高電壓大容量MSVC裝置研發試制及應用分析

李軍軍

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

關鍵詞：MSVC裝置;高電壓;大容量;工藝控制;經濟效益

0 引言

我國超高壓輸電網建設規模不斷擴大，目前所采用的無功補償技術難以適應電壓等級提高和電網安全經濟運行方面的要求。大部分MSVC裝置只能安裝在35 kV及以下電力系統中，補償容量相對較小。隨著電力電子器件與計算機控制技術的發展，MSVC裝置朝著高電壓、低損耗、免維護、大容量方向發展。MSVC裝置是基于可調節的磁控電抗器（MCR）技術發展而來的SVC裝置，能跟蹤電網或負荷的無功波動，進行隨機性適時補償，維持電壓無功穩定，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裝置的設計、生產提出了新的要求。本文歸納總結了110 kV MSVC裝置設計、生產制造過程中存在的問題及解決方法，結合其運行過程中的經濟效益分析，指導后期同類型MSVC裝置的高效生產、設計，對更高電壓或更大補償容量的MSVC裝置研發具有一定借鑒作用。

1 110 kV MSVC裝置方案設計

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#主變容量180 MVA，2#主變容量120 MVA。1#主變110 kV側接#4母線，帶風電負荷;3#主變110 kV側接#5母線，帶電鐵負荷;2#主變備用。110 kV和220 kV母線均分列運行。本項目設置的110 kV MSVC裝置安裝于#5母線運行。

1.2? ? 方案設計

3#主變110 kV側#5母線帶的電鐵負荷主要為電力機車，其波動幅度大。根據變壓器供電容量、系統無功波動情況以及電能質量狀況，在110 kV側安裝一套110 kV MSVC裝置，并通過母聯開關與#4、#5母線連接。FC+MCR型SVC裝置內支路設置及容量分配如表1所示。

2 高電壓大容量MSVC裝置設計、工藝控制難點

2.1? ? 負荷變化跨度大

220 kV閻家屯變電站所帶負荷為大功率非線性電力機車牽引機負荷，負荷波動變化跨度大，要求補償容量大并能適時動態連續可調，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連續可調，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

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

2.3? ? 交直流正交磁化和鐵芯局部飽和技術的實現

磁控電抗器采用交直流正交磁化和鐵芯局部飽和技術，鐵芯的設計和制造中如何使交直流磁路正交以及鐵芯如何實現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，若要進行負載試驗，就需要將試品處于額定狀態，在現有供電能力0.4 kV、1 600 kVA情況下，如何進行負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

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提出了更高要求，既要便于過程質量控制，又要提高裝配進度，這就要求對現有工藝流程進行優化。

2.6? ? 110 kV MCR精準控制

磁控電抗器要想能實時動態連續輸出，控制部分必須要能快速準確地傳送信號，及時傳遞并接受觸發信號，實時動作，這就要求控制部分進行優化設計。

以上簡單闡述了高電壓大容量MSVC裝置設計、工藝控制中存在的幾個關鍵問題，其關系到產品質量合格與否以及后續掛網運行的可靠性。

3 難點解決措施

3.1? ? 小截面鐵芯和極限磁飽和技術調節感性無功

針對負荷變化跨度大的問題，我們前期通過設計計算、現場實測以及計算機仿真計算，確認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計裕量，最終安裝容量定為36 000 kvar。利用MCR能動態連續可調的性能，即要改變MCR的電感，使其電感實時可調，跟蹤系統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，在交流磁路的工作鐵芯上分布多個小截面，在MCR的整個容量調節范圍內，僅有小截面鐵芯磁路工作在飽和區，而大截面段始終工作在未飽和線性區，這樣當局部飽和后，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自勵磁結構及電容器組分級絕緣框架的絕緣結構設計

由于直接掛接110 kV系統，110 kV MCR采用主線圈自勵磁結構，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，通過特殊結構設計使控制部分與主體部分隔離，采用獨立油循環方式，使晶閘管工作在安全的溫度環境下，提高了設備的可靠性，確保其機械強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構設計，合理分配主絕緣和縱絕緣，使電容器組內部電容器單元的電壓分布和絕緣耐受強度趨于合理。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，當任何一段電容器容量發生變化時，電流互感器就可以靈敏檢測到故障的不平衡信號。

3.3? ? 鐵芯器件的設計

為實現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為N/2的兩個線圈，每個線圈根據設計要求留有相應的抽頭，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行連接，使直流磁通通過該橋構成回路。此結構保證了交直流磁通只在線圈內部鐵芯柱處交匯。另外，為實現鐵芯局部飽和，我們在鐵芯的設計和制造方面進行了特殊處理，讓位于線圈內部的鐵芯柱截面只在局部區域減小。小截面鐵芯區域在交直流磁通共同作用下出現不同程度的飽和，從而實現電抗值的連續變化。

3.4? ? MCR負載試驗儀器選型

為滿足110 kV MCR負載試驗需要，在現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，所以要進行24 000 kvar的MCR試驗只能利用并聯諧振的辦法。在試品進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壓器相互配合調節，使MCR電壓和電流都達到額定值，然后進行各項測量，圓滿完成相應試驗項目。

3.5? ? 大尺寸、大重量器身吊裝翻轉設計

針對大尺寸、大重量器身吊裝翻轉問題，我們參照高電壓、大容量變壓器的制造工藝要求，嚴控各個環節。對硅鋼片、夾件等尺寸進行嚴格控制，嚴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構，對鐵芯和夾件底部進行定位;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精準控制的軟硬件設計

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

4 應用效果分析

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到了國家標準要求，功率因數達到了0.999且不過補，無功功率根據系統需求情況，在-24 000 ～21 072 kvar連續動態變化，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? ? 直接經濟效益分析

110 kV MSVC裝置投入前，主變向220 kV側倒送無功。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，負荷下降了約5 MW，起到了就地平衡無功、穩定母線電壓和節能的目的。可見MSVC裝置的投運，帶來了相當可觀的直接經濟效益。

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的平均功率因數進行補償，功率因數不能達到MSVC裝置0.999的實時功率因數，對線路損耗降低率小，按照現有國家標準對提高功率因數的電費獎勵標準來看（功率因數0.93時獎勵系數0.45%，功率因數0.999時獎勵系數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），直接經濟效益相當顯著。

4.3? ? 社會效益分析

110 kV MSVC裝置能顯著提高電網的輸電能力和運行安全可靠度，符合電力行業發展規劃中提高電網供電可靠性的要求，有助于大幅度提高跨區配置資源的能力，全面提升國家電網輸電能力和防止大面積停電事故的能力，促進電網與電源、輸電網與配電網、一次系統與二次系統、有功與無功協調發展，全面邁向堅強國家電網目標。

5 結語

（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，為電網提供了強有力的無功支撐，可提高變壓器的工作效率，可提升原輸電線路的輸送能力，經濟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，為后續更高電壓等級、更大補償容量的MSVC裝置研發打下了堅實基礎，提供了切實可行的技術和生產工藝。

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：電力設備試驗、無功補償技術。