关于感性无功补偿的一些技术问题

摘要：概述了电力系统感性无功补偿的发展及其作用，并对工程实践的若干技术问题进行了分析，强调今后应解决好设备制造和工程设计问题。

关键词：感性无功补偿；容性充电功率；并联电抗器

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5070MVA，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。高抗和低抗的作用是有区别的，它们在电网中的作用，可以归纳如下： 1.1高抗的作用高抗安装在超高压变电所的开关站里，吸收超高压架空线路的容性充电功率，可以起到降低工频暂态过电压和限制操作过电压的作用，能达到提高系统稳定性和输送能力，减少线路中传输的无功，这样就可以降低有功损耗——线损，提高输电效率；还能降低工频稳态电压利于系统同期；有利于消除同步电机带空载长线可能出现的自励磁现象。高抗中性点装设小电抗，可以补偿输电线路相间和对地电容，加速潜供电弧熄灭，有利于超高压线路单相快速重合闸的实现。综合上述，高抗是超高压变压所和开关站里的重要设备，对电网的安全运行起着重要作用。 1.2低抗的作用低抗通常分组装设于超高压变电所主要的低压侧，作用是维持无功平衡。当高抗装设容量不足或装设高抗有困难时，装设低抗可以起补足作用，按无功平衡的需要进行分组投切，运行灵活，投入低抗还可以抑制轻负荷时母线电压升高。 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8000 h以上，装在主变三次侧的低抗，年投运率也接近8 000 h。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60A，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。