浅谈磁控电抗器的阀控系统参数选择

蒋琳　舒秋艳　王波

摘 要：磁控电抗器是采用饱和铁芯电抗器串接入高压主回路，提供感性无功。有环氧树脂干式和油浸式供选，具有体积小、噪音小、谐波小的特点。阀控系统是磁控电抗器控制的核心系统，本文详细的介绍了磁控电抗器的控制原理及阀控系统的参数选择，对磁控电抗器的设计、选型及生产制作等有很重要的参考作用。

关键词：磁控电抗器；阀控系统；控制系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.249

0 引言

磁控电抗器的控制主电路（晶闸管电路）是实现控制器调节磁控电抗器的纽带，在此项目中起着十分重要的作用。本章将以110kV的磁控电抗器为例，从电路的设计、晶闸管及二极管的选取、电阻电容元件的参数设计等几个方面对其进行详细的介绍。

1 磁控电抗器的控制原理

从磁控电抗器的原理中可以了解到，磁控电抗器的控制电压主要取自高压电源侧，现以A相为例，其原理如图1所示：

从图1中我们可以看到，控制器发出脉冲分别接在脉冲变压器TA1和TA2的低压侧，高压侧便产生脉冲经二极管箝位后加到晶闸 管的门极与阴极之间，当晶闸管两端承受正向电压时，晶闸管可以导通，改变晶闸管的移相触发角度，进而改变了磁控电抗器内直流大小，从而改变磁控电抗器的感性容量输出。

2 磁控电抗器阀控系统参数选择

2.1 晶闸管的选取

由于串联晶闸管的正向阻断（或反向）特性不同，但流过相同的漏电流，因而各器件所承受的电压是不相等的。由于每个晶闸管的正向特性不同，在同一漏电流下所承受的正向电压也是不同的，当两个晶闸管串联 使用时，若外部电压继续升高，两个器件 都会失去控制作用；同理，反向时，因不均压，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。

为达到静态均压，一方面应选用通态平均电压比较一致的器件，另一方面，需用电阻均压，而且此均压电阻的阻值应比任何一个晶闸管的阻断时正、反向电阻都小得多，这样，每个串联晶闸管分担的电压主要取决于均压电阻的分压。

为达到动态均压，一方面应选用载流子数量比较一致的晶闸管，或者通过实验选取恢复电流比较一致的晶闸管；另一方面，还需用RC并联支路作动态均压。由于串联晶闸管 开通时间不一致，即使同时触发，先开通的晶闸管压降立即减小，另一晶闸管分担的正向电压随之上升，由此可能引起某些晶闸管强行转折；使用门极强脉冲触发可以缩短开通时间，减小器件开通时间上的差异。在此基础上，也应考虑按反向阻断时的动态均压要求来选取RC参数，解决开通过程的动态均压问题。

由于晶闸管制造工艺的改进，器件的电压等级不断提高，因此要求晶闸管串联的情况会逐步减少。

针对110kV的磁控电抗器，其接线方式为星形接线，Ua1-a3= Ua2-a4 =1%UAX =1%×110000/√3=635V，即晶闸管GA1与GA2承受的额定电压分别为635V，因为设备最高运行电压为126kV，所选晶闸管的额定电压应在880～1382V之间，考虑到对整台设备做雷电冲击耐受电压时，峰值要达到550kV，此时GA1与GA2所承受的电压分别为5500V，按照晶闸管两端承受的电压为最高电压的2～3倍考虑的话，所选晶闸管的电压至少应大于11000V，而目前晶闸管厂家生产的晶闸管大于8000V的仅为国家重点项目±800kV直流换流站所用，其单只价格要达到25000元以上，虽然每台设备只用6只，但其设备成本就要增加10万元，所以此种方案不可取。这样我们就会选择每相用两只晶闸管串联使用，每只晶闸管的额定电压6500V，既能保证正常工作时的电压要求，同时也满足对整台设备的雷电冲击耐受电压的要求。

晶闸管的额定电流按（1.7～2.5）倍允许过载时的电流来选取。针对24000kvar、110kV的磁控电抗器，其额定电流为126A，所以选取300A的晶闸管即可满足使用要求。这样在这台BKSF-24000/110的磁控电抗器中我们选用的晶闸管型号为KP 300-65、整流管的型号为ZP 300-65。

两个晶闸管串联使用原理如图2所示。

2.2 阻容元件的参数设计

我们知道，晶闸管在使用过程中，保护尤其重要，它有一个重要特性参数——断态电压临界上升率du/dt，表明晶闸管在额定结温和门极不导通条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。如果电压上升率过大，超过了晶闸管承受电压上升率的值，则门极无触发信号时也会导通。即使此时加于晶闸管的正向电压不高于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况，因为晶闸管可以看作是由三个PN结组成。

当晶闸管处于阻断状态时，因各层距离较近，当晶闸管阳极电压变化时，便会有充电电 流流过PN结，这个电流相当于门极触发电流。如果晶闸管在关断时阳极电压上升速度太快，则PN结的充电电流越大，就很可能造成门极在没有触发信号的情况下，出现晶闸管导通现象，也就是常说的硬开通，这是不允许的。因此，对加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制。

为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全可靠运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收电路，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的（变压器漏感或负载电感），所以与电容器C串联电阻R便可以起到阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压而损坏晶闸管。同时，避免通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。

由于晶闸管过电流过电压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。RC阻容吸收网络就是最常用的保护方法。下面就晶闸管KP 300-65的RC阻容吸收元件的选择加以计算。

2.2.1 电容的选取

C=（1～2）×10-3×IT

式中，

IT——晶闸管额定电流，A；

因为晶闸管的电流为300A，可以求得

C=（1～2）×10-3×300=（0.3～0.6）μF

电容器的电容值取0.47μF。

电容器两端电压一般根据晶闸管两端电压的额定值除以√2来计算，即5kV。

2.2.2 电阻的选取

式中，

Id——直流电流值，A；

If=0.367Id，

根据计算结果，选取R=10Ω

式中，

U——三相电压的有效值，V；

根据计算结果，选用10Ω，50W电阻。

另外，阻容吸收回路在实际应用中，RC的时间常数一般情况下取1～10ms。

小功率负载通常取2ms左右，R=220Ω/1W，C=0.01μF /400～630V。

大功率负载通常取10ms，R=10Ω/20W，C=1μF /630～1000V。

R的选取：小功率选金属膜或RX21线绕或水泥电阻；大功率选RX21线绕或水泥电阻或铝壳无感电阻。

C的选取：CBB系列相应耐压的无极性电容器。

在此实例中属于大功率负载，综合实际情况，最终选用R=10Ω/50W，C=0.47μF /5000V的阻容吸收网络，且电阻为铝壳无感电阻、电容为无感电容。

3 结语

本文通过公式推导和理论分析对磁控电抗器的阀控系统选择进行了论述。磁阀式电抗器采用的是先进的微电子控制技术，从而可以精密地控制对系统母线的无功功率需求的快速响应及补偿，而且由于没有了机械部件的频繁投切动作，避免了机械式无功补偿装置由于电容投切带来的涌流和过电压冲击，使得装置更加具有安全稳定性和大大提高了补偿装置的使用寿命，也有利于保护用户其他精密设备和精密仪器的正常运行。

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作者简介：蒋琳（1968-），女，高级工程师，主要从事：电网运行控制技术管理工作。