特高压分级式可控并联电抗器

电力18讯：　　一、立项背景

　　中国能源分布与消费的不平衡状况决定了能源资源必须在全国范围内优化配置，通过建设特高压电网（1000kV），可以实现电能在区域间的大规模输送。同超高压输电系统相比，特高压输电系统在输送容量、输电距离、功率损耗、工程投资、环境保护等诸多方面具有明显优势。

　　特高压电网在提高电网输电能力和可靠性的同时，也带来了以下两方面的问题：一是输电线路容性充电功率显著增加；二是区域电网间功率交换增加，个别地区水火互济、互为备用，使得区域联络线功率波动频繁且波动幅度较大。上述因素致使特高压系统功率波动时电压变化频度和幅度加大，特高压电网无功和电压控制问题相对突出，需要采用有效的无功补偿及电压调节技术。可控并联电抗器主要是为了协调限制过电压与无功补偿对并联电抗器不同需求间的矛盾，在该矛盾表现比较突出的输电线路上应该考虑安装可控并联电抗器。

　　为了提高特高压交流输电系统的安全、经济运行水平，国家电网公司准备研制特高压可控并联电抗器。考虑到特高压可控并联电抗器为首次研制，国际上无任何成熟经验可供借鉴，涉及系统特性及设备研制方面一系列技术难题。国家电网公司科技部于2007年立项“1000kV可控电抗器装置关键技术研究”项目、2008年立项“1000kV可控并联电抗器研制及工程示范”，对特高压可控并联电抗器适用性、装置关键技术、工程应用技术进行深入的研究。在装置技术研究的基础上，2010年9月，国家电网公司正式启动“特高压分级式可控并联电抗器单相成套设备集成研制”项目，研制特高压可控并联电抗器设备。

　　二、技术原理

　　基于高阻抗变压器原理的分级式可控并联电抗器是在晶闸管控制变压器型SVC基础上发展起来的，充分利用了变压器的降压作用，使阀能工作在低电压侧下，同时通过加大变压器的漏抗，使漏抗值达到或接近100%，即将变压器和电抗器合于一体。装置的整体控制采用晶闸管投切外接电抗器的方式，利用改变接入可控并联电抗器低压侧的阻抗来调节容量输出。与国外采用相控方式不同，分级式可控并联电抗器是采用晶闸管投切方式进行调节，基本无谐波及直流分量，无须加装滤波器，提高了产品性能和可靠性。依据系统无功电压控制需求的不同，分级式可控并联电抗器可分为不同的级数。分级式可控并联电抗器可以通过分级调节自身容量，满足系统无功补偿和无功电压控制的需求。当系统发生故障导致输电线路跳闸的暂态过程中，分级式可控并联电抗器可以快速调至最大容量输出，达到限制工频过电压、抑制潜供电流的目的，响应速度很快。

　　三、项目成果

　　1）特高压分级式可控并联电抗器关键技术方面

　　高压大容量自冷晶闸管阀、机械开关、取能电抗器构成的新型复合开关技术；

　　大容量自冷式晶闸管阀组的取能和冷却技术；

　　本体保护策略；

　　成套设备技术规范和运行导则。

　　2）特高压分级式可控并联电抗器设备研制方面

　　高阻抗变压器型式的本体；

　　油浸式辅助电抗器；

　　采用干式铁心的取能电抗器；

　　满足合闸优先和快速合闸要求的126kV等级GIS；

　　大容量自冷式晶闸管阀；

　　控制保护系统装置。

　　3）试验技术方面

　　动模试验模型和低压物理试验模型；

　　特高压分级式可控并联电抗器动模试验、RTDS试验和阀控系统容量调节试验等；

　　本体和辅助电抗器联合试验。

　　四、成果的主要技术创新点

　　1）提出一种适用于特高压电网的新型分级式可控并联电抗器方案，将油浸式辅助电抗器、满足合闸优先的GIS和自冷式晶闸管阀等主设备纳入特高压可控并联电抗器的设计，实现了其快速频繁投切，可限制特高压电网的潜供电流和恢复电压、系统工频及操作过电压。

　　2）提出了双柱带双框磁分路的铁心结构，解决了本体漏磁大引起的局部过热问题。

　　3）提出了一种机构倒置、弹簧机构反向设计、增加辅助传动方式的新型GIS，满足合-0.6s-分合的操作顺序及快速合闸要求；采用干式铁心电抗器为晶闸管阀取能的复合开关技术，实现了容量的快速调节和无扰动投切。

　　4）提出了适用于分级式可控并联电抗器特殊试验方法，采用可模拟容量切换工况的阀控系统联合试验法以及本体和辅助电抗器联合试验法，为特高压分级式可控并联电抗器成套装置提供了试验验证手段。

　　5）基于串行光通信阀控方法和通用可配置模块技术，研制了控制保护设备，提高了运行可靠性。建立了动模试验系统、低压物理试验系统及RTDS仿真模型，为特高压可控并联电抗器控保系统提供试验验证手段。

　　五、主要技术性能指标及与国内外同类技术比较

　　1主要技术性能指标
　　
　　2国内外同类技术比较

　　特高压分级式可控并联电抗器成套装置各项性能指标与国外同类技术比均达到设计领先水平，具体比较如下：
　　
　　特高压分级式可控并联电抗器成套装置与国外同类技术对比，具有以下优势：

　　1）所研制的特高压可控并联电抗器在额定容量、额定电压等主要参数上均为世界之最，在可控并联电抗器本体、晶闸管阀控系统、控制保护系统等方面均处于世界领先水平；

　　2）所研制的特高压可控并联电抗器采用分级式结构，通过并联带取能电抗器的旁路断路器结构，确保晶闸管阀具备导通条件。旁路断路器承担长期工作电流，晶闸管阀仅短时工作，无需水冷设备。电抗器谐波电流很小，无需安装滤波器，减少投资及运行成本。

　　通过综合比较可看出，技术方案、设备结构设计等方面具有重大创新，整体达到同类技术领先水平。

　　六、对促进行业科技进步的作用和意义

　　特高压分级式可控并联电抗器关键技术研究及设备研制项目，为可控并联电抗器在特高压输电系统中的示范应用奠定了基础，对可控并联电抗器技术产业化发展的进程具有推动作用。此外，本项目对于变压器制造、大容量晶闸管阀制造等相关产业的快速发展及国内相关科研、设计、制造、建设等企业的技术创新具有带动和引导作用。

　　七、应用情况及前景

　　特高压电网对可控并联电抗器的需求主要包括长距离重载线路、水电外送输电通道、受端电网电力受入线、风电集中外送通道。根据2020年“五纵五横”的特高压目标网架，可控并联电抗器的需求点达十多个，市场潜力很大。本项目带动和引导了变压器制造、大容量晶闸管阀制造、电抗器制造等相关产业的快速发展，对于提升传统产业技术水平，带动国内相关科研、设计、制造、建设等企业的技术创新具有重要意义。我国是国际上唯一推出特高压可控并联电抗器产品的国家，完全掌握了特高压可控并联电抗器研制的核心技术，并且在电抗器设计、制造成本方面相对于俄罗斯等国家有一定优势。因此，特高压可控并联电抗器推广应用和产业化前景十分广阔。

　　八、鉴定意见

　　2015年11月28日，中国电机工程学会在南京组织召开了“特高压分级式可控并联电抗器关键技术研究及设备研制”成果技术鉴定会。鉴定意见摘要如下：

　　开展了特高压分级式可控并联电抗器关键技术研究，研制了世界电压等级最高、容量最大的分级式可控并联电抗器工业样机，可实现特高压电网无功功率补偿和降低暂态过电压等功能。本项目所研制装置原理正确、设计合理、技术先进，综合技术性能达到国际领先水平。建议尽快挂网运行，实现成果转化。