可控并联电抗器

可控并联电抗器调研报告1 国内外研究现状电抗器是电力系统中重要的设备，在电力系统中广泛的应用于限制工频过电压、消除发电机自励磁、限制操作过电压和线路容性充电功率、潜供电流抑制、限制短路电流和平波等。

目前电力系统中使用的电抗器主要是固定电抗器，但随着电力工业的发展，电能质量和节能的要求的提高，固定电抗器越来越不能满足系统的要求，而根据实际需要改变电抗值的可控电抗器也越来越受到人们的关注。

可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的，20世纪50年代科学家把磁放大器的工作原理引入了电力系统，1955年英国通用电气公司制造了世界上第一台可控电抗器。

从此，可控电抗器引起了国内外学者的广泛关注，并围绕可控电抗器结构原理，控制策略进行了广泛的研究，并大力引进新兴的电力电子技术，产生了大量研究成果和应用实例。

70年代，晶闸管技术应用于电抗器，产生了晶闸管控制电抗器(TCR)。

当时，BBC公司提出一种基于高抗变压器的可控电抗器，1979年，BBC公司在加拿大Kvebek郡Loreatid变电站投运了450Mvar/750kV这种可控电抗器，现仍在运行。

其优点：响应速度快（10ms）；其缺点是：谐波含量大（达到6%），损耗为传统变压器的5倍，该项技术未能推广。

2001年，圣彼得堡理工大学在本体设计上进行较大改进，并增加了用于滤波的补偿绕组，大大减少了这种可控电抗器的谐波损耗，BHEL公司在印度Itarsi投运了一套50Mvar/420kV这种变压器型可控电抗器，目前该系统仍然运行良好。

70年代，俄罗斯提出了一种基于直流磁饱和式可控电抗器，这种电抗器是通过在电抗器中注入直流励磁，调整电抗器铁心的饱和程度，从而实现电抗器输出容量的可控。

随后，俄罗斯先后在一些变电站投运了这种磁控式的可控电抗器，这些可控电抗器一直可靠运行至今。

1986年，前苏联学者改进磁控式可控电抗器结构，又提出了新型的磁阀式可控电抗器，这种磁阀式可控电抗器也是通过调节直流励磁实现电抗器可控的，但是它具有不需要外接电源的优点，因此磁阀式可控电抗器很快成为研究的热点。

磁阀式可控电抗器在俄罗斯和乌克兰得到了良好的应用。

近些年来，国内学者和科研机构也展开了对可控电抗器的研究，在许多方面取得了丰硕的成果。

2006年，中国电力科学研究院和西安变压器厂合作在国内率先生产了500kV/50MVA的油浸交流有级可控电抗器，这种可控电抗器是基于高阻抗变压器分级调节的可控电抗器，2006年9月19日在神木—忻州－石北500kV线路忻州开关站一次性投运成功。

2007年，中国电力科学研究院与沈阳变压器厂合作，生产了国内首台500kV/120MVA磁控式可控电抗器，于2007年9月28日在500kV荆州站投运成功。

可控高抗在特高压电网中的作用：◆提高电网输送能力◆限制工频过电压◆抑制潜供电流、降低恢复电压，保证重合闸成功率◆限制操作过电压◆补偿线路容性功率，稳定电网电压◆减少开关操作，降低维护运行成本◆降低网损2 工作原理根据工作原理的不同，可控并联电抗器可分为高阻抗变压器分级式(stepped controllable shunt reactor，SCSR)、磁控式(magnetically controlled shunt reactor，MCSR)等多种类型。

2.1高阻抗变压器式电抗器的工作原理SCSR 基于高阻抗变压器原理，将普通变压器做成100%的高阻抗，并将高阻抗电抗通过抽头分成N 份，每一等份电抗由双向晶闸管和断路器并联组成的复合开关控制投入和切除。

本文以N = 3 为例介绍SCSR 的结构及工作原理。

应用于超/特高压输电线路的SCSR 三相为3 个单相变压器型的电抗器，高压侧三相绕组采用星型接线，中性点直接接地(可根据需要装设中性点小电抗)；低压侧采用星型接线，低压侧高阻抗电抗分成3 份，对应控制100%、75%、50%、25%共4 组输出容量，以实现容量调节，低压侧中性点直接接地。

SCSR 的单相结构如图所示。

图1 中XL1、XL2、XL3 为低压侧电抗，由并接其两侧的双向晶闸管及断路器控制其投退。

当设备运行时调解输出容量，需要退出相应电抗时，双向晶闸管快速导通，将相应电抗旁路，双向晶闸管导通后并接其两端的旁路断路器合闸，承担回路长期短路电流，双向晶闸管退出运行。

2.1磁控电抗器的工作原理磁控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的，其简化结构如图所示。

工作绕组每相均由两个并联绕组组成．三相星型连接。

工作绕组同名端并联接到系统高压侧．中性点经小电抗接地。

控制绕组三角形连接．为零序谐波电流提供一个闭合回路。

控制绕组的异名端并联接入整流器的输出侧。

超高压线路中磁控电抗器应具有快速响应能力，在断路器计划操作或者故障跳闸时。

用旁路断路器(图中的Bal 和Ba2、Bb1和Bb2、Bc1和Bc2)将控制绕组短路，这样能迅速将磁控电抗器调节到高短路阻抗状态，起到抑制过电压和补偿潜供电流的作用。

磁控电抗器的容量取决于铁心的饱和程度。

改变整流器输出的直流控制电流，对铁心分别起到增磁和去磁的作用，进而调节铁心磁饱和度，即可达到平滑调节电抗器容量的目的。

磁控电抗器工作在极限饱和状态时的输出电流如下图所示，磁控电抗器的输出电流可由下式)(221H H Nl i +=确定，其中l 为两铁芯的长度，N 为工作绕组匝数，H 1和H 2分别为两铁芯的磁场强度。

3 关键技术●可控高抗的适用性研究●可控高抗在系统中的优化配置技术●特高压电网对可控高抗的特殊需求研究●可控高抗的稳态、暂态及各种故障条件下的保护、控制策略●可控高抗数学模型和仿真模型●可控高抗的输电网系统分析和仿真技术●磁控高抗的相关关键技术✧磁控高抗励磁系统响应时间的提高✧谐波及非线性特性对运行的影响✧与合闸电阻及避雷器的配合对限制过电压的作用✧与中性点小电抗的配合抑制潜供电流●高阻高抗阀控系统电压、电流等级的提高针对以上关键技术，国内的一些高校和研究单位对其进行了研究，从文献上获取的有以下这些：（1）超/特高压高漏抗变压器式分级可控并联电抗器的动态模拟：基于高漏抗变压器原理建立模型，可满足对500kV、750kV及1000kV系统中不同容量的SCSR的模拟，具备多种容量输出的控制模式和控制功能，适合于对超/特高压SCSR的控制逻辑及装设SCSR的超/特高压输电系统进行研究。

结构上设置匝间短路抽头，可用于研究和检测其本体保护装置。

结合该装置，可对应用于超/特高压输电系统的可控高抗的调节响应特性进行研究，以及其正常运行、异常情况对系统的可靠性及安全性的影响进行研究。

（2）特高压线路安装可控电抗器的适用性研究：可控电抗器主要是解决长距离重载线路限制过电压和无功调节矛盾，所以特高压交流电网需要可控电抗器。

可控电抗器对系统暂态稳定的影响主要依赖于它在工况下的状态，而与其调节方式关系不大；而可控电抗器对系统动态稳定的影响则不仅与其工况下的状态相关，更主要的是与可控电抗器的调节方式相关，其中，无滞后环节平滑调节电抗器和多次动作分级投切电抗器在工况满负荷的情况下对系统具有最好的作用。

必须通过电磁暂态仿真研究过电压和潜供电流对于可控电抗器的要求，包括响应时间，控制方式及中心点接地小电抗的取值等，并以此指导可控电抗器的设备研发及制造。

（3）高压并联可控电抗器的保护配置：鉴于可控高压并联电抗器与普通高压并联电抗器的结构特点和运行方式的不同，可控高压并联电抗器保护的设置，除包括对主电抗器原边的保护以及作为线路高压并联电抗器运行时对中性点接地电抗器的保护外，还应包括对复变控制绕组的保护，经过详细仿真、分析和试验，提出了增加可控高压并联电抗器大差动保护、副边自产零序电流保护和副边外接零序电流保护来侧重反应副边的相间、匝间及接地故障的保护方案，而这些保护在普通高压并联电抗器保护中是无需配置的。

（4）可控并联电抗器配合中性点小电抗抑制潜供电流研究：给出了中性点小电抗的理论计算公式，并可根据可控电抗器的参数计算小电抗的理论最佳值。

通过EMTP建模仿真的方式得知，由于电抗器的容量可以调节，对于不同容量下发生单相接地故障时，潜供电流的大小也不相同，但均比无高抗时潜供电流要小的多。

所以通过选择合适的小电抗值，可控电抗器能显著地抑制潜供电流。

4 工程应用工程1：忻都500kV可控高抗工程忻都500kV可控高抗工程为世界首套500kV分级投切变压器型可控高抗装置。

装置安装在中国山西省忻州市500kV开关站内，装置兼具母线可控电抗器和线路可控电抗器功能。

忻都站安装可控电抗器，与安装固定电抗器相比，有较好的降低网损作用，2006、2008年最大可减少网损分别为2MW和2.4MW。

另外，可控高抗装置电抗值和容量可以快速调节，对系统电压有一定的调节能力，提高线路输送能力时；紧急情况下可以实现强补以抑制工频过电压；作为线路用可控高抗装置，配合中性点电抗器还可以起到抑制潜供电流、降低恢复电压等作用，保证线路重合闸成功率。

系统参数：额定电压：550kV额定容量：3*50Mvar中性小电抗：1050容量调节范围：25%、50%、75%、100%响应时间：从小容量调节为大容量时间不超过30ms，从大容量调节为小容量不超过100ms工程2：江陵500kV可控高抗工程江陵可控高抗工程于2007年9月投运，是国际上首次将磁控式可控电抗器应用到500kV输电线路侧。

装置安装在中国湖北荆州500kV换流变电站三右交流出线处，其容量为100MVar。

江陵站江陵—三峡右一安装可控电抗器，与安装固定电抗器相比，有较好的降低网损作用，2007、2008年最大可减少网损分别为7.2MW和2.9MW。

另外，磁控式可控高抗装置电抗值和容量可以连续快速调节，对系统电压有一定的调节能力，提高线路输送能力时；紧急情况下可以实现强补以抑制工频过电压；作为线路用可控高抗装置，配合中性点电抗器还可以起到抑制潜供电流、降低恢复电压等作用，保证线路重合闸成功率可控电抗器额定参数：额定容量：3*40Mvar额定电压：550kV短路阻抗：63%励磁系统容量：1MVA中性点电抗器参数：额定电抗值：600Ω±100Ω设抽头5 建议根据特高压电网规划对可控高抗设备的需求，并考虑到设备研制的技术难度，建议可控电抗器装置按照示范、应用和推广三个阶段进行，对于具体的时间表提出初步建议如下表所示。

另外，初期可选择开发难度较小的高阻抗变压器分级投切式可控电抗器，其示范及应用可结合工程尽快开展。

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