低压并联电抗器选型研究

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杨怀栋 YANG Huai-dong

(广州供电局有限公司系统规划研究中心,广州 510610)

(Guangzhou Power Supply Bureau Co.,Ltd. System Planning and Research Center,Guangzhou 510610,China)

摘要: 对油浸式电抗器、干式空芯电抗器和干式半芯电抗器的性能、占地面积、一次性投资和变电站全寿命周期的总投资进行分析比较。在此基础上,对变电站中低压并联电抗器的选型提出建议。

Abstract: This paper compares and analyzes the performance, area, the one-time investment, the total investment of the transformer substation´s life-cycle of the liquid immersed reactor, dry-type air-core reactor and dry-type semi-core reactor. Based on these, this paper puts forward suggestions for the selection of low voltage parallel reactor in the transformer substation.

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关键词 : 低压并联电抗器;油浸电抗器;干式空芯电抗器;干式半芯电抗器

Key words: low voltage parallel reactor;liquid immersed reactor;dry-type air-core reactor;dry-type semi-core reactor

中图分类号:TM472 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2014)34-0049-0

作者简介:杨怀栋(1982-),男,广东广州人,硕士研究生,工程师,研究方向为变电站电气一次设计,目前主要从事电力工程项目变电站电气一次专业审查工作。

0 引言

为了补偿输电线路的充电功率,将电力系统的电压控制在一个合理的范围,在电力系统的各个变电站配置了数量众多的并联电抗器。其中变压器低压侧的并联电抗器是以提供感性无功补偿为唯一目的。由于设备价格低,从成本效用的角度来看,变电站加装低压并联电抗器是感性无功补偿的理想方法。

1 低压并联电抗器选型及运行现状

在适用于户外且容量较大的低压并联电抗器中,主要采用的有油浸式和干式空芯2种型式。另外,干式半芯在国内部分变电站也获得了成功应用,但电压等级都在35kV以下,三相容量一般也都不超过60Mvar。除此之外,其它型式的电抗器数量很少。干式空芯电抗器由于其结构简单、无油,尤其是设备价格上的绝对优势,获得了大范围的采用。但是,随着干式空芯电抗器投运的数量增加、运行年限变长,其出现故障的数量和次数也逐渐增多。发生故障的电抗器既有加拿大传奇公司和奥地利SE公司的进口产品,也有北京、西安和鸡西等国内产品。从诸多故障分析来看,干式空芯电抗器发生故障并不全是产品制造工艺、地区环境因素等偶然的或者客观的因素造成的,更重要的是与干式空芯电抗器的固有劣势有着必然的联系。因此,对于变电站采用何种型式的电抗器有必要进行进一步的分析和研究。

2 干式空芯电抗器的优、劣势分析

干式空芯电抗器的技术特性在诸多文献中已有介绍,现仅将其优缺点列述如下:与油浸电抗器比较,干式空心电抗器具有以下优点:①结构简单;②无绝缘油;③供货厂家多;④运行数量多,运行经验丰富;⑤价格低廉。正是由于以上优点,促成了干式空芯电抗器在很大范围里被采用。

但干式空芯电抗器也存在着自身难以完全消除的一些缺点:①漏磁危害;②损耗较大;③占地尺寸较大;④易发生故障,且故障后不可修复,寿命较短。

随着供货数量不断增多和生产厂商对其产品进行的技术改进,干式空芯电抗器的总体故障率并不是很高,其使用寿命也在可接收的范围内。同时再加上设备价格上的优势,干式空芯电抗器目前仍是大容量低压并联电抗器的主流产品。

3 干式半芯电抗器的优、劣势分析

干式半芯电抗器在干式空芯电抗器的基础上进行了改进,在线圈中放入了由高导磁材料做成的芯柱,增加了线圈内的磁导率和磁通密度,使得线圈直径大幅度缩小,导线用量大大减少,损耗也随之大幅度降低。但是,除了占地面积和损耗比干式空芯电抗器要小以外,干式半芯电抗器并没有改进干式空芯电抗器的其它固有缺点,如抵御恶劣环境能力差、漏磁危害,以及易发生故障,故障后不可修复,寿命较短等。且由于此类型电抗器的供货厂家较少,产品的成熟程序也不及干式空芯电抗器和油浸电抗器,价格较高。随着供货数量和生产厂商的不断增多,干式半芯电抗器的价格势必会有所降低。同时,由于其技术上的优势,干式半芯电抗器有望在今后的使用中成为干式空芯电抗器的替代产品。

4 油浸电抗器的优、劣势分析

油浸电抗器由于外壳具有保护作用,其主要部件在封闭环境中运行,基本不受外部环境影响,具有较好的运行稳定性和较长的寿命。另外它还具有损耗小,无漏磁污染,容易监测,占地尺寸较小,故障后可修复等优点。单从使用性能上看,油浸电抗器具有较大优势。同时,油浸式电抗器可以通过对变压器油中气体、油温及油箱内压力的监测来实现对电抗器状态的监控,在电抗器绝缘状态出现变化时能够及时反映,从而在一定程度上避免突发事故,提高供电可靠性。这也适应了建设智能型变电站的要求。唯一阻碍油浸电抗器推广使用的缺点是,它的价格较高,约是干式空芯电抗器的2倍。且油浸电抗器是带油设备,对防火和渗漏油的要求较高。

5 干式空芯、干式半芯和油浸电抗器的占地面积比较

以35kV、60Mvar的并联电抗器为例。由于电流互感器可以设计为油浸电抗器的套管CT,因此选择并联电抗器回路的断路器、电流互感器和电抗器三者的布置为比较对象。

根据厂家资料,三种型式的电抗器回路平面布置如图1~3所示。虚线表示干式空芯或干式半芯电抗器的防磁范围。

20150916085530727.jpg插图

干式空芯电抗器回路占地面积约为195.3m2;干式半芯电抗器回路占地面积约为115.8m2;油浸电抗器回路占地面积约为49.64m2。

由此可见,油浸式电抗器回路的占地面积最小,约是干式空芯回路的1/4,仅是干式半芯回路的1/2。干式半芯回路占地面积也比干式空芯小得多,略大于干式空芯回路的1/2。

6 干式空芯、干式半芯和油浸电抗器的投资比较

仍以35kV、60Mvar的并联电抗器为例。

6.1 一次性投资比较 干式空芯设备费约112万元/组,综合费用约120万元/组;干式半芯设备费约168万元/组,综合费用约175万元/组;油浸电抗器设备费约250万元/组,综合费用约260万元/组。干式空芯电抗器价格最低,干式半芯比干式空芯要贵55万元/组,油浸比干式空芯要贵约140万元/组。

6.2 变电站全寿命周期的总投资比较

6.2.1 输入条件

①变电站使用寿命30年,年利用小时数180×24=4320小时,平均上网电价0.4元/度,基准折现率7%,设备报废后的残值率5%。

②干式空芯电抗器的损耗约为3×59=177kW/组;使用寿命15年。干式半芯电抗器的损耗约为3×40=120kW/组;使用寿命15年。油浸电抗器的损耗约为120kW/组;使用寿命同变电站寿命。

③暂不考虑征地和设备维护费用差别,暂不考虑更换、检修设备所引起的停电损失。

6.2.2 计算结果

①干式空芯电抗器的总投资现值为:

C1=120-120×5%×(P/F,7%,15)+120×(P/F,7%,15)-120×5%×(P/F,7%,30)+177×4320×0.4×(P/A,7%,30)/10000=120-6×0.3624+120×0.3624-6×0.1314+30.5856×12.4090=160.5252(设备费用)+379.5367(损耗费用)=540.0619万元

②干式半芯电抗器的总投资现值为:

C1=175-175×5%×(P/F,7%,15)+175×(P/F,7%,15)-175×5%×(P/F,7%,30)+120×4320×0.4×(P/A,7%,30)/10000=175-8.75×0.3624+175×0.3624-8.75×0.1314+20.7360×12.4090=234.09925(设备费用)+257.3130(损耗费用)=491.41225万元

③油浸电抗器的总投资现值为:

C1=260-260×5%×(P/F,7%,30)+120×4320×0.4×(P/A,7%,30)/10000=260-13×0.1314+20.7360×12.4090=258.2918(设备费用)+257.3130(损耗费用)=515.6048万元

6.2.3 总投资比较和分析

①干式空芯、干式并芯、油浸三个类型的比较

由上可知,从全寿命周期上进行比较,三个类型的电抗器投资差别不大,干式空芯电抗器投资最高,干式半芯最低,油浸介于两者之间。

若把总投资划分为设备费用和损耗费用两个方面来比较,则干式空芯电抗器投资最高的原因为损耗大。由于干式空芯电抗器的技术和生产工艺都已成熟,设备费用和损耗均不可能再降低。且其占地面积在三者之中是最大的。维护工作量和干式半芯相同,都比油浸电抗器要高。因此,干式空芯电抗器投资最高已成定局。

②干式半芯、油浸两个类型的比较

1)设备寿命的敏感性分析

从目前的运行情况来看,干式空芯电抗器的寿命随机性较大,很多干式空芯电抗器寿命仅10年左右。因此,如果干式半芯电抗器的寿命取10年,则干式半芯电抗器总投资现值计算结果为301.3141(设备费用)+257.3130(损耗费用)=558.6271万元;

油浸电抗器寿命仍按30年,总投资现值不变,为515.6048。

因此,干式并芯电抗器寿命为10年时,其总投资现值要高于油浸电抗器。

2)损耗的敏感性分析

由上述公式可知,当油浸电抗器的损耗值比干式半芯电抗器低,且差值在11.2kW以上时,油浸电抗器的总投资现值则高于干式半芯。

7 结论和建议

①干式空芯电抗器和油浸电抗器都是技术成熟的电抗器,制造技术上没有什么大的缺陷,且都经过了运行考验,技术上都是可采用的设备。与上述两种型式的电抗器相比,干式半芯电抗器属于出现比较晚,技术成熟程度也不及上述两种型式的电抗器。但是从投产运行的情况来看,也是可采用的设备。

②从性能上看,油浸电抗器具有较大优势。首先,由于制造工艺的不同,在发生故障后,油浸电抗器在一定程度上是可修复的,而干式空芯和干式半芯电抗器一旦发生故障,则不可修复;其次,油浸电抗器本身配置了各种保护装置,可以通过对变压器油中气体、油温及油箱内压力的监测来实现对电抗器状态的监控,适应了建设智能型变电站的要求。

③从运行维护的角度来看,通过技术改进,油浸电抗器现在已经可以做到30年免维护的稳定运行。从实际的运行情况来看,干式空芯每年至少需要一次本体的污秽清扫工作。干式半芯的运行维护与干式空心相同。因此,油浸电抗器的工作量和费用低于干式空芯和干式半芯电抗器。

④从占地面积上看,干式空芯电抗器占地面积最大,干式半芯其次,油浸式最小。且三者之间的占地面积相差非常大。油浸电抗器的占地面积是干式半芯的1/2,而干式半芯略大于干式空芯的1/2。

⑤经过对三种型电抗器的全寿命周期投资比较,干式空芯电抗器投资最高,油浸电抗器其次,干式半芯电抗器最低。但三者投资差别不是很大。油浸电抗器和干式半芯电抗器的投资差额会因干式半芯电抗器的寿命而造成对比结果的颠覆。

⑥目前,干式空芯电抗器在国内诸多500kV变电站中使用,整体性能满足运行要求。统计的故障率并不是很高。因此,仍然可以作为一种主流无功补偿设备来考虑。同时,只要技术成熟,干式半芯电抗器可作为干式空芯电抗器的理想替代产品。

⑦从前面的分析来看,油浸电抗器虽然一次性投资较高,但是其全寿命周期内的投资要低于干式空芯电抗器,略高于干式半芯电抗器。综合考虑节能降耗和环保效益、建设智能型变电站、运行维护工作量和费用、更维修停电损失等因素,并考虑到油浸电抗器的占地面积非常小,在今后的设计中,油浸电抗器无疑为最佳选择。另外,在一些特殊变电站,如户内站、地下站、场地较小的变电站以及高海拔地区的变电站,应考虑采用油浸电抗器。

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参考文献

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