CN111181170A - 一种带有容量补偿功能的可控电抗器装置 - Google Patents

一种带有容量补偿功能的可控电抗器装置 Download PDF

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CN111181170A CN202010123711.3A CN202010123711A CN111181170A CN 111181170 A CN111181170 A CN 111181170A CN 202010123711 A CN202010123711 A CN 202010123711A CN 111181170 A CN111181170 A CN 111181170A
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张京伦
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Zhu Guanlan
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Zhu Guanlan
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Abstract

本发明公开了一种带有容量补偿功能的可控电抗器装置，包括高压变压器、负载无功调节装置，还包括由容量补偿单元和相位差检测控制器组成的电抗器本体容量补偿装置；通过相位差检测控制器测量与分析高压变压器初级侧电压与电流的相位差值，配合容量补偿单元的投入、切除，来补偿可控电抗器中因高压变压器初级侧电压与电流的相位差达不到90°，引起的感性输出功率不足部分的偏差，从而保证整个可控电抗器的感性无功功率总容量达到设计要求的真实量值，更加可靠有效地解决电网中对可控电抗器的精准控制和投入使用的合理性。

Description

一种带有容量补偿功能的可控电抗器装置
技术领域
本发明属于电工技术中的电网控制设备，特别涉及一种带有容量补偿功能的可控电抗器装置，用于高压(特高压)电力自动控制系统装置中。
背景技术
在远距离超、特高压大容量的交流电网中，为减弱“输电线路上工频电压法兰弟”效应，必须安装一定容量的无功补偿装置即并联电抗器和静止无功补偿器，其主要目的一是补偿线路上容性充电功率，二是在轻负荷时吸收线路容性的无功功率，控制无功潮流，稳定网络的运行电压。因为特高压线路中的潮流变动很大，在传输功率重负荷时，线路无功自我补偿，高压并联电抗器应切除掉，但是，如果线路发生故障时失去并联电抗器的长线路中会因为线路的电容效应电压骤升而产生不能允许的工频和操作过电压，高压并联电抗器由于长期接入线路而不能切除，比如在1000kV晋东南试验线路中由于没有采用可控高抗而导致送电功率不足。为此在特高压电网中迫切需要安装高压可控电抗器装置。
对特高压电网而言，工频过电压和操作过电压是选择和设计特高压电网系统绝缘配合的决定因素，也是特高压输电的基本可行性问题，研究表明，采用可控并联电抗器是限制1000kV系统过电压的有效技术措施之一。
据申请人的检索，目前在该领域的可控电抗器技术方案有：
①交流有级可控并联电抗器装置，专利号：200520079362.0
②采用阀支路并联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器装置，专利号：201010614275.6
③磁阀式可控电抗器，专利号：201120393108.3
④复合开关型分级式可控并联电抗器装置，专利号：201010614380.X
⑤晶闸管阀控型可控并联电抗器装置，专利号：201010614288.3
⑥采用串联公共电抗器配置的分级式可控并联电抗器装置，专利号：201010614377.8
⑦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，专利号：201110079254.3
⑧采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器装置，专利号：201010614345.8
现有的可控高压并联电抗器(简称可控高抗)分为磁控制式和高阻抗变压器式，其中高阻抗变压器式又可分为分级式可控高抗和晶闸管控制变压器式可控高抗。
业内对现有的分级式可控电抗器存在技术偏见，即认为分级式可控电抗器所体现出的感性负载相位差与普通的固定式空心电抗器的相位差是一致的。但是，经理论分析和实验中却发现，即分级式可控电抗器的相位差(即实测电抗器U与 I的相位差ψ)，只有55°～70°左右，而空心电抗器的相位差ψ即(U与I的相位差ψ)却在标准的90°水平，两者竟然差值会高达20°～35°或更高，这样对于变压器式电抗器实际的无功功率容量为I′＝I·sinψ(其中ψ＝0°～90°)，当ψ＝70°时，sin70°＝0.94，当ψ＝55°，sin55°＝0.819，说明实际的无功功率比纯正的气隙式电抗器容量下降了约19％，在实际工程中由于这个相位差的存在，导致了所配置的电抗器将达不到与线路上充电容性容量抵消的要求，势必会引发过电压或者造成系统振荡，对电力系统安全将造成严重影响。
根据斯坦梅茨定律，在正弦电流作用下变压器的磁芯损耗计算式为：
Figure BDA0002393527290000021
式中，pfe为磁芯单位体积内的平均时间中的磁芯损耗；Bmax为正弦电流作用下的峰值磁感应强度,其频率为f，kc、α和β为常数。
由上式可知，线圈流过电流后在变压器的磁芯损耗pfe会显著增大，基波、谐波磁势会在气隙附近的铁芯中产生可观的损耗，而这个损耗正是变压器式电抗器产生的相位角ψ误差的物理机理和因素。
由于高压变压器增加了有功的磁损耗分量，使得相角偏移，从而使得流经高压变压器的电压U与电流I产生的相位差小于90°，进而使感性的无功分量不足，降低了实际输出效率，因此在设计中，必须要考虑到这个因素所引起的一个向量值变化不可忽略的误差，并在高压变压器的二次侧加以容量上的补充，以满足设计条件中无功容量值的要求，使无功功率值在系统中得以精确容量值下运行，才能防止系统振荡和防止过电压危害。
高压变压器的二次侧随着投入电感值负载，即支路电抗器投入的不同，高压变压器初级侧的相角，即高压变压器初级侧两端的电压U和电流I的相位差是会随着负载电流I的大小而改变的，因此需要进行实时测量分析这个相位差值，并在高压变压器的二次侧加以补偿，以满足系统对感性无功功率实际值的需求，而在现有技术中，均未考虑由变压器式电抗器产生的相角误差值，而影响可控电抗器的无功功率容量值的实际问题。
发明内容
本发明的目的是：提出一种带有容量补偿功能的可控电抗器装置，解决由于现有可控电抗器中高压变压器相位差不足90°，影响电网系统中对感性无功功率的量值达不到设计要求的真实量值的问题，防止引发过电压或者系统振荡。
本发明的一种带有容量补偿功能的可控电抗器装置，技术方案如下：
包括高压变压器、负载无功调节装置，还包括由容量补偿单元和相位差检测控制器组成的电抗器本体容量补偿装置；所述容量补偿单元包括本体容量补偿电抗器和与所述本体容量补偿电抗器串接的高压真空接触器；所述相位差检测控制器包括检测信号输入端和控制信号输出端；所述相位差检测控制器的检测信号输入端通过高压电流互感器获取高压变压器的初级侧的电流向量值，和通过高压电压互感器获取高压母线侧的电压向量值；所述相位差检测控制器计算与分析所述高压变压器的初级侧的电流向量值和高压母线侧的电压向量值之间的相位差；相位差小于等于第一设定阈值时，控制信号输出端控制高压真空接触器动作，使本体容量补偿电抗器完成投入；相位差大于等于第二设定阈值时，控制信号输出端控制高压真空接触器动作，使本体容量补偿电抗器完成切除。
进一步的，所述容量补偿单元并联于高压变压器的二次侧输出端，所述检测信号输入端连接高压变压器初级侧的高压电流互感器二次侧，和高压母线侧的高压电压互感器二次侧，所述控制信号输出端与容量补偿单元相连，连接点位于高压真空接触器的控制端。
进一步的，所述第一设定阈值为65°～70°，所述第二设定阈值为75°～80°。
进一步的，所述本体容量补偿电抗器为空心电抗器或气隙式铁芯电抗器。
进一步的，所述高压真空接触器为真空断路器。
进一步的，所述高压变压器为双绕组的单相变压器或三相变压器，由线圈、线圈绝缘骨架、铁芯和外罩等主体构成；所述的高压变压器的初级侧连接于高压变电站的馈线开关的线路侧，变压器初级侧绕组三相成星形连接，中性点短接后经电抗器接地。
进一步的，所述负载无功调节装置包括与所述高压变压器二次侧输出端并联的负载无功调节电抗器单元、控制所述负载无功调节电抗器单元投入和切除的负载无功补偿控制器；所述的负载无功补偿控制器包括无功功率分析单元、检测信号输入端、控制信号输出端，所述检测信号输入端连接高压输电线路的馈线上的高压电流互感器的二次侧和主变压器的高压侧高压电流互感器的二次侧及母线高压电压互感器的二次侧，所述控制信号输出端与输电线路中的负载无功调节电抗器单元的可控开关的控制端相连，所述无功功率分析单元通过检测信号输入端采集的电流向量、电压向量值，对馈线及主变压器中的无功功率变化值实时计算监测，控制信号输出端控制电抗器可调节单元的可控开关通断，实现在线实时调节高压变压器二次侧的可变电抗器总容量值。
进一步的，所述负载无功调节电抗器单元，由负载无功调节电抗器和可控开关以一一对应串联接线而组成，形成感性负载支路。
本发明的有益效果是：
本发明通过相位差检测控制器测量与分析高压变压器初级侧电压与电流的相位差值，配合容量补偿单元的投入、切除，来补偿可控电抗器中因高压变压器初级侧电压与电流的相位差达不到90°，引起的感性输出功率不足部分的偏差，从而保证整个可控电抗器的感性无功功率总容量达到设计要求的真实量值，更加可靠有效地解决电网中对可控电抗器的精准控制和投入使用的合理性。
附图说明
图1是本发明带有容量补偿功能的可控电抗器装置原理图；
图2是本发明原理说明中的空心式电抗器的相量图；
图3是本发明原理说明中的变压器式电抗器相量图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行进一步详细说明。
原理说明：
如图2所示，U＝100V时 I＝100A；
如图3所示，U＝100V时 I′＝93.96A I＝100A；
由三角函数式：
Figure BDA0002393527290000057
sin 70°＝0.9396 I'＝0.9396ì；
如果假设空心电抗器产生的无功电流
Figure BDA0002393527290000052
为100A时，但是使用变压器式电抗器时，因为铁芯损耗产生的影响。由计算可知，当
Figure BDA0002393527290000053
与
Figure BDA0002393527290000054
的相角差为70°时，变压器式电抗器中一次侧电流的纯无功电流实际值I′＝sin70°＝0.9396
Figure BDA0002393527290000055
并不能达到理想电抗器中设计的
Figure BDA0002393527290000056
值，为了满足达到100A的设计要求，则需增加 100-93.96＝6.04A的补偿电抗器的容量，才能达到设计要求，将这个装置称为容量补偿单元，这样电抗器的无功容量就可以达到100A的等值容量了，这就是本发明的理论依据。
实施例1：如图1所示，本实施例中的一种带有容量补偿功能的可控电抗器装置，包括高压变压器BK-1、与高压变压器BK-1二次侧输出端并联的负载无功调节电抗器单元KDT、控制负载无功调节电抗器单元KDT投入和切除的负载无功补偿控制器GK-4、容量补偿单元DT和相位差检测控制器XK-3，容量补偿单元 DT并联于高压变压器BK-1的二次侧输出端，检测信号输入端连接高压变压器 BK-1初级侧的高压电流互感器1CT二次侧，和高压母线侧的高压电压互感器PT 二次侧，控制信号输出端与容量补偿单元DT相连，连接点位于高压真空接触器 ZDL的控制端。
当输电线路在受端变电站没有带上负荷时，合上线路开关1DL，此时，由线路侧负载无功补偿控制器GK-4监测出处于零功率状态，则按照设计要求由GK-4 控制负载无功调节电抗器全部合闸投入，可变电抗器处于最大容量值，而此时，高压变压器BK-1初级侧流过最大的电流值，高压变压器BK-1初级侧两端的电压 U和电流I的相位差处于最小值(将会小于90°，约70°左右)，为保证整个可控电抗器的总容量达到设计要求的量值，本体容量补偿电抗器也全部投入。
当线路上的负荷及无功功率逐步上升时，若将负荷的无功变化总量⊿Q分为五个等份，则每次⊿Qn为20％水平的一个单元，每当输电线路上的无功率⊿Qn 增加20％时，则负载无功调节电抗器上的容量退出20％，这个过程由负载无功补偿控制器GK-4，实时测量出线路上的无功增量⊿Qn后，即每增加20％无功功率时，会使可控开关KDL1分闸，再⊿Q的20％由ZDL2跳开分闸至负载无功功率满负荷运行，最后使可控开关KDL5跳开分闸，即5个负载无功调节电抗器 KDK1-KDK5完全跳开切除的动作过程。
当高压变压器BK-1的二次侧随着负载无功调节电抗器KDK1-KDK5在上述过程中逐个切除，高压变压器BK-1初级侧负载电流I的减小，从而使高压变压器BK-1初级侧两端的电压U和电流I的相位差接近90°，相位差检测控制器 XK-3进行实时测量分析上述相位差，当相位差≥80°时，相位差检测控制器XK-3 的控制信号输出端控制高压真空接触器ZDL1动作，使本体容量补偿电抗器DK3 切除，相位差检测控制器XK-3在每次检测到高压变压器BK-1初级侧两端的电压U和电流I的相位差≥80°时，依次切除本体容量补偿电抗器DK2、DK1，直到线路满负荷状态。
当线路上的负载及无功负荷逐步下降时，与上述过程相反，由负载无功补偿控制器GK-4,实时测量出线路上的无功功率，减少20％值⊿Qn后，由GK-4控制 KDK5重新合闸，再减少20％时，使KDK4合闸，同时相位差检测控制器XK-3 通过实时测量分析高压变压器BK-1初级侧两端的电压U和电流I的相位差，当相位差≤70°时，使本体容量补偿电抗器DK1、DK2、DK3再逐个投入，直到无功功率由满负荷至零功率时，负载无功调节电抗器KDK5-KDK1全部投入合闸状态，本体容量补偿电抗器DK1-DK3全部投入状态，恢复到起初线路空载时的状态。
实施例2：与实施例1其他相同，不同的是：当相位差检测控制器XK-3在检测到高压变压器BK-1初级侧两端的电压U和电流I的相位差≥75°时，切除本体容量补偿电抗器DK；当相位差检测控制器XK-3在检测到高压变压器BK-1初级侧两端的电压U和电流I的相位差≤65°时，投入本体容量补偿电抗器DK。
实施例中的高压变压器BK-1：
本实施例所述的高压变压器BK-1，是作为可控电抗器使用的一台高压变压器，由高压线绕组和低压线绕组两个线圈组成，两个绕组的绝缘线骨架分别符合所对应工作电压。变压器的铁心片采用优质冷轧硅钢片，以降低空载损耗。变压器铁心为单相结构，粘带绑扎，全斜接缝。采取了全方位磁屏蔽，可降低损耗，防止局部过热。变压器油箱为桶式结构，平盖，器身下部用定位钉与箱底固定，上部用吊螺杆与箱盖连接。
实施例中的高压真空接触器ZDL：
在过电压保护的对可控电抗器的设计要求中，只是要求在开关跳闸后50ms 内将可控电抗器进行投入的时间要求，而这个条件只需要选用具有快速操作机构的交流高压真空接触器，完全可以满足t＜50ms的要求，因此本技术方案中选择了以多台高压真空接触器ZDL来对二次侧本体容量补偿电抗器DK的控制(投切的操作过程)。采用高压真空接触器进行合闸和开断作为调节可控电抗器容量变化的手段来替代已有的用晶闸管的电力电子技术，具有容量大、安全可靠，和节约工程投资的特点，且在工程安装中易于实施。
作为实施例，选择35kV级JCZ1系列交流高压真空接触器(以下简称：接触器)，适用于交流50～60HZ，主回路额定电压为40.5kV，110kV额定电流从160A 至800A、1250A等的电力网络系统中，供远距离接通和分断及频繁启动和控制交流电动机、变压器及电容器组等投切的场合。
表140.5kV高压真空接触器技术参数
Figure BDA0002393527290000071
Figure BDA0002393527290000081
表2110kV电压等级的负荷开关额定参数
Figure BDA0002393527290000082
本系列接触器由绝缘隔电框架、金属底座、传动拐臂、电磁系统、辅助开关、真空开关管等部分组成，该结构高压回路和低压控制上下分置结构，具有安全可靠、便于安装。该系列真空接触器采用先进的永磁机构作为操作机构，采用电容储能的方式为操作机构提供能量，当接触器接收到合闸信号时，通过驱动控制器控制电容对线圈短时放电，从而驱动永磁机构进行合闸动作，通过连杆传动使接触器内部真空管闭合，在闭合位置依靠永磁机构装置的自保持力确保开关始终处于合闸位置，实现可靠合闸状态。当接触器接收到分闸信号时，类同合闸动作原理使永磁机构分闸，实现可靠分闸。该永磁型控制方式适用于长时间合闸的电气场合，特别适合用于要进行频繁操作次数电气设备开闭的场所。
实施例中的负载无功调节电抗器KDK：
负载无功调节电抗器KDK是铁心式并联电抗器，为高压电网提供感性无功补偿，改善功率因数，并限制电网终端电压升高，保护用电设备的一种电抗器。在整体结构上，铁心式并联电抗器与变压器相似，有铁心、绕组、器身绝缘、变压器油、油箱等部件，所不同的是电抗器铁心有气隙，每相只有一个绕组。绕组的结构形式与变压器一样，可采用连续、多层圆筒、饼式等形式。本方案中电抗器优选BKS-60000/110kV，生产厂家为沈阳变压器厂。
实施例中的相位差检测控制器XK-3：
采用了通用化和模块化的设计方式，单只仪表内同时集成了功率因数、相位和频率测量线路，实现功率因数表可通过键盘查看频率和相位值，而相位表可有过键盘查看频率和功率因数值的功能，仪表均备有开关量输出(上下限报警)模块、模拟量变送输出模块，RS485数字通迅模块。通过仪表键盘可非常方便地实现对仪表上的上下限报警值(或范围)及报警切换差、通讯地址及通讯波特率、变送输出方式及变送输出范围、数字滤波系数等参数的设置。控制部分利用固态继电器输出的方式控制。其技术参数如下：
功率因数测量显示范围：0.000C～0.500C～1.000～0.500L～0.000L；
相位测量显示范围：0°～359.9°；
功率因数测量准确度：±0.01；
相位测量准确度：±1°；
额定输入电压：AC100V±10％、220V±10％、380V±10％；
输入电流：1～5A；
辅助电源：AC/DC85～260V或AC220V±10％、50/60Hz；
变送输出：可自由设置为DC0～10mA、0～20mA或4～20mA，准确度±0.5％FS, 与信号输入及辅助电源之间电气隔离；
通讯接口：RS485串行通讯，采用MODBUS_RTU通讯规约；
设备型号:优选AOB19X-GD,数字式可编程相位仪控制器，生产厂家为：温州奥博电气有限公司。
实施例中的负载无功补偿控制器GK-4：
感性补偿电抗器控制器是用于本可控电抗器系统中无功功率补偿的专用控制器(柜)配套使用。输出路数有6、8、10、12四种规格。产品符合GB/T15576-2008 国家标准，具有功能完善、运行稳定可靠、控制精度高等特点。
本自动补偿控制器具备RS485通讯接口，其所采样得到的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、谐波含量、功率因数、温度可通过通讯接口传送到其它外部设备。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种带有容量补偿功能的可控电抗器装置，包括高压变压器、负载无功调节装置，其特征在于，还包括由容量补偿单元和相位差检测控制器组成的电抗器本体容量补偿装置；所述容量补偿单元包括本体容量补偿电抗器和与所述本体容量补偿电抗器串接的高压真空接触器；所述相位差检测控制器包括检测信号输入端和控制信号输出端；所述相位差检测控制器的检测信号输入端通过高压电流互感器获取高压变压器的初级侧的电流向量值，和通过高压电压互感器获取高压母线侧的电压向量值；所述相位差检测控制器计算与分析所述高压变压器的初级侧的电流向量值和高压母线侧的电压向量值之间的相位差；相位差小于等于第一设定阈值时，控制信号输出端控制高压真空接触器动作，使本体容量补偿电抗器完成投入；相位差大于等于第二设定阈值时，控制信号输出端控制高压真空接触器动作，使本体容量补偿电抗器完成切除。
2.如权利要求1所述的带有容量补偿功能的可控电抗器装置，其特征在于：所述容量补偿单元并联于高压变压器的二次侧输出端，所述检测信号输入端连接高压变压器初级侧的高压电流互感器二次侧，和高压母线侧的高压电压互感器二次侧，所述控制信号输出端与容量补偿单元相连，连接点位于高压真空接触器的控制端。
3.如权利要求1或2所述的带有容量补偿功能的可控电抗器装置，其特征在于：所述第一设定阈值为65°～70°，所述第二设定阈值为75°～80°。
4.如权利要求1或2所述的带有容量补偿功能的可控电抗器装置，其特征在于：所述本体容量补偿电抗器为空心电抗器或气隙式铁芯电抗器。
5.如权利要求1或2所述的带有容量补偿功能的可控电抗器装置，其特征在于：所述高压真空接触器为真空断路器。
6.如权利要求1或2所述的带有容量补偿功能的可控电抗器装置，其特征在于：所述高压变压器为双绕组的单相变压器或三相变压器，由线圈、线圈绝缘骨架、铁芯和外罩等主体构成；所述的高压变压器的初级侧连接于高压变电站的馈线开关的线路侧，变压器初级侧绕组三相成星形连接，中性点短接后经电抗器接地。
7.如权利要求1所述的带有容量补偿功能的可控电抗器装置，其特征在于：所述负载无功调节装置包括与所述高压变压器二次侧输出端并联的负载无功调节电抗器单元、控制所述负载无功调节电抗器单元投入和切除的负载无功补偿控制器；所述的负载无功补偿控制器包括无功功率分析单元、检测信号输入端、控制信号输出端，所述检测信号输入端连接高压输电线路的馈线上的高压电流互感器的二次侧和主变压器的高压侧高压电流互感器的二次侧及母线高压电压互感器的二次侧，所述控制信号输出端与输电线路中的负载无功调节电抗器单元的可控开关的控制端相连，所述无功功率分析单元通过检测信号输入端采集的电流向量、电压向量值，对馈线及主变压器中的无功功率变化值实时计算监测，控制信号输出端控制电抗器可调节单元的可控开关通断，实现在线实时调节高压变压器二次侧的可变电抗器总容量值。
8.如权利要求7所述的带有容量补偿功能的可控电抗器装置，其特征在于：所述负载无功调节电抗器单元，由负载无功调节电抗器和可控开关以一一对应串联接线而组成，形成感性负载支路。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114513019A (zh) * 2022-02-22 2022-05-17 张健 一种高压交流输电系统可控电抗器调节方法及装置

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