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较普遍的是温度高、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较大，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，其平均温度与较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/K

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。这样就有了较热点温升和平均温升之分，电抗器的发热限度以较热点温升为准，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。平均温升与较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较热点温升来决定，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
T＝Ae-αθ (1)
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，若电抗器的较热点温度比所用绝缘材料的较高允许温度低，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较高温度(见表2)，当超过其绝对较高温度时，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 绝缘等级和绝对较高温度的关系
绝缘等级温度/℃ 105(A) 120(E) 130(B) 155(F) 180(H) 220(C)
绝对较高温度/℃ 150 175 185 210 235 260

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