中石油西氣東輸二線上海支干線撫州壓氣站SVG室內循環冷卻改造方案

張海健，胡天明，劉琨，黃永恒

（中石油管道有限責任公司西氣東輸分公司，上海200122）

1 SVG的基本結構原理

SVG即高壓靜止無功補償器，通常由逆變橋、直流電容器、電抗器、斷路器及冷卻系統等部分構成，其中，逆變橋由可關斷的半導體器件IGBT組成。其工作原理是將自換相橋式電路通過電抗器并聯在電網上，通過調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流的相位和幅值，使電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現快速動態無功補償合消除諧波等目的。

2 項目概述

西氣東輸撫州壓氣站110kV變電所，包括華電GIS、達馳變壓器、魯億通中壓柜、榮信SVG等核心設備也全部實現了國產化。其中，榮信SVG在場站運行中發揮著極其重要的作用，經過改造，由原來只補償10kV側站內用電系統的無功電量，到現在能夠實現站內設備與外電線路的雙向補償，節約了力調電費，降低了運營成本。

2.1 SVG設備功能

SVG主要功能包括：（1）提高線路輸電穩定性；（2）維持受電端電壓，加強系統電壓穩定性；（3）補償系統無功功率，提高功率因數；（4）諧波動態補償，改善電能質量；（5）抑制電壓波動和閃變；（6）抑制三相不平衡等[1]。

2.2 SVG設備故障影響及原因

SVG設備故障后將無法對站內設備與110kV外電線路進行補償，撫州壓氣站110kV電力線路容性無功很大，對電網的影響主要表現在：（1）無法補償線路容性無功，導致力調電費罰款大增；（2）總電流增大，加劇設備及線路的損耗；（3）使線路和變壓器電壓降增大，供電質量嚴重降低。

2014—2019年，撫州站SVG共發生過12次故障，原因皆為室內濕度較大導致單元驅動板損壞。由于江西每年3～9月環境濕度常達到90%以上。現場SVG是依靠自然強迫風冷，進風口的設計在室外，將戶外大量的潮濕空氣吸入SVG功率單元內進行散熱。SVG長期處于超出設計濕度運行，隨著溫度變化，潮濕的空氣和灰塵就會在絕緣器件、半導體器件及PCB的板卡上凝結下來，導致功率單元絕緣下降，放電損壞[2]。

3 改造技術方案

3.1 改造前后工作原理

改造前，SVG冷切方式為室外強迫自然風冷，直接通過進風口吸入外界空氣到SVG室，再經過設備本體上安裝的濾網進入設備內部對設備進行冷卻，然后通過風扇抽離，經過排風風道排到室外。

改造后，SVG設備冷切方式為內循環風冷，直接由空調將SVG室內溫濕度控制在適宜范圍內，再經過設備本體上安裝的濾網進入設備內部對設備進行冷卻，然后通過風扇抽離，直接排放到室內，繼續由空調進行室內溫度調節，持續保證設備穩定運行在適宜的環境中。

3.2 空調容量選擇測算

3.2.1 SVG連接電抗器的發熱量計算

連接電抗器的損耗計算公式為：

式中，P為發熱量；I為SVG額定輸出時電抗器工作電流，為167A；R為電抗器電阻，R=ωL/Q[其中，ω為角頻率（2πf，f為交流電頻率為50Hz）；Q為品質因數，取45；L為電感量]。代入數據得P=10.5kW。

3.2.2 SVG單個功率單元發熱量計算

1）IGBT損耗計算。根據現場的設備容量為10kV 5M，其發熱量計算為：設備電流167A，現場設備采用的是風冷，IGBT額定電流300A并聯，開關頻率250Hz，散熱器表面溫度90℃，雙極性調制。

IGBT選型：富士2MBI300VH-170P-50 IGBT模塊由IGBT本部和續流二極管FWD組成，各自發生的損耗的合計為IGBT模塊整體損耗；同時，IGBT的損耗又分為通態（穩態）損耗和交換（開關）損耗。

IGBT（本部）耗散功率計算：IGBT通態平均功耗是：

式中，iC（t）為隨時間變化的集電極電流；VCE（sat）（t）為IGBT飽和壓降；T為導通周期。通態損耗近似是Psat=VCE（sat）ICDT（其中，VCE（sat）為IGBT飽和壓降；IC為通態下的集電極電流；DT為占空比PWM）。應用時，近似通態損耗Psat=VCE（sat）ICDT=104.8W。續流二極管損耗：Pd=27.9W。

開關損耗精確計算：測量開關過程中的波形，對其進行積分（積分時間是開通時間或關斷時間）。

iC（t）VCE（sat）的積分面積是以焦耳為單位的開關能量。總開關損耗是開通與關斷過程所損耗能量之和，平均開關損耗是單位脈沖開關損耗與開關頻率相乘后得到：

式中，Psw為IGBT開關平均損耗；fPWM為IGBT開關頻率；EON為IGBT開關開通損耗；EOFF為IGBT開關關斷損耗。實際上，EON和EOFF可由交換損耗-集電極電流特性曲線來估算依據IGBT實際流過的電流值，查曲線得到EON和EOFF，即可計算平均開關損耗本部總損耗是通態損耗和開關損耗之和

2）直流電容損耗計算。根據直流電容銘牌得知直流電容器損耗為：23.6W。

3）控制回路損耗計算。控制柜損耗：250W。

4）其余部分損耗計算。驅動板損耗=15W。均壓電阻損耗是單元直流側電壓在容性滿載情況下，電壓為900V，電阻采用的是9K，那么每個電阻的功率為：8002/9 000=72W。

根據上述損耗相加計算得出了單個功率單元發熱量，即143.6+94.4+250+15+72=575W。

3.2.3 發熱量計算結果

撫州站成套SVG共有63個功率單元，發熱量為36kW。電抗器發熱量為10.5kW，成套SVG發熱量為36+10.5=46.5kW。

3.2.4 空調容量選擇

按著空調制冷量1P=2.5kW的制冷量計算，那么46.5kW熱量所需的空調容量為：46.5/2.5=18.6P。預留10%余量，則空調的總容量選擇20P即可。采用3臺10P空調，平時2臺運行，1臺備用。

4 改造后效果

SVG室內循環冷卻改造后，連續運行7個月未發生類似故障，改造效果明顯，更好的保障供電質量。

5 結語

通過對SVG動態無功補償裝置的結構和原理分析，為以后設備維護，維修提供了理論依據，便于及時發現設備故障，從源頭解決SVG經常性故障問題，為正常生產提供優質，高效電能。