户外10 kV并联电容器组用干式空心电抗器布置研究

李 聪，崔 瑞，王 瑞

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

并联电容器成套装置包含串联电抗器，串联电抗器的主要作用是抑制谐波和限制合闸涌流，干式空心电抗器结构简单、线性好、抗短路能力强，成为了户外并联电容器组用串联电抗的首选［1］。

干式空心串联电抗器有三相平放布置和三相叠放布置，两种布置方式在变电站中都有大量的应用，运检部门对叠装布置反映比较强烈，有必要对干式空心串联电抗器的布置方式和运行状况进行调研分析。

干式空心串联电抗器三相叠放式安装可以缩小占地面积，既能节约宝贵的土地资源，又可为工程投资减少征地费用，但平放布置由于相间距离大，有利于防止相间事故和缩小事故范围。设备的经济性和安全可靠性如何取舍，本文对此进行了研究。

1 10 kV并联电容器组用干式空心串联电抗器的调研统计分析

搜集几个省电力公司10 kV干式空心串联电抗器的运维和事故情况，对各省份自2004年至2017年这13年的事故情况进行统计（表1）。

表1 网省公司干式空心电抗器事故进行统计

对调查结果进行统计分析，10 kV电容器组用串联电抗器叠放占的比例大概是70%，平放所占的比例约是30%，表示在目前运行中的10 kV串抗中叠放占大多数，叠放的数量大概是平放数量的2.3倍。

分析2004年至2017年这13年来几个省份的调研统计结果，10 kV干式空心串联电抗器平放均事故率约为1.14%，年平均事故率约0.088%，叠放的平均事故率是1.48%，平放的平均事故率是0.32%，叠放布置的事故率比平放布置的事故率要高。经计算，叠放的年平均事故率是0.114%，平放的年平均事故率是0.025%，叠放的事故率约是平放事故率的5倍。

1.1 10 kV并联电容器组用干式空心串联电抗器故障分析

1.1.1 故障及设备损坏统计

统计山西省电力公司自2004年—2017年故障情况，共发生26次故障，造成电抗器损坏24台。其中采用三相平装布置的空心串联电抗器266台，故障次数7次，均为单相故障，未发生相间故障和三相故障，电抗器损坏7台；采用三相叠装布置的空心串联电抗器1 046台，故障次数19次，其中单相故障15次，相间故障（含三相故障） 4次，共电抗器损坏17台（见表2、图1所示）。

表2 故障情况统计表

图1 不同故障类型的故障比例

1.1.2 故障及设备损坏情况分析

根据运检部统计材料，三相平装的10 kV串联电抗器发生了7次单相故障，故障主要原因如下。

a）电抗器制造工艺不良，绕组铝材中含有杂质，含有杂质部分的电阻率较高，电抗器各线圈分布不均匀，正常运行时存在局部过热缺陷。

b)电抗器制造工艺不良，绝缘材料老化严重，当并联电容器组投切次数较多时，电抗器频繁遭受合闸涌流的冲击，加快了绝缘介质的老化和劣化，最终导致了绕组匝间短路。

三相叠装的10 kV串联电抗器共发生了19次事故，其中单相事故15次，相间事故4次，造成单相故障的原因主要有3条。

a)电抗器外部树脂绝缘材料老化开裂，长期运行导致绕组间整体的绝缘降低，造成短路起火。

b)谐波导致电抗器容抗值增大，造成电抗器电流增大，容易造成对该电抗器过负荷运行，长期频繁投切对电抗器的冲击形成累积效应，最终导致线圈变形、烧损。

c)电抗器有发热烧痕、内部击穿。

第一条原因引起故障11次，造成设备着火烧毁；第二条引起故障2次，均造成电抗器线圈变形，第三条引起故障2次，未造成设备损坏，损坏原因主要是设备老化或设备本体存在缺陷。

三相叠装相间故障（含三相故障） 共发生4次，原因有2条。

a)有2次是因为鸟类羽毛粪便掉落在电抗器绕组绝缘层缝隙间，造成散热不良。绝缘材料在长期较高的温度、电场、磁场作用下会逐步失去原有的力学性能与机械性能，造成电抗器绝缘材料击穿。

b)另外2次是电抗器发生相间短路故障，在瞬间通过较大的短路电流的情况下，A、B两相绕线相反，使支柱瓷瓶承受了2个较大的反方向电动力，超过了支柱瓷瓶本身能够承受的拉伸力导致支柱瓷瓶扭转断裂。

通过上述分析可以看出，造成10 kV串联空心电抗器故障和设备损坏的主要原因是设备本体缺陷（老化、制造原因等），干式电抗器单相故障占多数，故障率最高的情况是绝缘降低匝间短路，导致电抗器烧毁，其主要原因在于电抗器本身的制造工艺、材料等质量问题。设备本体缺陷与电抗器布置方式关系不大，可通过加强设备监测，严格把关设备质量，及时消缺等手段降低故障发生、减少设备故障数量。

2 10 kV并联电容器组在不同电压等级变电站的应用

并联电容器组宜装置在变压器的主要负荷侧，当不具备条件时，可装置在变压器的低压侧。对于建有10 kV并联电容器组的变电站而言，其一定是建设在了变压器的低压侧，而10 kV电压等级一般是面向了电力用户负荷。

建有10 kV并联电容器组的变电站有：220 kV变电站、110 kV变电站、66 kV变电站、35 kV变电站。

不同电压等级10 kV电容器组的应用情况见表3。

表3 不同电压等级10 kV电容器组的通用设计应用情况表

可以看出，变电站电压等级越高，单台电容器组的容量越大。在目前的通用设备中，220 kV变电站只存在8 000 kvar电容器组，110 kV变电站只存在3 600 kvar和4 800 kvar电容器组，66 kV变电站只存在4 000 kvar电容器组，10 kV变电站只存在1 000 kvar和2 000 kvar电容器组。

3 10 kV并联电容器组干式空心串联电抗器叠放与平放对比分析

3.1 电容器组串抗叠放与平放布置对比

每个干式空心电抗器都是单相的，以支柱绝缘子和非磁性金属底座支撑绕组实现其安装。单组电抗器有多种布置方式，常采用三相并列呈“一”字形或“品”字形以及三相叠装方式的布置方式。

3.1.1 干式空心电抗器平放布置

平放安装的干式空心电抗器，每两相电抗器之间的中心距需要满足不小于1.7D（D为电抗器外径）安全距离，单相周围满足不小于1.1D安全距离。相比叠放电抗器的布置形式，平放电抗器的布置形式使不同相之间拉开了更大的距离，有利于防止相间短路和缩小事故范围。平放安装的主要优点是电抗器发生相间短路的概率较小，这种布置对电抗器的运行安全性比三相叠装高。其主要缺陷是占地面积较大，设备制造成本比较高。为节约占地面积，干式空心电抗器宜为“瘦高”型，但是，电抗器做的又细又高，不利于电抗器散热，电抗器运行温度升高。根据Montsinger寿命定律，温度每升高10℃，绝缘材料的使用寿命会减少一半，这种局部过热现象会加剧绝缘老化，最终导致空心电抗器匝间短路引起着火燃烧［2－3］。因此，干式空心电抗器不能完全追求细高型，其高度与外径比值在0.6～1.2为宜，为此列出了各方面参数性能都比较理想的3.6 Mvar并联电容器组串抗平放布置方案，如图2所示。

图2 3.6 Mvar电容器组串抗平放布置图（mm）

3.1.2 干式空心电抗器叠放布置

叠放安装的干式空心电抗器，三相相间电气距离依靠相间支柱绝缘子，绝缘距离与平放相比大大减小，主要缺陷是容易发生相间短路事故。

另外，一般B相电抗器在A、C两相电抗器中间放置，其进出线与A、C相距离很近，所以在实际运行中，B相事故率相对较高。更为严重的，当B相电抗器发生故障后，带有烟尘的热空气会向上浮动进而会导致其与A相电抗器之间的绝缘子被击穿，最终引发A、B相间短路。

叠放安装的电抗器的优点主要是成本低，首先因为占地面积小，节约了土地成本，其次是因为三相产品相互之间比较近，存在互感，电抗器的本体高度能比同型号的平放电抗器低一点，节约了制造成本。电抗器叠放布置，电抗器宜做成“矮胖”型，列出了各方面参数性能都比较理想的3.6 Mvar并联电容器组串抗叠放布置方案，如图3所示。

图3 3.6 Mvar电容器组串抗叠放方案布置图（mm）

3.2 10 kV电容器组串抗叠放与平放经济指标对比

对于存在10 kV电压等级的变电站一般是需要面向企业用户的，其地理位置虽不在市区，但也不是在荒僻的地区，离市郊区不会太远，征地费用相对而言偏高一些。按25万元/亩进行估算，折合380元/m2；混凝土目前价格在400～500元（含税）之间；户外10 kV电容器成套装置的总价约40元/kvar，其中的干式空心串抗约占总价的25%。

根据上述计算过程，对3.6 Mvar、4.8 Mvar、6.0 Mvar、8.0 Mvar的电容器组叠放与平放的建设成本和维护成本进行计算得到表4。

从表4可以看出，虽然10 kV电容器组串抗叠放布置的故障率较平放故障率高些，但是叠放布置的占地和基础成本节约量更加可观，把10 kV电容器组的前期建设成本和后期设备故障的维护成本统筹分析计算，串联电抗器采用叠放布置方式在全寿命周期内经济效益更占优。

另外还发现，电抗器的后期维护成本是随电容器组容量成正比例增加的，但是电抗器采用叠放节约的土地量并不与电容器组容量成正比。这说明，随着电容器组容量的增加，叠放电抗器节约的成本越来越少，其节约量与总设备成本的比值下降的更快，所以串抗叠放布置在越小容量的电容器组上应用，越能体现串联电抗器叠放布置的成本优势[4]。

对于8 Mvar及10 Mvar容量的10 kV电容器组，采用叠放布置节约的总成本在千数元水平，这相对于32万元的成套电容器组而言，不及1%。另外8 Mvar及以上的电容器组一般不用于110 kV及以下电压等级变电站，而是一般用于220 kV变电站。鉴于220 kV变电站在系统中的重要性及其停电的影响范围，推荐220 kV变电站采用故障率更低的串抗平放布置方案，110 kV及以下电压等级变电站采用串抗叠放布置方案。

4 结论

通过调研分析发现，造成10 kV串联空心电抗器故障和设备损坏的主要是由于设备本体缺陷（老化、制造原因等）。其主要原因在于电抗器本身的制造工艺、材料等质量问题，干式电抗器单相故障占多数，故障率最高的情况是绝缘降低匝间短路，导致电抗器烧毁。

干式空心电抗的电感值与线圈外径D和高度H成正比；在同等电感值的情况下，线圈外径D越小，则线圈高度越高，两者是一个此消彼长的关系，同时电抗器越瘦高，需要的导线量也越大，产品重量也越大。另外，电抗器做的又细又高，不利于电抗器散热，电抗器运行温度升高，会缩短电抗器寿命。

表4 电容器组叠放与平放的建设成本和维护成本对比

经过大量的布置和分析研究，分别得出了适用于平放和叠放布置的推荐方案，对两种方案的建设和维护成本进行综合对比，认为采用叠放布置的综合性价比是占优的。串抗叠放布置在越小容量的电容器组上应用，越能体现串联电抗器叠放布置的成本优势；电容器组容量越大，串抗叠放布置的成本优势越低。本着安全、经济、可靠的原则，推荐对于应用8 Mvar及以上容量电容器组的220 kV变电站采用串抗平放布置方案，110 kV及以下电压等级变电站采用串抗叠放布置方案。