高電壓大容量MSVC裝置研發(fā)試制及應(yīng)用分析

李軍軍

摘要：針對110 kV MSVC裝置在設(shè)計、生產(chǎn)過程中遇到的問題，提出了相應(yīng)的解決措施，簡要分析了其應(yīng)用效果，為高電壓、大容量MSVC裝置的研發(fā)提供了參考。

關(guān)鍵詞：MSVC裝置;高電壓;大容量;工藝控制;經(jīng)濟(jì)效益

0 引言

我國超高壓輸電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，目前所采用的無功補償技術(shù)難以適應(yīng)電壓等級提高和電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運行方面的要求。大部分MSVC裝置只能安裝在35 kV及以下電力系統(tǒng)中，補償容量相對較小。隨著電力電子器件與計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，MSVC裝置朝著高電壓、低損耗、免維護(hù)、大容量方向發(fā)展。MSVC裝置是基于可調(diào)節(jié)的磁控電抗器（MCR）技術(shù)發(fā)展而來的SVC裝置，能跟蹤電網(wǎng)或負(fù)荷的無功波動，進(jìn)行隨機(jī)性適時補償，維持電壓無功穩(wěn)定，補償范圍橫跨感性和容性全范圍。電壓等級提高，補償容量增大，對MSVC裝置的設(shè)計、生產(chǎn)提出了新的要求。本文歸納總結(jié)了110 kV MSVC裝置設(shè)計、生產(chǎn)制造過程中存在的問題及解決方法，結(jié)合其運行過程中的經(jīng)濟(jì)效益分析，指導(dǎo)后期同類型MSVC裝置的高效生產(chǎn)、設(shè)計，對更高電壓或更大補償容量的MSVC裝置研發(fā)具有一定借鑒作用。

1 110 kV MSVC裝置方案設(shè)計

1.1? ? 某220 kV變電站簡介

張家口供電公司220 kV閻家屯變電站共有3臺220 kV/110 kV/35 kV主變壓器，其中1#和3#主變?nèi)萘?80 MVA，2#主變?nèi)萘?20 MVA。1#主變110 kV側(cè)接#4母線，帶風(fēng)電負(fù)荷;3#主變110 kV側(cè)接#5母線，帶電鐵負(fù)荷;2#主變備用。110 kV和220 kV母線均分列運行。本項目設(shè)置的110 kV MSVC裝置安裝于#5母線運行。

1.2? ? 方案設(shè)計

3#主變110 kV側(cè)#5母線帶的電鐵負(fù)荷主要為電力機(jī)車，其波動幅度大。根據(jù)變壓器供電容量、系統(tǒng)無功波動情況以及電能質(zhì)量狀況，在110 kV側(cè)安裝一套110 kV MSVC裝置，并通過母聯(lián)開關(guān)與#4、#5母線連接。FC+MCR型SVC裝置內(nèi)支路設(shè)置及容量分配如表1所示。

2 高電壓大容量MSVC裝置設(shè)計、工藝控制難點

2.1? ? 負(fù)荷變化跨度大

220 kV閻家屯變電站所帶負(fù)荷為大功率非線性電力機(jī)車牽引機(jī)負(fù)荷，負(fù)荷波動變化跨度大，要求補償容量大并能適時動態(tài)連續(xù)可調(diào)，既能實時補充容性無功，又能及時切掉多余容性無功，這就要求磁控電抗器輸出的感性無功動態(tài)連續(xù)可調(diào)，實時抵消多余的容性無功防止過補。

2.2? ? 直接掛接110 kV系統(tǒng)

以往的無功補償主要都在變電站低壓側(cè)（35 kV及以下電壓），本項目直接在110 kV側(cè)補償，裝置絕緣水平提高至110 kV等級，各部分絕緣結(jié)構(gòu)均需特殊設(shè)計，電容器組保護(hù)方式需合理選擇，以提高保護(hù)靈敏度。

2.3? ? 交直流正交磁化和鐵芯局部飽和技術(shù)的實現(xiàn)

磁控電抗器采用交直流正交磁化和鐵芯局部飽和技術(shù)，鐵芯的設(shè)計和制造中如何使交直流磁路正交以及鐵芯如何實現(xiàn)局部飽和是核心問題。

2.4? ? 110 kV MCR試驗

磁控電抗器電壓等級110 kV，額定容量24 000 kVA，若要進(jìn)行負(fù)載試驗，就需要將試品處于額定狀態(tài)，在現(xiàn)有供電能力0.4 kV、1 600 kVA情況下，如何進(jìn)行負(fù)載試驗是必須解決的一個難題。

2.5? ? 大尺寸、大重量器身吊裝翻轉(zhuǎn)

110 kV MCR電壓等級高、額定容量大，其器身尺寸大、重量大，對器身絕緣處理以及裝配過程中的吊裝翻轉(zhuǎn)提出了更高要求，既要便于過程質(zhì)量控制，又要提高裝配進(jìn)度，這就要求對現(xiàn)有工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。

2.6? ? 110 kV MCR精準(zhǔn)控制

磁控電抗器要想能實時動態(tài)連續(xù)輸出，控制部分必須要能快速準(zhǔn)確地傳送信號，及時傳遞并接受觸發(fā)信號，實時動作，這就要求控制部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

以上簡單闡述了高電壓大容量MSVC裝置設(shè)計、工藝控制中存在的幾個關(guān)鍵問題，其關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量合格與否以及后續(xù)掛網(wǎng)運行的可靠性。

3 難點解決措施

3.1? ? 小截面鐵芯和極限磁飽和技術(shù)調(diào)節(jié)感性無功

針對負(fù)荷變化跨度大的問題，我們前期通過設(shè)計計算、現(xiàn)場實測以及計算機(jī)仿真計算，確認(rèn)3次諧波和5次諧波需要治理，計算出實際需要的無功補償功率為21 072 kvar，加大了濾波電容器的設(shè)計裕量，最終安裝容量定為36 000 kvar。利用MCR能動態(tài)連續(xù)可調(diào)的性能，即要改變MCR的電感，使其電感實時可調(diào)，跟蹤系統(tǒng)需求情況實時輸出感性無功，實時抵消多余的容性無功以防止過補。利用小截面鐵芯和極限磁飽和技術(shù)，在交流磁路的工作鐵芯上分布多個小截面，在MCR的整個容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，僅有小截面鐵芯磁路工作在飽和區(qū)，而大截面段始終工作在未飽和線性區(qū)，這樣當(dāng)局部飽和后，流入MCR中的電流稍有變化，則電感就會變化很大，這樣輸出的感性無功就跟著實時變化。

3.2? ? MCR自勵磁結(jié)構(gòu)及電容器組分級絕緣框架的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于直接掛接110 kV系統(tǒng)，110 kV MCR采用主線圈自勵磁結(jié)構(gòu)，可控硅等控制部件是與110 kV主線圈抽頭直接連接，我們將晶閘管部分單獨安裝在MCR本體上，通過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計使控制部分與主體部分隔離，采用獨立油循環(huán)方式，使晶閘管工作在安全的溫度環(huán)境下，提高了設(shè)備的可靠性，確保其機(jī)械強(qiáng)度和電氣安全滿足要求。針對電容器組，我們采用分級絕緣框架的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計，合理分配主絕緣和縱絕緣，使電容器組內(nèi)部電容器單元的電壓分布和絕緣耐受強(qiáng)度趨于合理。同時，電容器組采用單星形接線橋差不平衡電流保護(hù)方式，其方法是將電容器每相分成兩個相同的臂，在兩臂的中點或接近中點之間接入電流互感器，即橋式接線，當(dāng)任何一段電容器容量發(fā)生變化時，電流互感器就可以靈敏檢測到故障的不平衡信號。

3.3? ? 鐵芯器件的設(shè)計

為實現(xiàn)自勵磁交直流正交磁化，我們采用兩個三柱鐵芯作為交流磁路，每個鐵芯柱上分別對稱繞有匝數(shù)為N/2的兩個線圈，每個線圈根據(jù)設(shè)計要求留有相應(yīng)的抽頭，抽頭之間連接有控制勵磁電流的可控硅部件。兩套鐵芯之間采用上下6個正交布置的硅鋼片橋進(jìn)行連接，使直流磁通通過該橋構(gòu)成回路。此結(jié)構(gòu)保證了交直流磁通只在線圈內(nèi)部鐵芯柱處交匯。另外，為實現(xiàn)鐵芯局部飽和，我們在鐵芯的設(shè)計和制造方面進(jìn)行了特殊處理，讓位于線圈內(nèi)部的鐵芯柱截面只在局部區(qū)域減小。小截面鐵芯區(qū)域在交直流磁通共同作用下出現(xiàn)不同程度的飽和，從而實現(xiàn)電抗值的連續(xù)變化。

3.4? ? MCR負(fù)載試驗儀器選型

為滿足110 kV MCR負(fù)載試驗需要，在現(xiàn)有供電能力和試驗條件下，我們采購了1臺容量為2 000 kVA、輸入電壓為0.66 kV、輸出電壓為6.6～132 kV的中間變壓器，由于我們的供電電源容量受限，所以要進(jìn)行24 000 kvar的MCR試驗只能利用并聯(lián)諧振的辦法。在試品進(jìn)線端并入略小于被試品容量的電容器組，通過對控制器角度和調(diào)壓器相互配合調(diào)節(jié)，使MCR電壓和電流都達(dá)到額定值，然后進(jìn)行各項測量，圓滿完成相應(yīng)試驗項目。

3.5? ? 大尺寸、大重量器身吊裝翻轉(zhuǎn)設(shè)計

針對大尺寸、大重量器身吊裝翻轉(zhuǎn)問題，我們參照高電壓、大容量變壓器的制造工藝要求，嚴(yán)控各個環(huán)節(jié)。對硅鋼片、夾件等尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制，嚴(yán)格保證組裝后的尺寸滿足要求;改用瓦楞紙板替代減震硅膠，以增強(qiáng)梁架與鐵軛搭界面的減震和絕緣效果;并將鐵軛頂部的拉螺桿更換為拉板結(jié)構(gòu)，對鐵芯和夾件底部進(jìn)行定位;在器身與箱殼之間增加20 mm的緩沖耐油膠皮，以降低噪聲;在鐵芯與夾件絕緣之間增加絕緣紙板隔離，以增大絕緣電阻;定制鐵芯專用翻轉(zhuǎn)平臺;自制具有定位功能的線圈吊具，以防起吊時擠壓線圈。

3.6? ? 110 kV MCR精準(zhǔn)控制的軟硬件設(shè)計

為保證對110 kV MCR精準(zhǔn)控制，我們自主研發(fā)了基于DSP和CPLD技術(shù)相結(jié)合控制方式組成的全數(shù)字式控制器，其具備多維處理器協(xié)調(diào)控制功能，可對信號進(jìn)行快速處理，對電抗器實施準(zhǔn)確控制。為了增加微機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性，在硬件上加設(shè)了看門狗（Watchdog）電路，保證在電網(wǎng)突發(fā)故障時可控電抗器仍可運行，微機(jī)控制程序中設(shè)置了判斷功能，并可根據(jù)要求輸出限幅或閉鎖脈沖，實時、準(zhǔn)確地對110 kV MCR進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

4 應(yīng)用效果分析

4.1? ? 運行效果測試

110 kV MSVC裝置在張家口供電公司220 kV閻家屯變電站投入運行后，通過儀器測試，3次/5次/7次諧波電流、諧波電壓總畸變率、電壓閃變和三相電壓不平衡度均達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)要求，功率因數(shù)達(dá)到了0.999且不過補，無功功率根據(jù)系統(tǒng)需求情況，在-24 000 ～21 072 kvar連續(xù)動態(tài)變化，成功抑制住了各諧波量，保證了變電站的安全可靠運行。

4.2? ? 直接經(jīng)濟(jì)效益分析

110 kV MSVC裝置投入前，主變向220 kV側(cè)倒送無功。投入后，220 kV母線電流下降了約7 A，無功損耗降低了0.3%，110 kV母線電流下降了約30 A，無功損耗降低了1.7%;220 kV和110 kV無功基本平衡，僅有約1 Mvar的需求;且110 kV母線電壓平衡，負(fù)荷下降了約5 MW，起到了就地平衡無功、穩(wěn)定母線電壓和節(jié)能的目的?？梢奙SVC裝置的投運，帶來了相當(dāng)可觀的直接經(jīng)濟(jì)效益。

普通的無功補償裝置容量不能實時變化，其一般最大只能按照0.93的平均功率因數(shù)進(jìn)行補償，功率因數(shù)不能達(dá)到MSVC裝置0.999的實時功率因數(shù)，對線路損耗降低率小，按照現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)對提高功率因數(shù)的電費獎勵標(biāo)準(zhǔn)來看（功率因數(shù)0.93時獎勵系數(shù)0.45%，功率因數(shù)0.999時獎勵系數(shù)0.75%）接近1倍（由于供電公司不存在電費獎勵，但在能耗大廠，如此下來一年電費獎勵近千萬元），直接經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)顯著。

4.3? ? 社會效益分析

110 kV MSVC裝置能顯著提高電網(wǎng)的輸電能力和運行安全可靠度，符合電力行業(yè)發(fā)展規(guī)劃中提高電網(wǎng)供電可靠性的要求，有助于大幅度提高跨區(qū)配置資源的能力，全面提升國家電網(wǎng)輸電能力和防止大面積停電事故的能力，促進(jìn)電網(wǎng)與電源、輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)、一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)、有功與無功協(xié)調(diào)發(fā)展，全面邁向堅強(qiáng)國家電網(wǎng)目標(biāo)。

5 結(jié)語

（1）110 kV MSVC裝置的市場價值。110 kV MSVC裝置大大降低了輸電裝置的無功損耗，為電網(wǎng)提供了強(qiáng)有力的無功支撐，可提高變壓器的工作效率，可提升原輸電線路的輸送能力，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益成果顯著。（2）110 kV MSVC裝置的未來展望。110 kV MSVC裝置的成功投運，為后續(xù)更高電壓等級、更大補償容量的MSVC裝置研發(fā)打下了堅實基礎(chǔ)，提供了切實可行的技術(shù)和生產(chǎn)工藝。

收稿日期：2020-06-09

作者簡介：李軍軍（1978—），男，陜西人，工程師，研究方向：電力設(shè)備試驗、無功補償技術(shù)。