高电压大容量MSVC装置研发试制及应用分析

李军军

摘要：针对110 kV MSVC装置在设计、生产过程中遇到的问题，提出了相应的解决措施，简要分析了其应用效果，为高电压、大容量MSVC装置的研发提供了参考。

关键词：MSVC装置;高电压;大容量;工艺控制;经济效益

0 引言

我国超高压输电网建设规模不断扩大，目前所采用的无功补偿技术难以适应电压等级提高和电网安全经济运行方面的要求。大部分MSVC装置只能安装在35 kV及以下电力系统中，补偿容量相对较小。随着电力电子器件与计算机控制技术的发展，MSVC装置朝着高电压、低损耗、免维护、大容量方向发展。MSVC装置是基于可调节的磁控电抗器（MCR）技术发展而来的SVC装置，能跟踪电网或负荷的无功波动，进行随机性适时补偿，维持电压无功稳定，补偿范围横跨感性和容性全范围。电压等级提高，补偿容量增大，对MSVC装置的设计、生产提出了新的要求。本文归纳总结了110 kV MSVC装置设计、生产制造过程中存在的问题及解决方法，结合其运行过程中的经济效益分析，指导后期同类型MSVC装置的高效生产、设计，对更高电压或更大补偿容量的MSVC装置研发具有一定借鉴作用。

1 110 kV MSVC装置方案设计

1.1    某220 kV变电站简介

张家口供电公司220 kV阎家屯变电站共有3台220 kV/110 kV/35 kV主变压器，其中1#和3#主变容量180 MVA，2#主变容量120 MVA。1#主变110 kV侧接#4母线，带风电负荷;3#主变110 kV侧接#5母线，带电铁负荷;2#主变备用。110 kV和220 kV母线均分列运行。本项目设置的110 kV MSVC装置安装于#5母线运行。

1.2    方案设计

3#主变110 kV侧#5母线带的电铁负荷主要为电力机车，其波动幅度大。根据变压器供电容量、系统无功波动情况以及电能质量状况，在110 kV侧安装一套110 kV MSVC装置，并通过母联开关与#4、#5母线连接。FC+MCR型SVC装置内支路设置及容量分配如表1所示。

2 高电压大容量MSVC装置设计、工艺控制难点

2.1    负荷变化跨度大

220 kV阎家屯变电站所带负荷为大功率非线性电力机车牵引机负荷，负荷波动变化跨度大，要求补偿容量大并能适时动态连续可调，既能实时补充容性无功，又能及时切掉多余容性无功，这就要求磁控电抗器输出的感性无功动态连续可调，实时抵消多余的容性无功防止过补。

2.2    直接挂接110 kV系统

以往的无功补偿主要都在变电站低压侧（35 kV及以下电压），本项目直接在110 kV侧补偿，装置绝缘水平提高至110 kV等级，各部分绝缘结构均需特殊设计，电容器组保护方式需合理选择，以提高保护灵敏度。

2.3    交直流正交磁化和铁芯局部饱和技术的实现

磁控电抗器采用交直流正交磁化和铁芯局部饱和技术，铁芯的设计和制造中如何使交直流磁路正交以及铁芯如何实现局部饱和是核心问题。

2.4    110 kV MCR试验

磁控电抗器电压等级110 kV，额定容量24 000 kVA，若要进行负载试验，就需要将试品处于额定状态，在现有供电能力0.4 kV、1 600 kVA情况下，如何进行负载试验是必须解决的一个难题。

2.5    大尺寸、大重量器身吊装翻转

110 kV MCR电压等级高、额定容量大，其器身尺寸大、重量大，对器身绝缘处理以及装配过程中的吊装翻转提出了更高要求，既要便于过程质量控制，又要提高装配进度，这就要求对现有工艺流程进行优化。

2.6    110 kV MCR精准控制

磁控电抗器要想能实时动态连续输出，控制部分必须要能快速准确地传送信号，及时传递并接受触发信号，实时动作，这就要求控制部分进行优化设计。

以上简单阐述了高电压大容量MSVC装置设计、工艺控制中存在的几个关键问题，其关系到产品质量合格与否以及后续挂网运行的可靠性。

3 难点解决措施

3.1    小截面铁芯和极限磁饱和技术调节感性无功

针对负荷变化跨度大的问题，我们前期通过设计计算、现场实测以及计算机仿真计算，确认3次谐波和5次谐波需要治理，计算出实际需要的无功补偿功率为21 072 kvar，加大了滤波电容器的设计裕量，最终安装容量定为36 000 kvar。利用MCR能动态连续可调的性能，即要改变MCR的电感，使其电感实時可调，跟踪系统需求情况实时输出感性无功，实时抵消多余的容性无功以防止过补。利用小截面铁芯和极限磁饱和技术，在交流磁路的工作铁芯上分布多个小截面，在MCR的整个容量调节范围内，仅有小截面铁芯磁路工作在饱和区，而大截面段始终工作在未饱和线性区，这样当局部饱和后，流入MCR中的电流稍有变化，则电感就会变化很大，这样输出的感性无功就跟着实时变化。

3.2    MCR自励磁结构及电容器组分级绝缘框架的绝缘结构设计

由于直接挂接110 kV系统，110 kV MCR采用主线圈自励磁结构，可控硅等控制部件是与110 kV主线圈抽头直接连接，我们将晶闸管部分单独安装在MCR本体上，通过特殊结构设计使控制部分与主体部分隔离，采用独立油循环方式，使晶闸管工作在安全的温度环境下，提高了设备的可靠性，确保其机械强度和电气安全满足要求。针对电容器组，我们采用分级绝缘框架的绝缘结构设计，合理分配主绝缘和纵绝缘，使电容器组内部电容器单元的电压分布和绝缘耐受强度趋于合理。同时，电容器组采用单星形接线桥差不平衡电流保护方式，其方法是将电容器每相分成两个相同的臂，在两臂的中点或接近中点之间接入电流互感器，即桥式接线，当任何一段电容器容量发生变化时，电流互感器就可以灵敏检测到故障的不平衡信号。

3.3    铁芯器件的设计

为实现自励磁交直流正交磁化，我们采用两个三柱铁芯作为交流磁路，每个铁芯柱上分别对称绕有匝数为N/2的两个线圈，每个线圈根据设计要求留有相应的抽头，抽头之间连接有控制励磁电流的可控硅部件。两套铁芯之间采用上下6个正交布置的硅钢片桥进行连接，使直流磁通通过该桥构成回路。此结构保证了交直流磁通只在线圈内部铁芯柱处交汇。另外，为实现铁芯局部饱和，我们在铁芯的设计和制造方面进行了特殊处理，让位于线圈内部的铁芯柱截面只在局部区域减小。小截面铁芯区域在交直流磁通共同作用下出现不同程度的饱和，从而实现电抗值的连续变化。

3.4    MCR负载试验仪器选型

为满足110 kV MCR负载试验需要，在现有供电能力和试验条件下，我们采购了1台容量为2 000 kVA、输入电压为0.66 kV、输出电压为6.6～132 kV的中间变压器，由于我们的供电电源容量受限，所以要进行24 000 kvar的MCR试验只能利用并联谐振的办法。在试品进线端并入略小于被试品容量的电容器组，通过对控制器角度和调压器相互配合调节，使MCR电压和电流都达到额定值，然后进行各项测量，圆满完成相应试验项目。

3.5    大尺寸、大重量器身吊装翻转设计

针对大尺寸、大重量器身吊装翻转问题，我们参照高电压、大容量变压器的制造工艺要求，严控各个环节。对硅钢片、夹件等尺寸进行严格控制，严格保证组装后的尺寸满足要求;改用瓦楞纸板替代减震硅胶，以增强梁架与铁轭搭界面的减震和绝缘效果;并将铁轭顶部的拉螺杆更换为拉板结构，对铁芯和夹件底部进行定位;在器身与箱壳之间增加20 mm的缓冲耐油胶皮，以降低噪声;在铁芯与夹件绝缘之间增加绝缘纸板隔离，以增大绝缘电阻;定制铁芯专用翻转平台;自制具有定位功能的线圈吊具，以防起吊时挤压线圈。

3.6    110 kV MCR精准控制的软硬件设计

为保证对110 kV MCR精准控制，我们自主研发了基于DSP和CPLD技术相结合控制方式组成的全数字式控制器，其具备多维处理器协调控制功能，可对信号进行快速处理，对电抗器实施准确控制。为了增加微机控制系统的抗干扰能力和可靠性，在硬件上加设了看门狗（Watchdog）电路，保证在电网突发故障时可控电抗器仍可运行，微机控制程序中设置了判断功能，并可根据要求输出限幅或闭锁脉冲，实时、准确地对110 kV MCR进行精准控制。

4 应用效果分析

4.1    运行效果测试

110 kV MSVC装置在张家口供电公司220 kV阎家屯变电站投入运行后，通过仪器测试，3次/5次/7次谐波电流、谐波电压总畸变率、电压闪变和三相电压不平衡度均达到了国家标准要求，功率因数达到了0.999且不过补，无功功率根据系统需求情况，在-24 000 ～21 072 kvar连续动态变化，成功抑制住了各谐波量，保证了变电站的安全可靠运行。

4.2    直接经济效益分析

110 kV MSVC装置投入前，主变向220 kV侧倒送无功。投入后，220 kV母线电流下降了约7 A，无功损耗降低了0.3%，110 kV母线电流下降了约30 A，无功损耗降低了1.7%;220 kV和110 kV无功基本平衡，仅有约1 Mvar的需求;且110 kV母线电压平衡，负荷下降了约5 MW，起到了就地平衡无功、稳定母线电压和节能的目的。可见MSVC装置的投运，带来了相当可观的直接经济效益。

普通的无功补偿装置容量不能实时变化，其一般最大只能按照0.93的平均功率因数进行补偿，功率因数不能达到MSVC装置0.999的实时功率因数，对线路损耗降低率小，按照现有国家标准对提高功率因数的电费奖励标准来看（功率因数0.93时奖励系数0.45%，功率因数0.999时奖励系数0.75%）接近1倍（由于供电公司不存在电费奖励，但在能耗大厂，如此下来一年电费奖励近千万元），直接经济效益相当显著。

4.3    社会效益分析

110 kV MSVC装置能显著提高电网的输电能力和运行安全可靠度，符合电力行业发展规划中提高电网供电可靠性的要求，有助于大幅度提高跨区配置资源的能力，全面提升国家电网输电能力和防止大面积停电事故的能力，促进电网与电源、输电网与配电网、一次系统与二次系统、有功与无功协调发展，全面迈向坚强国家电网目标。

5 结语

（1）110 kV MSVC装置的市场价值。110 kV MSVC装置大大降低了输电装置的无功损耗，为电网提供了强有力的无功支撑，可提高变压器的工作效率，可提升原输电线路的输送能力，经济效益和社会效益成果显著。（2）110 kV MSVC装置的未来展望。110 kV MSVC装置的成功投运，为后续更高电压等级、更大补偿容量的MSVC装置研发打下了坚实基础，提供了切实可行的技术和生产工艺。

收稿日期：2020-06-09

作者简介：李军軍（1978—），男，陕西人，工程师，研究方向：电力设备试验、无功补偿技术。