戶外10 kV并聯(lián)電容器組用干式空心電抗器布置研究

李 聰，崔 瑞，王 瑞

（中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

并聯(lián)電容器成套裝置包含串聯(lián)電抗器，串聯(lián)電抗器的主要作用是抑制諧波和限制合閘涌流，干式空心電抗器結(jié)構(gòu)簡單、線性好、抗短路能力強，成為了戶外并聯(lián)電容器組用串聯(lián)電抗的首選［1］。

干式空心串聯(lián)電抗器有三相平放布置和三相疊放布置，兩種布置方式在變電站中都有大量的應(yīng)用，運檢部門對疊裝布置反映比較強烈，有必要對干式空心串聯(lián)電抗器的布置方式和運行狀況進行調(diào)研分析。

干式空心串聯(lián)電抗器三相疊放式安裝可以縮小占地面積，既能節(jié)約寶貴的土地資源，又可為工程投資減少征地費用，但平放布置由于相間距離大，有利于防止相間事故和縮小事故范圍。設(shè)備的經(jīng)濟性和安全可靠性如何取舍，本文對此進行了研究。

1 10 kV并聯(lián)電容器組用干式空心串聯(lián)電抗器的調(diào)研統(tǒng)計分析

搜集幾個省電力公司10 kV干式空心串聯(lián)電抗器的運維和事故情況，對各省份自2004年至2017年這13年的事故情況進行統(tǒng)計（表1）。

表1 網(wǎng)省公司干式空心電抗器事故進行統(tǒng)計

對調(diào)查結(jié)果進行統(tǒng)計分析，10 kV電容器組用串聯(lián)電抗器疊放占的比例大概是70%，平放所占的比例約是30%，表示在目前運行中的10 kV串抗中疊放占大多數(shù)，疊放的數(shù)量大概是平放數(shù)量的2.3倍。

分析2004年至2017年這13年來幾個省份的調(diào)研統(tǒng)計結(jié)果，10 kV干式空心串聯(lián)電抗器平放均事故率約為1.14%，年平均事故率約0.088%，疊放的平均事故率是1.48%，平放的平均事故率是0.32%，疊放布置的事故率比平放布置的事故率要高。經(jīng)計算，疊放的年平均事故率是0.114%，平放的年平均事故率是0.025%，疊放的事故率約是平放事故率的5倍。

1.1 10 kV并聯(lián)電容器組用干式空心串聯(lián)電抗器故障分析

1.1.1 故障及設(shè)備損壞統(tǒng)計

統(tǒng)計山西省電力公司自2004年—2017年故障情況，共發(fā)生26次故障，造成電抗器損壞24臺。其中采用三相平裝布置的空心串聯(lián)電抗器266臺，故障次數(shù)7次，均為單相故障，未發(fā)生相間故障和三相故障，電抗器損壞7臺；采用三相疊裝布置的空心串聯(lián)電抗器1 046臺，故障次數(shù)19次，其中單相故障15次，相間故障（含三相故障） 4次，共電抗器損壞17臺（見表2、圖1所示）。

表2 故障情況統(tǒng)計表

圖1 不同故障類型的故障比例

1.1.2 故障及設(shè)備損壞情況分析

根據(jù)運檢部統(tǒng)計材料，三相平裝的10 kV串聯(lián)電抗器發(fā)生了7次單相故障，故障主要原因如下。

a）電抗器制造工藝不良，繞組鋁材中含有雜質(zhì)，含有雜質(zhì)部分的電阻率較高，電抗器各線圈分布不均勻，正常運行時存在局部過熱缺陷。

b)電抗器制造工藝不良，絕緣材料老化嚴重，當(dāng)并聯(lián)電容器組投切次數(shù)較多時，電抗器頻繁遭受合閘涌流的沖擊，加快了絕緣介質(zhì)的老化和劣化，最終導(dǎo)致了繞組匝間短路。

三相疊裝的10 kV串聯(lián)電抗器共發(fā)生了19次事故，其中單相事故15次，相間事故4次，造成單相故障的原因主要有3條。

a)電抗器外部樹脂絕緣材料老化開裂，長期運行導(dǎo)致繞組間整體的絕緣降低，造成短路起火。

b)諧波導(dǎo)致電抗器容抗值增大，造成電抗器電流增大，容易造成對該電抗器過負荷運行，長期頻繁投切對電抗器的沖擊形成累積效應(yīng)，最終導(dǎo)致線圈變形、燒損。

c)電抗器有發(fā)熱燒痕、內(nèi)部擊穿。

第一條原因引起故障11次，造成設(shè)備著火燒毀；第二條引起故障2次，均造成電抗器線圈變形，第三條引起故障2次，未造成設(shè)備損壞，損壞原因主要是設(shè)備老化或設(shè)備本體存在缺陷。

三相疊裝相間故障（含三相故障） 共發(fā)生4次，原因有2條。

a)有2次是因為鳥類羽毛糞便掉落在電抗器繞組絕緣層縫隙間，造成散熱不良。絕緣材料在長期較高的溫度、電場、磁場作用下會逐步失去原有的力學(xué)性能與機械性能，造成電抗器絕緣材料擊穿。

b)另外2次是電抗器發(fā)生相間短路故障，在瞬間通過較大的短路電流的情況下，A、B兩相繞線相反，使支柱瓷瓶承受了2個較大的反方向電動力，超過了支柱瓷瓶本身能夠承受的拉伸力導(dǎo)致支柱瓷瓶扭轉(zhuǎn)斷裂。

通過上述分析可以看出，造成10 kV串聯(lián)空心電抗器故障和設(shè)備損壞的主要原因是設(shè)備本體缺陷（老化、制造原因等），干式電抗器單相故障占多數(shù)，故障率最高的情況是絕緣降低匝間短路，導(dǎo)致電抗器燒毀，其主要原因在于電抗器本身的制造工藝、材料等質(zhì)量問題。設(shè)備本體缺陷與電抗器布置方式關(guān)系不大，可通過加強設(shè)備監(jiān)測，嚴格把關(guān)設(shè)備質(zhì)量，及時消缺等手段降低故障發(fā)生、減少設(shè)備故障數(shù)量。

2 10 kV并聯(lián)電容器組在不同電壓等級變電站的應(yīng)用

并聯(lián)電容器組宜裝置在變壓器的主要負荷側(cè)，當(dāng)不具備條件時，可裝置在變壓器的低壓側(cè)。對于建有10 kV并聯(lián)電容器組的變電站而言，其一定是建設(shè)在了變壓器的低壓側(cè)，而10 kV電壓等級一般是面向了電力用戶負荷。

建有10 kV并聯(lián)電容器組的變電站有：220 kV變電站、110 kV變電站、66 kV變電站、35 kV變電站。

不同電壓等級10 kV電容器組的應(yīng)用情況見表3。

表3 不同電壓等級10 kV電容器組的通用設(shè)計應(yīng)用情況表

可以看出，變電站電壓等級越高，單臺電容器組的容量越大。在目前的通用設(shè)備中，220 kV變電站只存在8 000 kvar電容器組，110 kV變電站只存在3 600 kvar和4 800 kvar電容器組，66 kV變電站只存在4 000 kvar電容器組，10 kV變電站只存在1 000 kvar和2 000 kvar電容器組。

3 10 kV并聯(lián)電容器組干式空心串聯(lián)電抗器疊放與平放對比分析

3.1 電容器組串抗疊放與平放布置對比

每個干式空心電抗器都是單相的，以支柱絕緣子和非磁性金屬底座支撐繞組實現(xiàn)其安裝。單組電抗器有多種布置方式，常采用三相并列呈“一”字形或“品”字形以及三相疊裝方式的布置方式。

3.1.1 干式空心電抗器平放布置

平放安裝的干式空心電抗器，每兩相電抗器之間的中心距需要滿足不小于1.7D（D為電抗器外徑）安全距離，單相周圍滿足不小于1.1D安全距離。相比疊放電抗器的布置形式，平放電抗器的布置形式使不同相之間拉開了更大的距離，有利于防止相間短路和縮小事故范圍。平放安裝的主要優(yōu)點是電抗器發(fā)生相間短路的概率較小，這種布置對電抗器的運行安全性比三相疊裝高。其主要缺陷是占地面積較大，設(shè)備制造成本比較高。為節(jié)約占地面積，干式空心電抗器宜為“瘦高”型，但是，電抗器做的又細又高，不利于電抗器散熱，電抗器運行溫度升高。根據(jù)Montsinger壽命定律，溫度每升高10℃，絕緣材料的使用壽命會減少一半，這種局部過熱現(xiàn)象會加劇絕緣老化，最終導(dǎo)致空心電抗器匝間短路引起著火燃燒［2－3］。因此，干式空心電抗器不能完全追求細高型，其高度與外徑比值在0.6～1.2為宜，為此列出了各方面參數(shù)性能都比較理想的3.6 Mvar并聯(lián)電容器組串抗平放布置方案，如圖2所示。

圖2 3.6 Mvar電容器組串抗平放布置圖（mm）

3.1.2 干式空心電抗器疊放布置

疊放安裝的干式空心電抗器，三相相間電氣距離依靠相間支柱絕緣子，絕緣距離與平放相比大大減小，主要缺陷是容易發(fā)生相間短路事故。

另外，一般B相電抗器在A、C兩相電抗器中間放置，其進出線與A、C相距離很近，所以在實際運行中，B相事故率相對較高。更為嚴重的，當(dāng)B相電抗器發(fā)生故障后，帶有煙塵的熱空氣會向上浮動進而會導(dǎo)致其與A相電抗器之間的絕緣子被擊穿，最終引發(fā)A、B相間短路。

疊放安裝的電抗器的優(yōu)點主要是成本低，首先因為占地面積小，節(jié)約了土地成本，其次是因為三相產(chǎn)品相互之間比較近，存在互感，電抗器的本體高度能比同型號的平放電抗器低一點，節(jié)約了制造成本。電抗器疊放布置，電抗器宜做成“矮胖”型，列出了各方面參數(shù)性能都比較理想的3.6 Mvar并聯(lián)電容器組串抗疊放布置方案，如圖3所示。

圖3 3.6 Mvar電容器組串抗疊放方案布置圖（mm）

3.2 10 kV電容器組串抗疊放與平放經(jīng)濟指標對比

對于存在10 kV電壓等級的變電站一般是需要面向企業(yè)用戶的，其地理位置雖不在市區(qū)，但也不是在荒僻的地區(qū)，離市郊區(qū)不會太遠，征地費用相對而言偏高一些。按25萬元/畝進行估算，折合380元/m2；混凝土目前價格在400～500元（含稅）之間；戶外10 kV電容器成套裝置的總價約40元/kvar，其中的干式空心串抗約占總價的25%。

根據(jù)上述計算過程，對3.6 Mvar、4.8 Mvar、6.0 Mvar、8.0 Mvar的電容器組疊放與平放的建設(shè)成本和維護成本進行計算得到表4。

從表4可以看出，雖然10 kV電容器組串抗疊放布置的故障率較平放故障率高些，但是疊放布置的占地和基礎(chǔ)成本節(jié)約量更加可觀，把10 kV電容器組的前期建設(shè)成本和后期設(shè)備故障的維護成本統(tǒng)籌分析計算，串聯(lián)電抗器采用疊放布置方式在全壽命周期內(nèi)經(jīng)濟效益更占優(yōu)。

另外還發(fā)現(xiàn)，電抗器的后期維護成本是隨電容器組容量成正比例增加的，但是電抗器采用疊放節(jié)約的土地量并不與電容器組容量成正比。這說明，隨著電容器組容量的增加，疊放電抗器節(jié)約的成本越來越少，其節(jié)約量與總設(shè)備成本的比值下降的更快，所以串抗疊放布置在越小容量的電容器組上應(yīng)用，越能體現(xiàn)串聯(lián)電抗器疊放布置的成本優(yōu)勢[4]。

對于8 Mvar及10 Mvar容量的10 kV電容器組，采用疊放布置節(jié)約的總成本在千數(shù)元水平，這相對于32萬元的成套電容器組而言，不及1%。另外8 Mvar及以上的電容器組一般不用于110 kV及以下電壓等級變電站，而是一般用于220 kV變電站。鑒于220 kV變電站在系統(tǒng)中的重要性及其停電的影響范圍，推薦220 kV變電站采用故障率更低的串抗平放布置方案，110 kV及以下電壓等級變電站采用串抗疊放布置方案。

4 結(jié)論

通過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，造成10 kV串聯(lián)空心電抗器故障和設(shè)備損壞的主要是由于設(shè)備本體缺陷（老化、制造原因等）。其主要原因在于電抗器本身的制造工藝、材料等質(zhì)量問題，干式電抗器單相故障占多數(shù)，故障率最高的情況是絕緣降低匝間短路，導(dǎo)致電抗器燒毀。

干式空心電抗的電感值與線圈外徑D和高度H成正比；在同等電感值的情況下，線圈外徑D越小，則線圈高度越高，兩者是一個此消彼長的關(guān)系，同時電抗器越瘦高，需要的導(dǎo)線量也越大，產(chǎn)品重量也越大。另外，電抗器做的又細又高，不利于電抗器散熱，電抗器運行溫度升高，會縮短電抗器壽命。

表4 電容器組疊放與平放的建設(shè)成本和維護成本對比

經(jīng)過大量的布置和分析研究，分別得出了適用于平放和疊放布置的推薦方案，對兩種方案的建設(shè)和維護成本進行綜合對比，認為采用疊放布置的綜合性價比是占優(yōu)的。串抗疊放布置在越小容量的電容器組上應(yīng)用，越能體現(xiàn)串聯(lián)電抗器疊放布置的成本優(yōu)勢；電容器組容量越大，串抗疊放布置的成本優(yōu)勢越低。本著安全、經(jīng)濟、可靠的原則，推薦對于應(yīng)用8 Mvar及以上容量電容器組的220 kV變電站采用串抗平放布置方案，110 kV及以下電壓等級變電站采用串抗疊放布置方案。