，在保持足够的机械和电气特性下，温度稳定性和热状态均被看作是电抗器设计制造质量的重要指标，温度稳定性和热状态的突出影响是宁波市神光电炉有限公司科研人员研究热负荷和寿命之间关系的原因。为此，国际电工委员会(IEC)和国家标准局制定了电抗器的IEC标准和国家标准。表1为干式空心电抗器国家标准规定的温升限值。从表1可以看出，各种绝缘材料的耐热温度与相应温升的差值，随着绝缘等级的提高而增大。这是因为采用不同耐热等级的绝缘材料制造的电抗器，运行时的温升限值是不同的。当温升较高时，电抗器运行时的热流强度就要增大。一般来说，部件中温度的分布随热流强度的增加而趋于不均匀，其平均温度与最热点温度的差值也增大。
表1 干式空心电抗器国家标准规定的温升限值
|
绝缘等级
|
绝缘的温度等级
|
(电阻法测得的平均值)
温升限值
|
|
A
|
105
|
60
|
|
E
|
120
|
75
|
|
B
|
130
|
85
|
|
F
|
155
|
100
|
|
H
|
180
|
125
|
|
C
|
220
|
150
|
电抗器运行时，它的绕组既是导热介质，又是热源，它的温度一般来说在空间上总是按一定规律呈曲线分布。这样就有了最热点温升和平均温升之分，电抗器的发热限度以最热点温升为准，平均温升是检验设计是否合理和经济性能好坏的重要指标。平均温升与最热点温升之间有一定的规律性联系。可以用平均温升来衡量电抗器的发热情况，电抗器绕组绝缘的热寿命和绝缘是否受损应由绕组最热点温升来决定，而不是平均温度来决定。干式空心电抗器的使用寿命根据蒙特申格尔(Montsinger)的寿命定律来计算式中 T——绝缘材料的使用寿命
A——常数(根据电抗器所用绝缘材料的等级确定)
α——常数，约为0.88
θ——绝缘材料的温度
对于蒙特申格尔寿命定律的半对数θ＝f(lnT)，得到含有方向常数-1/α的直线，该直线如图所示，这就是绕组的寿命(绕组耐热等级为A、B和H)与绕组工作温度的函数关系。
图 A、B和H耐热等级绝缘绕组的寿命与绕组运行温度的函数关系
从式(1)和图中可以看出，每种绝缘材料都有一个固定的温度变化值。在某一统计期内，若电抗器的最热点温度比所用绝缘材料的最高允许温度低，则绝缘老化缓慢，寿命延长。反之，则绝缘老化加快，寿命缩短。对于电抗器的全部寿命而言，这一寿命的延长或缩短便构成了寿命的补偿。每种绝缘材料的寿命减小到一半或寿命增加一倍的温度变化值是固定不变的。该温度变化值对于A级为8℃，对于B级为8～10℃，对于H级为12℃。由于A级的Δθ＝ 8℃，因而蒙特申格尔寿命定律还称为8℃规则，H级一般称为12℃规则。
我们知道，每种绝缘材料均有其耐热的绝对最高温度(见表2)，当超过其绝对最高温度时， 绝 缘材料将迅速碳化而失去绝缘性能和力学性能。因此若电抗器经常过负荷运行时，一定要在 订货时与制造厂协商，在设计和制造过程中考虑经常过负荷的工作状态。
表2 绝缘等级和绝对最高温度的关系
|
绝缘等级温度/℃
|
105(A)
|
120(E)
|
130(B)
|
155(F)
|
180(H)
|
220(C)
|
|
绝对最高温度/℃
|
150
|
175
|
185
|
210
|
235
|
260
|
7.1 对原有变流器负荷的补偿 当电网接有谐波源负载(例如变流器等)时，不能将补偿电容器直接接于电网，因为电容器与电网阻抗形成并联谐振回路，在对谐振频率进行估算时，可以根据电网短路功率Sk"和电容器基波补偿容量Qc1计算Vr=F(Qcl/Sk")。
在5次谐波频率下电网具有谐振，并联阻抗Xp大大升高，由谐波源发出的5次谐波电流流入谐振回路后，会产生很高的谐波电压，谐波电压叠加在基波电压上，导致电压波形发生畸变。在电网和电容器之间流动的平衡电流可达谐波源发出的电流的数倍，即谐波放大，此时变压器和电容器承受大于正常情况的负荷，特别是电容器，长期运行于过负荷状态，加速绝缘老化，甚至击穿爆炸。可以根据电网阻抗和电容器容抗预先计算出并联谐振频率，调整电容器容量配置，使并联谐振频率与特征谐波频率保持一定的距离，避免谐波放大。但是实际的电网阻抗不为常数，而时常处于不断变化之中，很难完全避开谐振，特别当电容器分组调节运行时，情况更为复杂。
当需要对接有谐波源设备的电网进行补偿时，必须采取技术措施，将并联谐振点移到安全位置，而实践证明最可靠的方法就是在电容器回路中串联电抗器。
7.2 电容器回路串电抗
电容器串电抗后形成一个串联谐振回路，在谐振频率下呈现出很低的阻抗(理论上为0)。如果串联谐振频率与电网特征谐波频率一致，则成为纯滤波回路。如果只吸收少量谐波，则称为失谐滤波回路。
失谐波回路的主要用途是防止谐波放大，滤波效果不大，回路串联谐振频率通常低于电网的最低次特征谐波频率，即设定为基波频率的3.8～4.2倍。
工程计算公式为:
电抗器电抗XL=电容器容抗Xc的百分比(X%)或者:电抗器功率QL=电容器基波容量QC的百分比(X%)
电抗器电抗或容量一般为电容器容抗或容量的6%～7%。在选择X=6%时，谐振次数为V=4.08。
失谐滤波回路只吸收少量5次及以上的谐波，谐波源产生的谐波的大部分流入电网，电容器容量根据预计达到的功率因数值确定。纯滤波回路的主要用途是吸收谐波，同时补偿基波无功功率。
在串联谐振状态下，滤波回路的合成阻抗Xs接近于0，因此可对相关谐波形成“短路”。
在谐振频率以下滤波回路呈容性，因此能够输出容性基波无功功率以补偿感性无功功率。在谐振频率以上滤波回路呈感性。
由于滤波回路在谐振点以下呈容性，所以在其特征频率以下又与电网电感形成并联谐振回路。如果在这个频率范围内没有特征谐波，则并联谐振对电网不会产生危害。
设计滤波回路时，应从最低次谐波开始，例如对于6脉动桥式变流器的谐波，应从5次谐波开始设置滤波回路。多个滤波回路的并联谐振频率。当电容器采用△形接线，则滤波回路的谐振频率一般设定为特征谐波频率的96%～98%，以便平衡电网的频率波动和环境温度变化引起的电容量的改变，滤波回路除了输出基波无功功率外，还要承受谐波负荷，多个不同谐振频率的滤波器在两个过0点间会出现一个并联谐振点。
7.3 滤波回路的无功功率调节
由于滤波回路的主要任务是吸收电网谐波，所以限制了对基波无功功率进行调节的灵活性，只能对各个回路进行投切，投入的顺序为从低次到高次，切除的顺序为从高次到低次。对于容量较大的补偿滤波装置，可以采取纯滤波回路和失谐滤波回路结合的方法，即纯滤波回路固定运行，补偿基本负荷，失谐滤波回路作为调节运行。
对于低压谐波装置，也可以采取多个同次滤波回路并联的方法，但需注意以下两点:a)失谐滤波回路可以并联运行，用于对滤波效果没有严格要求的场所。b)同次调谐滤波回路并联运行会出现问题。在谐振频率下回路阻抗理论上为0，但实际上电流不可能在2个支路间平均分配，其主要原因:——由于元件制作误差、环境温度变化、电容器老化和元件容丝的动作等因素影响，导致各支路阻抗不为0，并且互有差异。电感和电容的调谐精度的限制。不可能将两个支路的参数调得完全一样。如果两个同次滤波回路中的一个在特征谐波频率下呈感性，另一个呈容性，则会产生并联谐振，使谐波放大。
如果经过经济技术比较需要采用并联方式，可以将两个支路均调为在特征谐波频率下呈感性，即ωr<v×ωl，各支路电阻接近，可以较好解决电流分配问题，但是滤波效果要降低。 如果既要吸收谐波，又要保持调节的灵活性，可以采用并联支路的方式，即若干个同次滤波回路同时接入电网，各支路的电容同时并联，形成一个总的滤波回路，调节时可以投切其中的一个或多个并联支路。这种方式不会出现支路间的并联谐振，同时提高了滤波效果。除了对电容器分组调节以外，对于负载波动频繁的场合，采用动态补偿及滤波装置是最佳的解决方案。
7.4 滤波回路的选择
选择滤波回路有以下两个原则:
a)主要用于吸收谐波，降低电网电压畸变，基波无功补偿居次要位置。
b)提高电网功率因数，同时吸收谐波，电容器容量按无功补偿的要求配置。
7.5 滤波回路的效应
在谐振频率下滤波回路仍然具有电阻，因此会产生损耗。图6原理图中忽略了所有其他负载，包括电缆电容，但并不影响计算准确度。
电容器容量越小，谐振曲线越陡，一旦失谐，会有大量谐波电流进入电网。电容器容量越大，滤波效果也越好。 品质因数改变时谐振曲线只在特征谐波附近变化，在滤波器调谐频率与谐波频率相等或相近的情况下，品质因数越高，滤波效果越好。考虑到电容器和电抗器制造技术和费用等条件，品质因数一般在30～80之间。
谐波分流特性只适用于谐波源和滤波器稳定状态，在谐波源(例如可逆轧机传动)动态变化过程中，谐波电流的每次改变均会引起滤波器震荡，滤波器回路电阻越大(品质因数越小)，则震荡时间越短，但滤波效果要降低。对于频繁变化的谐波源负载，在过渡过程期间，电网要承受较大的谐波电流。
7.6 电网分析与计算
设计补偿装置和滤波回路时，除了计算选择元器件参数外，对于特定的供电系统还需要进行具体电网分析，模拟出设备投入后预期的效果。
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