大力发展可用于城乡电网的新型可控电抗器产品

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1、大力发展可用于城乡电网的新型 可控电抗器产品 沈阳变压器有限责任公 司 张铁 军 随着城乡电网建设与改造工作的不断深人， 巨大的市场为各种电力设备提 供了广阔的舞台。以此为契机， 各种新技术、 新产品也在这跨世纪的工程中闪亮 登场、 各显其能。作为最重要的电力设备之一一一电抗器， 在此工程中也起若举 足轻重的作 用。 但是， 在很多 电抗需要 频繁变 化的 场合， 电 抗值为常数的常规电 抗器( 例如: 用于无功功率补偿的并联电抗器) 已不能满足要求。为了适应这一 需要， 近年来， 一些新型的可控电抗器产品初露端倪， 相关的研究工作也取得了 长足的进展.在城乡电网中， 可控电抗器最常用的场合有

2、两个: 可控并联电抗器 和可控消弧线圈。 不可控并联电 抗器是我国电网目 前普谊采用的无功补偿设备， 其固有的缺 陷是容坛不能连续可调。当电网的传输功率接近于自然功率时， 线路中的容性 和感 性无功恰好能自 我补偿， 并联电抗器 就成为多余的装置， 它不仅使线路电 压过分降低， 而且其无功电流会在电网中造成附加的有功损耗， 降低了全网的 经济效率。 因此， 在传输较大功率时， 高压并联电抗器应从线路上切除. 然而， 如 果此时发生线路的故障切除和重合闸， 并在此过程中造成短时间的单向供电方 式， 空载线路会因失去补偿而产生不能容许的工频和操作过电压。所以， 工程上 不允许在运行中频繁切除和投人

3、电抗器。为此， 我国目前不得不将电抗器长期 投人运行而不切除。 其它无功补偿装置也有各自的缺点。 例如， 同步调相机运行 可靠性差， 响应速度慢， 有功损耗大， 运行维护困难; 静补装置， 即静止无功补偿 器S VC ( S t a t i c var C o m p e n s a t o r ) ， 价格 过于昂 贵。 可控并联电抗 器可解决这一 矛盾.它能随着线路传输功率的变化而自动平滑地调节自身的容量。当线路传 抽自然功串时， 它的电抗达到最大值， 容量最小， 与变压器空载时类似， 其效果 相当于并联电抗器切除。当线路传输功率很小时， 它的电抗达到最小值， 容蚤达 一3 3 一 雈f.

4、rlL.， 竺 匕 口心翔.月JJ|，州冲势丫.砂州二闷州考，q哪，一嚎磷溉篇 、人.曲咭明她砚驴 卜、户 习习一瞥，认半翔 、卜 到额定值( 最大) ， 其效果相当于接人并联电抗器。 城乡电网的6 6 k V及以下的系统， 一般为中性点不接地系统。 为了降低在发 生单相接地故障时接地点产生的电容电流， 在中性点与大地之间常接有消弧线 叨.目 前广泛使用用的消弧线圈大都是带有分接头的调匝式电感线圈， 电抗不 能连续可调， 而 且电 容电 流不是在线测 量， 难以对电网电 容电流 作出预 期补伶， 故 发生 单相 接 地故 障 时的 电 容电 流 较 大 电 弧 不 易 熄 灭 这 种 情况 的

5、 熬容 性 很 大， 它会诱发谐振过电 压， 破坏系统的绝缘， 使保护装置误动作等. 新组可控消 弧线圈可以达到对电 容电 流较 理想的补偿。 它的 控制系统在线实时 检滋电 容 龟 流 的 大 小 ， 同 时 调 节 消 弧 线 圈 的 电 感 ， 从 而 保 证 了 理 想 的 补 偿 效 果 达 到 了 拚 邀 熄弧的目的。 1 新型可控电抗器的甚本原理及结构特点 新型磁阀式可控电抗器的基本原理是， 利用铁磁材料磁化曲线的非线关 系 ， 通 过 改 变 铁 磁 材 料 的 饱 和 度 ， 调 节 电 抗 器 的 容 i t 如 图 所 示 ， FA 麟 排 u m v , 度的增 加，

6、磁导率W 减小， 进 而可控电抗器 的电 感L = N z iA A H , 减小， 电杭X L = w L 减 刁 、 ， 容 量 S 一 U 二 / X L 增 力 。 。 其 中 ，“ 为 圈 匝 数 ，。 为 铁 心 ， ， ，、 为 ， 心 柱 截 面 积, L为 磁 路 长 度 ， . 为 电 源 角 频 率, U 、 为 电 执 器 的 饭 定电 压. 汽 饱 晌 鹰 的 改 变 是 通 过 在 交 变 的 磁 密 B = B m s in 上 增 加 一 个 恒 定 分 f 氏来 卖 现 益 电 币 = B o + B , s i n w t ， 如 图2 所 示。 通 过调

7、节氏的 大 小 ， 就 能 讲节 铁 心 的 饱 和 度 二 。 “。 L , X L 傀洲州一嚷礴飞怡澳健 饱和度 图 1 饱和度与电抗的关系示愈图 、 冷 冷 涵心白越 短一喘叮 图 z 磁密与磁场强度通过磁 化曲线进行藕合的关系 新型可控电抗器主要有两种结构形式: 磁阀式和裂心式。 图 3 和图4 分别是 磁阀式可控电抗器的结构简图和相应的电路图。其铁心为单相四往结构， 它的 铁心柱含有一段或几段截面变小的部分， 形成磁路的瓶颈， 即所谓的磁阀。在中 间 两个完全 相同的 铁心柱上分别套 有一个线圈， 该线圈 对称地分为 上下两 部分。 ，寸寿滋 一卜lres卜llseL.，L.rsel

8、llllsel卜卜.十r1.卜!卜!11!. 图3 班阅式可控电抗器的结构简图图 4磁阀式可控 电抗器电路图鼓 . . : : 假没一个铁心柱上的线圈总匝数为 N ， 则上下两绕组的匝数分别为N / 2 . 在上下 两绕组各有一 抽头， 两抽头之间的匝数为N Z ， 在其中间分别接有可控硅K P ， 、 K P Z 。 设其抽头比 为S = N Z / N 。 不同 铁心柱的上 下两个绕组交叉连接， 续流二 极 管 则横 跨在 交叉端点。两柱 线圈在 端部 并联后接至电网。 这种结构的磁周 式可 控电抗器的优点是结构简单， 工艺紧凑。 在外加电源的一个工频周期内， 在正负半周分别触发晶闸管K

9、P i 和K P 2 , 使绕组内产生一个环流， 该环流产生一个基本恒定的磁通， 使两个铁心柱在轮 流饱和。环流的大小由晶闸管的触发角决定。铁心的饱和程度决定了线圈电感 的大小。 图 5 是裂心式可控电抗器的结构简图.该电抗器的铁心类似于单相三柱结 构， 所不同的是， 它的铁心柱分裂为两部分， 为了叙述方便， 我们可称之为两个 铁心柱。 这样， 其铁心结构又类 似于单相四 柱结构。 两个匝 数柑等的直沈 控例统 组分别套在两个铁心柱上， 它产生的直流磁通只在两个铁心柱内流动。一个交 流工作绕组同时套在两个铁心柱 上， 它 产生的 交流磁通通过两 个铁心往和叫 周 的 铁 扼 闭 合 其 控 制

10、 原 理 比 较 简 单 : 通 过 晶 闸 管 整 流 而 得 到 的 直 流 电 供 给 真 .攀 控制绕组， 交流工作绕圈电感大小的改变可通过改变晶闸管的触发角而实现。 侧 伙?为.1洲飞搜怕门， 少谈 男 之 一 挤大 一嚎耀嘴犷辛 图5 裂心式可控电抗器的结构简图 2 断型可控电抗器的控制机理 以可控并联电抗器为例， 在长度为 公里的输电线路中， 令L , C分别为每公 里 输电 线 的正 序电 感 和 电 容， 波 阻 抗为Z =兀， 波 速 为、 = 1 / , L C ， 导 线 波 长 以、 : 、一 ， _ 二， ， 、 “ _ . _3 U ll_ _r， _ 卜于 ，

11、“ 为 角 频 率 ， 相 电 压 为U , ， 自 然 功 率 P N = Z I 实 际 传 输 功 率 和 电 流 分 别 为P和1 1 则P =3 U , 1 ， 电源 需提 供的 容性 无功Q c 和感性无 功Q L 为: ，_ ， ，2 ， we=3 U 0 , ; t 甲 QL = 3 1 2 w L t 整 理 得 : A Q 一 Q C - Q L 一 P N a 1 一 ( 哥 7 z7 一般来说， 线路的最大传抬功率 P 徐非将其在电网上切除。 调节速度( 响应时间) 从物电稳定性考虑， 容量在( 0 - 2 -1 ) 倍额定容盆变化时， 至少豁 0 . 3 -0 . 4

12、 秒, 0 . 0 3 秒的响应时间， 对于 5 0 H : 的翰电线路来说， 只有 1 甲 5 个周波， 这个要求 是比较高的， 不易满足， 对此还需进一步深人研究. 损耗 与容2调节倍数有关， 一般为约为( 0 . 3 -0 . 3 5 0 o ) 倍额定容盆。 器 身重扭 根据容f和调节范围的 不同， 约为1 . 5 k g / k v a r 左右. 谐波 与可控电抗器的自身结构及三个单相的联结方式有关。其正弦波形崎变率 一般应控制在 5 写以内。实验研究表明， 其谐波要小于相控电抗器 T C R, 4 发展新型可控电抗器的可行性 对可控电挑器研究较早的是前苏联， 在过去的二十多年的时

13、间里， 前苏联 尹 装了 数十 台 各 种结 构、 容 量的 可 控 电 抗 器 产 品 。 近 年 来， 国 内 少 数高 校 和 制 造 厂也进行了一定的研究工作， 取得了一些研究成果。沈阳变压器有限资任公司 ( 简称沈变) 作为国内输变电行业的排头兵， 自1 9 9 3 年起就开始了可控电抗器的 研究工作。 到目前为止， 主要研究工作是针对磁阀式可控电抗器进行的。 为了研 究其工作原理及控制特性， 先后制造了两磁阀式可控电抗器的模型。两模型的 部分性能参数见表 1 。 模型 I 在铁心上还绕制了一个多功能的控制绕组， 结构同 主线圈类似， 试验时既可以将其作为一个主绕组单独试验， 也可以

14、作为一个激 磁的控制绕组， 即: 它既可以“ 自 励 . 也可以“ 他励” 。 对这两台模型， 沈变科研人员进行了详细的试验研究和计算分析。现已编 制出计算程序， 可计算出任一触发角下电抗器电流、 可控硅及整流管两端的电 流和电压的暂态及稳态波形。可控电抗器样机 I 在某一触发角下暂态及稳态电 一3 9 一 加呀自 一lselwe.raes.esr，卜胜r胜.1.r.1.r巨.r.F卜L全r.卜rrr.卜卜厅胜七卜，. 笼 1;一下r以一、 瞬 .;, ， 二郊 二 、 、 裕、 、; _ 流波形分别如图 8 和图9 所示。 _一_一_八一 几 了 一 不 一 一 于 - - 一五 一 一 百 一二- _ _ _ _ _ _ 主 _ _ _ _一 呈 _ _ _ 止 1 - 1-I .-J. 三 .仁 三一，.-V 确盆目UJ，n仙 Y、编留 V、演召 魂司场沼 2 . 9 6 2 . 9 6 5 2 . 9 7 2 . 9 7 5 2 . 9 8 时间l 称 图8 哲态电流波形图9 往态电流波形 棋组 I 撰组冬 容I t ( k v a r ) 6 . 6 _ 即。人 二 电压( V) 2 2 0二 . - 容f调节倍数 2 0幼 丫橇 目前 沈变正在研制适用于城乡电网的可控电抗器产品， 相信不久鱿会 世 报，落 气 一)IJeslf会! 一4 0 一