CN102237687A - 多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置，该可控并联电抗器本体采用变压器结构，可根据需求设计为高短路阻抗形式或普通变压器外接电抗器形式；本体主铁心柱采用多柱结构，每柱高压侧绕组并联后经套管引出接至超高压或特高压电网，低压侧每柱绕组分别经套管引出，各自独立进行控制；根据低压侧每柱绕组结构配置断路器、晶闸管阀、辅助电抗器、取能电抗器。采用断路器、晶闸管阀和取能电抗器组成复合开关，通过控制复合开关与本体短路阻抗相配合，实现无功容量的输出和分级调节。

Description

多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置

技术领域

本发明涉及电力系统无功补偿领域，尤其涉及多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置。

背景技术

我国能源与负荷中心分布极不平衡，使得采用大容量、长距离输电线路输电成为客观需要。为了提高输送能力，降低输电损耗，宜采用超高压/特高压线路输电。然而，超高压/特高压交流输电线路巨大的容性充电功率、剧烈的潮流变化以及有限的绝缘裕度给系统的无功调节、过电压抑制提出了较高的要求，限制过电压和无功调节之间的矛盾非常突出，采用常规无功补偿装置难以解决。可控并联电抗器通过灵活调节无功输出可解决限制过电压和无功调节之间的矛盾，并可提高线路的输送能力和系统稳定性，有效降低输电损耗，是超高压/特高压输电系统安全稳定运行的关键技术支撑手段之一。

可控并联电抗器主要包括磁控式可控并联电抗器(Magnetically Controlled Shunt Reactor，MCSR)、分级式可控并联电抗器(Stepped Controlled Shunt Reactor，SCSR)以及晶闸管控制变压器(Thyristor Controlled Transformer，TCT)型可控并联电抗器三种结构形式。其中，分级式可控并联电抗器具有控制方式简单、调节响应速度快、谐波含量小、运行安全稳定等诸多优点。

我国新建的特高压输电系统具有电压等级高、容量调节频繁、充电无功大等特点，目前还没有分级式可控并联电抗器装置投入使用。国内外也没有本发明提出的多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置投入超高压/特高压电网应用。

发明内容

本发明的目的是：提供一种新型的多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置，以满足我国新建的特高压输电系统容量调节频繁、充电无功大的要求，有效解决限制过电压和无功补偿之间的矛盾，并配合中性点电抗器限制潜供电流。所提供的装置中应用复合开关，避免了忻州500kV分级式可控并联电抗器装置分级调节过程中瞬间容量跌落的问题，并使得断路器不需开断感性电流，延长了断路器的使用年限，调节方式简单，响应速度快。

本发明的电抗器装置的技术方案是可控并联电抗器本体采用变压器结构，根据需求可设计为高短路阻抗形式或普通变压器外接电抗器形式。高压侧每柱绕组并联后经套管引出接入超高压或特高压电网，低压侧每柱绕组分别经套管引出，各自独立进行控制；根据实际无功补偿的需求，每柱绕组的容量可设计为相同或不同；低压侧每柱绕组分别配置断路器、晶闸管阀、辅助电抗器、取能电抗器；采用断路器、晶闸管阀和取能电抗器组成复合开关，通过控制复合开关实现低压侧外接电抗器阻抗与本体短路阻抗相配合，达到无功容量输出和分级调节的目的，满足系统无功补偿的需求：可控并联电抗器在某一容量级稳态工作时，断路器闭合承担长期运行电流，晶闸管阀无需长时间工作；在稳态容量切换时，由于取能电抗器的分压为晶闸管阀提供取能和开通电压，因此可采用晶闸管阀电流过零投切的方式开通和关断电流，断路器不需开合电流。在系统发生暂态故障时，控制复合开关使输出容量迅速达到最大输出容量，有效抑制各种操作过电压。

本发明技术方案的优点是：

①多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器，调节方式简单，响应速度快，检修方便，可有效解决限制过电压和无功补偿之间的矛盾，并配合中性点电抗器限制潜供电流；

②本体主铁心采用多柱结构，高压侧每柱绕组并联后接入超高压或特高压电网，低压侧每柱绕组分别经套管引出，各自独立进行控制。每柱绕组的容量可根据无功补偿的需求设计为相同或不同。这种本体结构形式可充分利用目前特高压变压器常用的结构形式，制造方便，技术成熟，解决了特高压可控并联电抗器单柱容量受限的瓶颈问题；

③通过控制复合开关与本体短路阻抗相配合实现多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器无功功率的分级输出，在容量切换过程中采用晶闸管阀电流过零投切的方式开通和关断电流，断路器不需开断电流，延长了断路器使用年限，对系统不会造成冲击；

④由断路器承担长期运行电流，晶闸管阀短时工作，可采用空气自然冷却的方式，有效降低了成本，减小了维护工作量。

技术的新颖性：

新建的特高压输电系统具有电压等级高、充电无功大、容量调节频繁等特点，目前还没有可控并联电抗器装置投入使用。本发明提供的多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置适用于特高压输电系统。此外，目前在超高压输电系统中也没有本发明提供的多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置投入应用。

技术的创造性：

(1)所提出的多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置本体主铁心采用多柱结构。高压侧每柱绕组并联后接入超高压或特高压电网，低压侧每柱绕组分别经套管引出，各自独立进行控制。每柱绕组的容量可根据无功补偿的需求设计为相同或不同。目前国内、外应用和正在研制的可控并联电抗器没有采用此种结构形式。

(2)与目前国内、外已投运的唯一1台分级式可控并联电抗器——忻州500kV分级式可控并联电抗器装置相比：所提出的多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置在容量分级调节时，由于取能电抗器的分压为晶闸管阀提供取能和开通电压，因此可由晶闸管阀电流过零投切开通和关断电流，断路器不需开合电流，延长了断路器使用年限，并避免了分级调节过程中瞬间容量跌落的问题。

技术的实用性：

(1)所提出的多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置，本体主铁心采用多柱结构，高压侧每柱绕组并联后接入超高压或特高压电网，低压侧每柱绕组分别经套管引出，各自独立进行控制。这种本体结构形式可充分利用目前特高压变压器成熟的结构形式，制造方便，技术成熟，克服了特高压可控并联电抗器单柱容量受限的瓶颈问题；

(2)本体主铁心采用多柱结构，各绕组在高压侧并联，每柱容量较小，在特高压、大容量运行时，可以节约低压侧晶闸管阀、断路器、外接电抗器的制造成本；

(3)通过控制复合开关与本体短路阻抗相配合实现无功输出和容量调节的分级控制：

①在容量从小到大切换时，晶闸管阀采取过零投切的方式，对系统无冲击。在晶闸管阀导通后，断路器闭合承担长期工作电流，晶闸管阀短时工作，可采用空气自然冷却的方式，有效降低了成本，减小了维护工作量；

②在容量从大到小切换时，由于取能电抗器的分压作用，晶闸管阀基电子单元(VBE)满足取能要求，可以保证阀正常触发导通。通过晶闸管阀过零切换的方式，避免了断路器开断感性电流，有效延长了断路器使用年限；

(4)所提出的多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置，特别适用于运行方式频繁调节的超高压/特高压输电系统，有较好的工程实用前景。

附图说明

图1示出多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置的一种典型原理接线图(单相)。图2是图1的特例，示出了采用本体双柱结构时的一种典型原理接线图(三相)。

下面结合附图对本发明进一步说明。

具体实施方式

为阐述清楚，以图2所示的双柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器的一种典型原理接线图为例说明本发明装置的工作原理。其中，绕组AX、BY、CZ分别为A、B、C三相高压侧绕组。绕组a1x1、a2x2为A相低压侧绕组，绕组b1y1、b2y2为B相低压侧绕组，绕组c1z1、c2z2为C相低压侧绕组；X1a、X1b、X1c为三相辅助电抗器；X2a、X3a、X2b、X3b、X2c、X3c为取能电抗器；TK1a、TK2a、TK1b、TK2b、TK1c、TK2c为对应的晶闸管阀组；BK1a、BK2a、BK1b、BK2b、BK1c、BK2c为旁路断路器。可控并联电抗器的本体部分采用变压器结构，具体的实现形式可根据需求设计为高短路阻抗形式或普通变压器外接电抗器形式。本体主铁心柱采用双柱结构形式，高压侧两柱绕组并联后经套管引出接至高压电网，低压侧两柱绕组分别经套管引出，各自独立进行控制。每柱绕组的容量可根据无功补偿的不同需求设计为相同或不同，图2中两柱绕组的容量设计为相等。

低压侧两柱绕组配置断路器、晶闸管阀、辅助电抗器、取能电抗器，采用断路器、晶闸管阀和取能电抗器组成复合开关，对于系统所需无功容量的输出，通过复合开关与本体短路阻抗配合的方式实现。目前特高压变压器绕组通常采用双柱式结构，本体应用双柱结构，可利用特高压变压器的成熟结构形式；图2示出的双柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器装置典型原理接线的容量输出可分为25％、50％、75％、100％四个等级。以A相为例来说明其工作原理：复合开关FS1a连接在a1，x1之间，与X1a并联；复合开关FS2a连接在a2，x2之间。当FS1a与FS2a都闭合时，装置为100％容量运行；FS1a断开，FS2a闭合时，装置在75％容量运行；FS1a闭合，FS2a断开时，装置的输出容量为50％额定容量；当FS1a与FS2a均断开时，装置工作在25％容量级。装置容量与复合开关对应关系如表1所示：

表1装置容量与复合开关对应关系

其中，×——表示断开，○——表示导通。

以复合开关FS1a为例分析输出无功功率的分级切换过程：FS1a由断路器BK1a、晶闸管TK1a和取能电抗器X2a组成，如附图2所示。FS1a由断开状态向闭合状态切换时，晶闸管TK1a先在电流过零时导通，随后断路器BK1a闭合，承担长期运行电流；当复合开关FS1a由闭合向关断切换时，由于取能电抗器X2a的分压作用，可以为晶闸管阀TK1a提供取能和开通电压。因此控制TK1a首先在电流过零时导通，把流过断路器BK1a的电流转移至晶闸管阀TK1a，接下来控制断路器BK1a分闸。最后，在接下来的电流过零点关断晶闸管阀TK1a，完成复合开关FS1a的关断过程。由于装置基本为纯感性元件，流过TK1a的电流过零点与TK1a两端电压峰值点基本重合，因此可通过检测TK1a两端电压的峰值点来确定电流的过零点。

复合开关FS2a、FS1b、FS2b、FS1c、FS2c的开通与关断过程与FS1a相同。

在复合开关的整个开断过程中，由于晶闸管阀对电流的转移，断路器不需开合较大的感性电流，延长了断路器的使用年限。此外，由于晶闸管阀不会长期流过大电流，可直接采用空气自然冷却的方式，降低成本，减小维护量。

多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器可用作线路可控并联电抗器和母线可控并联电抗器两种工作方式。用作线路可控并联电抗器时，可吸收输电线路的容性充电功率，限制工频过电压和操作过电压，抑制潜供电流，提高线路输送能力和系统稳定性；用作母线可控并联电抗器时，通过调节输出无功，确保母线电压的稳定。

此处已根据特定的示例性实例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (4)

1.一种多柱本体独立控制复合开关型分级式可控并联电抗器，其特征在于：电抗器的本体采用变压器结构，根据具体的需求可采用高短路阻抗形式构成，即通过加大变压器的漏抗，将变压器和电抗器合于一体构成，或采用普通变压器再外接电抗器的结构形式构成。

2.如权利要求1所述的可控并联电抗器，其特征在于：电抗器的本体主铁心柱采用多柱结构，每柱上的高压绕组并联后由套管引出接在超高压或特高压电网上；每柱上的低压绕组由套管分别引出，各自独立控制。

3.如权利要求2所述的可控并联电抗器，其特征在于：根据实际无功补偿的需求，每柱容量可设计为相同或不同。

4.如权利要求1-3任一所述的可控并联电抗器，其特征在于：通过复合开关与本体短路阻抗相配合的方式实现可控并联电抗器容量的输出和分级调节，复合开关包括断路器、晶闸管阀和取能电抗器，在可控并联电抗器容量分级调节过程中，由于取能电抗器的分压为晶闸管阀提供取能和开通电压，因此可由晶闸管阀电流过零投切的方式开通和关断电流，断路器不需开合电流；当可控并联电抗器在某一容量级稳态运行时，断路器闭合承担长期运行电流，晶闸管阀不需长时间工作。

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