可控高抗在超高压输电系统中的应用.docx

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可控高抗在超高压输电系统中的应用

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摘要

发展特高压、超高压输电是我国电力工业发展的必然趋势，特高压、超高压输电对电网的安全稳定运行及电能质量提出了更高的要求。

电力系统中的无功补偿与无功平衡，可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力，抑制系统过电压。

随着电网结构的日益复杂和电压等级的不断提高，电压和无功的调节仅仅依靠发电机的自动电压调节器已经远远不够，必须增强电网本身的调控能力。

目前，在电力系统中应用最为广泛的无功补偿装置之一是并联电抗器，现在的超高压并联电抗器是非可控的，它始终接入线路而不予切除，而当线路发生故障切除和重合闸时，会产生工频和操作过电压。

如何将并联电抗器做成可控方式是当前的现实需要和发展趋势，而且为了适应负载的急剧变化，电抗器应该具有高速响应的特点。

本文详细介绍可控电抗器的分类及结构特点，通过对超高压输电线路特点的介绍，详细叙述了可控电抗器在高压输电线路中的原理及特点。

关键词：

超高压输电线路可控电抗器

目录

摘要4

1绪论7

1.1课题研究背景及意义7

1.1.1我国发展特高压、超高压输电的必要性8

1.1.2无功补偿的重要性11

1.1.3并联电抗器补偿装置的缺陷13

1.1.4可控电抗器在特高压或超高压输电中的地位14

1.2可控电抗器的功能与应用范围16

1.3可控电抗器的分类20

1.4可控电抗器的研究进展21

2特（超）高压输电线路简介25

2.1特（超）高压输电的经济性25

2.2特（超）高压线路的输电能力27

2.3MCR应用在特（超）高压输电中的优势28

3可控电抗器在特（超）高压线路中的应用32

3.1概述32

3.2可控补偿原理34

4结语38

参考文献39

1绪论

1.1课题研究背景及意义

电能是当今最重要的能源形式，随着我国经济的飞速发展和人民生活水平的迅速提高，对电力的需求也正在高速增长，目前，我国已成为世界第二大电力消耗国。

根据我国的国情，发展大电网互联和大容量远距离输电是必然趋势，近年来，超高压、特高压电网在我国很多地区相继投入运行。

因此，对电网的安全稳定运行及电能质量提出了更高的要求，电能质量的好坏将直接关系到国民经济的总体效益。

提高电网的安全运行水平和电能质量，除电网结构本身要合理外，还必须要有先进的调节控制手段。

特高压或超高压大电网的形成及负荷变化加剧，要求大量可调的无功功率源以调整电压，维持系统无功潮流平衡，减少损耗，提高供电可靠性。

传统的无功功率补偿装置有同步调相机（SynchronousCondenser-SC）、并联电容器、静止无功发生器（StaticVarGenerator-SVG）和并联电抗器等。

同步调相机不仅能补偿固定无功功率，对变化的无功功率也能进行动态补偿，但是由于同步调相机是旋转电机，因其损耗和噪音都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求，目前应用很少。

并联电容器与同步调相机相比，调节效果相近，成本较低，但由于受电容器分组数量的限制，无功补偿只能实现有级调整，更多地与电抗器或电阻器一起应用在电力系统中，作为某次谐波的无功补偿和滤波装置。

静止无功发生器是一种现代电力电子无功偿装置，它既可以发出无功功率，又可以吸收无功功率，但其只能补偿无功功率，功能较为单一。

并联电抗器是目前我国在特高压或超高压长距离输电系统中普遍采用的无功功率补偿装置，并联电抗器的结构十分复杂，价格要比同级功率的电力变压器高得多，且其容量不能做成连续可调，即不能对无功功率进行自动连续平滑调节。

因此上述各种无功功率补偿装置都不能很好地满足特高压或超高压远距离输电网无功平衡的需要。

可控电抗器是一种特殊的特高压或超高压并联电抗器，它能够随着传输功率的变化而自动平滑地调节本身的容量。

但早期的可控电抗器因其调节速度慢、损耗较大及其他无功补偿装置的迅速发展等原因并没有受到人们的重视。

1986年，原苏联科学家提出了可控电抗器的一种新型结构，从而使可控电抗器的发展有了突破性进展。

新型可控电抗器可直接用于直到1150kV的任何电压等级的电网作为连续可调的无功补偿装置，因而可直接连接于特高压或超高压线路侧，同时发挥同步补偿机和并联电抗器的作用。

可控电抗器在电力系统中，特别是特高压或超高压电力系统中的应用前景和潜力是十分广阔的。

1.1.1我国发展特高压、超高压输电的必要性

我国地域广阔，资源丰富，但一次能源（水力、煤炭）的地理分布很不均衡。

水力资源的67.8%分布在西南地区（四川西部、西藏东部最为集中），可开发的资源达上亿千瓦。

而煤炭总储量的70%集中在华北和/三西0（山西、陕西和蒙西）。

而我国电力负荷中心主要集中在经济发达、人口密集的中部、东北及东南沿海一带，预计到2015年，仅长江三角洲地区负荷就接近7@107kW，占全国总容量的1/7。

这些地区的电力短缺问题日益严重。

目前，我国兴建电站有两种选择：

一是建在电力负荷中心，因此水电、核电显然是不现实的，而只可能建火电厂，把煤炭远距离送到负荷中心。

但在当地大量建设燃煤的火力发电厂越来越受到铁路运输和环境保护的制约，大量将煤炭用于发电也是对煤炭资源的极大浪费，经济上并不合算。

而且火电站的容量相对较小，因而并不能有效解决电力紧缺问题；另一选择是发电厂建在一次能源中心，将电能通过长距离输电线路送到中东部的负荷中心。

因此，为满足不断增长的电力需求，充分利用西南、西北地区的水力资源建设水电站和/三西0地区丰富的煤炭资源建设煤矿坑口电厂，将电力输送到电力负荷中心地区，已成为我国能源、电力建设的主要方针之一。

据预计，到2020年我国西电东送电力将达到1.2~1.5亿kW。

为使大量电力长距离安全、稳定地输送，并尽可能减少输电系统中的线路损耗，采用特高压或超高压输变电技术将是必然趋势。

现在世界上无论是交流输电，还是直流输电，总的趋势是输电电压等级越来越高。

其主要目的是为了大容量远距离输送电力，减小传输过程中的损失并结合考虑技术经济因素。

当电力系统出现故障时，目前开关能够开断的最大电流为63kA，当故障电流大于63kA时无法开断，随着输电电压的提高，线路的开断电流可以降低。

输电电压越来越高的原因还包括：

一是对线路走廊的考虑，在幅员窄小，地价很高或线路走廊受地形限制时，该因素就尤显突出。

经济比较结果表明：

每提高一个电压等级，走廊输送电能的利用率可提高2~3倍。

如美国AEP的765kV输电线路，输送的能力相当于5条345kV线路的输送能力，而线路走廊宽前者仅60m，后者则要求225m。

此外，出于稳定的考虑，同一电压多条线路总的输送能力并非各路输送能力的整数倍，但输电电压等级提高后，则可以输送较大容量。

第二是对短路电流的考虑，系统允许短路电流的上限是由系统结构和断路器的开断能力决定的。

由于更高的电压负担了主要输电任务，较低电压系统的短路电流则不会增加，并能满足已有断路器的开断能力。

近年来，我国的特高压或超高压输电在建设规模和增长速度方面都取得了很大发展。

目前已形成华北、东北、华东、华中、西北和南方电网共6个跨省区电网以及海南、新疆和西藏3个独立省网，500kV线路已成为各大电力系统的骨架和跨省、跨地区的联络线，电网发展滞后的矛盾基本得到缓解。

我国已建成投运330kV输电线路突破1万km，500kV线路近4万km3；30kV变电所变电容量1755万KVA，500kV变电所变电容量13725万KVA。

近期，经国家批准，国家电网公司已启动建设晋东南南阳荆门交流1000kV，每一条线路输送300万kW特高压试验示范工程和溪洛渡、向家坝送出800kV、每一条线路输送640万kW直流特高压输电国产化示范工程，南方电网公司也开始了云南楚雄至广州穗东800kV、每一条线路输送500万kW直流特高压输电国产化示范工程的前期建设工作。

1.1.2无功补偿的重要性

电力系统的电压是衡量电能质量的重要指标之一。

电压过高、过低或偏离一定的范围，一方面会影响用电设备的寿命和频率，甚至会由于过电压或过电流造成用电设备的损坏；另一方面对电网的稳定和经济运行也会产生很大的危害。

因此，电压质量对电力系统的安全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质量以及电器设备的安全和寿命具有重要影响。

电力系统中的无功补偿与无功平衡，是保证电压质量的基本条件。

电容无功功率的不足或过大都将引起系统电压的下降或上升，极端情况下可导致某些枢纽变母线电压大幅度下降而出现电压崩溃现象。

大电网一旦出现事故，会导致大面积停电，对国民经济造成巨大损失，严重影响人民生活，如美国2003年8月14日停电造成的损失高达300亿美元。

有效的电压控制和合理的无功补偿，不仅能保证电压质量，而且能提高电力系统运行的稳定性和安全性，充分发挥经济效益。

无功功率平衡是指在电网运行的每一时刻，所有无功电源发出的无功功率要等于所有负荷所消耗的无功功率和系统中各环节上无功功率损耗之和。

无功电源包括发电机、调相机、静止无功补偿器、并联电容器等。

系统中无功功率损耗主要是指在线路和变压器中的无功损耗。

与系统中的有功损耗相比，无功损耗要大得多，这是因为特高压或超高压线路、变压器的等值串联电抗要比电阻大得多，变压器的励磁无功损耗也比励磁有功损耗大得多。

系统中的有功损耗一般占负荷功率的百分之几，而系统中的无功损耗与无功负荷的大小是差不多的，无功电源发出的无功功率大致一半是供给负荷的，而另一半是补偿线路、变压器中的无功功率损耗的。

因此随着电网结构的日趋复杂和电压等级的不断升高，电压无功的调节仅仅依靠发电机的自动电压调节器远远不够，必须增强电网本身的调控能力。

所以，电网中需要加装大量的无功补偿装置。

无功补偿的作用主要有以下几点：

（1）提高供用电系统及负荷的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。

（2）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。

在长距离输电线路中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。

（3）在特高压或超高压、远距离输电系统中可抑制系统过电压。

（4）在电气化铁道等三相负荷不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负荷。

1.1.3并联电抗器补偿装置的缺陷

当前，在电力系统中应用最为广泛的无功补偿装置是并联补偿设备，它包括并联电容器、并联饱和电抗器（SaturatedReactor-SR）、晶闸管控制/投切电抗器（ThyristorControlled/SwitchedReactor-TCR/TSR）和晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitor-TSC）等。

在超高压、长距离输电系统中，我国目前普遍采用超高压并联电抗器。

并联电抗器的结构十分复杂，价格要比同功率级的电力变压器高得多，且其容量不能做成连续可调。

我们知道，特高压或超高压线路的最大传输功率通常接近于线路的自然功率。

当传输小功率时（例如在水电站的枯水季节），并联电抗器起到充分补偿线路容性无功的作用。

但是，当传输功率接近于自然功率时，线路中的容性和感性恰好自我补偿，并联电抗器就将成为多余的装置，它不仅使得线路电压过分降低，且其无功电流会在电网中造成附加的有功损耗，也就降低了电网的经济效益。

故在传输大功率时，特高压或超高压并联电抗器应该从线路中切除。

然而，如果此时发生线路的故障切除和重合闸，并在此过程中造成短时间

的单向供电方式，那么空载线路会因失去补偿而产生不能容许的工频和操作过电压，这是常规电抗器的固有缺点。

随着电力工业的飞速发展，特高压或超高压电网相继投入运行，人们对电网的安全稳定运行及电能质量提出了更高的要求。

特高压或超高压大电网的形成及负荷变化加剧，要求大量可调的无功功率源以调整电压，维持系统无功潮流平衡，减少损耗，提高供电可靠性。

因此，在特高压或超高压、远距离输电系统中，普通并联电抗器由于功率不能自动连续平滑调节，不能很好地满足特高压或超高压、远距离输电网无功平衡的需要。

1.1.4可控电抗器在特高压或超高压输电中的地位

基于上述原因，专家们纷纷转而寻求更加经济和可靠的无功补偿装置。

1986年，原苏联科学家提出了可控电抗器的一种新型结构，从而使可控电抗器的发展有了突破性进展。

可控电抗器是一种特殊的特高压或超高压并联电抗器，它不仅能随着传输功率的变化而自动平滑地调节本身的容量，而且当并联电抗器在小容量的范围运行时（线路传输大功率），一旦发生暂态过程，它会急剧地增大容量而呈现出深度的强补效应，即仍能起到降低操作过电压的作用。

数值计算表明[23][24]，在瞬间过电压作用下，某些形式的可控电抗器的强补倍数（相当于补偿度）达到十倍以上，而且能持续几十个工频周期，这就使得长线中的强制（工频）电压分量在此持续时间内降低到极低数值，操作过电压也就被大幅度地抑制下来。

在特高压或超高压长线中，可控电抗器可轻易地将操作过电压限制至2倍以下，因而可以取代现有的常规限压措施。

可控电抗器能在短时间内从空载调节到额定值，在特高压或超高压、远距离输电网中广泛使用能显著减少线路空载（轻载）损耗，提高电网可靠性和优化电网运行状况。

可控电抗器制造工艺简单、成本低廉，因此对于提高电网的输电能力、调节电网电压、补偿无功功率以及限制操作过电压，可控电抗器都具有广阔和巨大的应用潜力。

1.2可控电抗器的功能与应用范围

在特高压或超高压、大容量的电网中，须安装一定容量的无功补偿装置（包括并联电抗器和静止无功补偿器），其主要目的一是补偿容性充电功率，二是在轻负荷时吸收无功功率，控制无功潮流，稳定网络的运行电压。

理论研究和实践证明，调节电抗对于提高电力系统运行性能有显著作用，特别是可控电抗器的应用，其容量随跟踪传输功率的大小而自动变化，防止了线路一侧开关切合所产生的过高的工频操作过电压及相应的暂态振荡过电压，从而可减少电网损耗、提高供电质量，带来巨大的经济效益和社会效益。

可控电抗器在电力系统中的应用前景是十分广阔和巨大的，它的功能及应用范围如下：

1.在特高压或超高压电网中用作调相调压设备

可控电抗器可做成任意电压等级直接接入特高压或超高压电网，因此具有显著的技术、经济性。

目前，我国电网缺少的调相容量相当大，今后随着更多的大型水电站的投运，为了改善系统的稳定性能和减少输电损耗，有功电源侧一般很少送出无功，受电端所需无功功率必须自行补偿，所以调相容量将更加缺乏。

因此可控电抗器将为我国今后解决这个矛盾提供了一个理想的途径。

2.抑制系统过电压

在电网正常运行时，可控电抗器容量可根据线路传输的功率自动平滑调节，以稳定其电压水平。

在线路传输大功率时，若出现末端三相跳闸甩负荷工况，处于接近空载状态的可控电抗器可通过快速励磁系统迅速将电抗器容量调整到所需值，以抑制工频过电压。

可控电抗器除了可抑制工频过电压外，还能大幅度地抑制因线路开关操作而产生的操作过电压，从而可望取代现有的限压装置（如合闸并联电阻等）。

3.消除发电机自励磁

发电机带空载线路运行时，有可能产生自励磁。

可控电抗器的自动平滑补偿作用，能有效地消除产生自励磁的条件和现象。

4.限制操作过电压

由于可控电抗器的补偿作用，空载线路的工频电压得以抑制，从而降低了系统的操作过电压水平。

特别是裂芯式可控电抗器具有容量无惯性强制增长的特性，可大幅度限制线路计划性合闸、重合闸、故障解列等操作过电压，其过电压水平不超过额定电压的1.6倍。

同样地，采用调磁路式可控电抗器补偿方案也是一种经济合理的途径。

5.线路容性功率补偿

对于500kV及以上特高压或超高压线路，当传输自然功率时，其容性和感性无功自我补偿，应将可控电抗器容量调至空载（接近零）；相反，在线路空载或轻载时，可控电抗器容量应增至额定值，以充分吸收线路的剩余容性无功，避免空载或轻载长线终端的容升。

特高压或超高压可控电抗器可快速灵活地平滑调节自身无功出力，是特高压或超高压电网理想的无功补偿设备。

6.潜供电流抑制

降低线路单相接地时的潜供电流以提高单相重合闸的成功率是改善系统可靠性和稳定性的一个重要环节。

模拟实验和理论分析表明，可控电抗器配合中性点小电抗和一定的控制方式，可大大减小线路单相接地时的潜供电流，有效地促使电弧熄灭。

7.限制短路电流和平波

串联在电力系统中的高温超导故障电流限制器（HighTemperatureSuper-ConductingFaultCurrentLimiter-HTSCFCR）具有超导时无电抗、出现短路电流后失去超导作用而呈阻性或感性的特征。

晶闸管控制电抗器（ThyristorControlledReactor-TCR），正常时电流由晶闸管导通，电抗器被短接，一次侧阻抗很小；当一次侧流过短路电流时晶闸管开断接入可控或非可控电抗器，则可加大一次阻抗，从而大幅度地限制短路电流。

同时，平波电抗器可以使整流后的脉波电流接近直流，具有优良的平波功能。

8.用作消弧线圈

应用可控电抗器原理制作的可调消弧线圈具有可靠性高、响应速度快、谐波小等一系列优点，可快速准确寻找故障点，提高供电可靠性。

9.在直流输电系统中的应用

高压直流输电往往要解决如下几个重要问题：

（a）补偿无功；（b）调整电压；（c）抑制过电压，降低绝缘要求。

可控电抗器配合电容器可解决上述问题。

10.可控电抗器在有冲击负荷的电力用户和变电站应用可达到的效果

（1）抑制电压闪变：

电弧炉、大型轧钢机、加速器、电气机车等都属于大功率无功冲击负荷。

其特点是变动周期短，变化速度快。

研究表明，可控电抗器的调节时间可以缩短到一个工频周期以内，从而在抑制电压闪变方面的应用有良好基础。

（2）补偿用户无功，提高功率因数：

可控电抗器配合电容器组可以大大提高用电企业的功率因数。

避免用户因功率因数低而承受的罚款损失。

（3）平衡负荷：

可控电抗器可用来消除负荷的不平衡运行给电网带来的影响，从而使不平衡负荷处的供电电压平衡化。

1.3可控电抗器的分类

一、调磁路式可控电抗器

充分利用电力电子技术和微机控制技术开发成功的铁芯式可控电抗器有直流助磁式可控饱和型（ControlledSaturantReactor-CSR）、自饱和磁阀式（Self-SaturantMagneticValveThyristorControlledReactor-SSMVTCR）及裂芯式晶闸管控制型（SplitCoreTypeThyristorControlledReactor-SCTTCR）等形式的电抗器。

二、调电路式可控电抗器

随着电力电子技术的飞速发展，通过改变晶闸管的导通角，从而改变线路的电流，等效调节电抗器绕组匝数，即调节电抗器等效电感，这就是本文所描述的调电路式可控电抗器的基本原理。

三、调气隙式可控电抗器

调气隙式可控电抗器目前主要用作消弧线圈，由于它不需要象TCT0那样切换分接抽头，所以不会在油箱内产生电弧，造成油的污染，使运行维护大大简化，且整个外形尺寸小。

四、超导型可控电抗器

它是利用超导体的超导态（S）正常态（N）转变特性。

线路正常时，超导体处于超导态，具有零电阻和完全排磁通效应（迈斯纳效应），装置阻抗很低；在发生短路故障时，它转为正常态，具有一定的电阻，失去完全排磁通效应，使装置阻抗迅速增大以限制短路电流。

1.4可控电抗器的研究进展

可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的。

1916年，美国的E.F.W.亚历山德逊提出了磁放大器的报告。

到了40年代，随着高磁感应强度及低损耗的晶粒取向硅钢带和高磁导、高矩形系数的坡莫合金材料的出现，将饱和电抗器的理论和应用提高到一个新水平。

1955年美国的H.F.斯托姆著了5磁放大器6一书，1956年苏联的M.A.罗津布拉特也著了5磁放大器6一书[50]，标志着磁放大器发展的高峰，当时已成为自动化系统不可缺少的基础元件。

与此同时，科技工作者把磁放大器的工作原理引入到电力系统中自动控制无功功率。

1955年世界上第一台可控电抗器在英国制造成功[3]，其额定容量为l00MVA，工作电压为6.6kV~22kV。

该可控电抗器工作绕组为两组，均为Z形连接。

这样，对应相的两个基波电流在相位上相差30°，并且由于有三角形绕组，3倍频及7次以下的奇次谐波自我抵消而不注入电网。

但该可控电抗器有很大的缺点：

控制直流的改变会导致接成三角形

线圈内部电流的变化，过渡过程的时间常数取决于三角形线圈的时间常数，其值一般很大，故调节速度很慢。

另外，其有功损耗和材料消耗都较大。

这些缺点限制了可控电抗器的推广。

1977~1978年，美国GE公司和Westinghouse公司先后研制出采用晶闸管控制的静补装置。

其后，世界一些大公司相继推出各具特色的系列静补装置。

70年代，BBC公司研制了超高压TCT型静补装置，其中设置了一组接成星形的绕组，以避免3次及其奇数倍次的谐波电流进入电网5。

次及以上谐波的滤波装置接在高压侧，由于其代价高昂，损耗过大（2%以上），因此它并没有被推广使用。

但这种晶闸管控制的电抗器的显著特点是响应时间特别短（0.01S以下）。

70年代发展起来的相控电抗器由于造价高昂不适宜在电力系统中广泛应用。

随着世界经济的发展对电力的需求越来越高，特高压或超高压电网相继投入运行，人们对电网的安全稳定运行及电能质量提出了更高的要求。

特高压或超高压大电网的形成及负荷变化加剧，要求大量可调的无功功率源以调整电压，维持系统无功潮流平衡，减少损耗，提高供电可靠性。

因此，人们要求更加经济可靠的可调无功补偿装置。

1986年，原苏联科学家提出了可控电抗器磁阀的概念，从而使可控电抗器的发展有了突破性进展，电抗器性能大大改善。

新型可控电抗器可直接用于直到1150kV的任何电压等级的电网作为连续可调的无功补偿装置，因而可直接连接于特高压或超高压线路侧，同时发挥同步补偿机和并联电抗器的作用。

由于认识到可控电抗器的巨大应用潜力，欧美一些国家也开始对可控电抗器进行研究。

我国的原武汉水利电力大学于1990年开始新型可控电抗器研究，并取得了一系列理论和应用成果。

1997年研制成功基于磁阀式可控电抗器的自动调谐消弧线圈；1998年开发出27.5kV电气化铁路动态无功补偿可控电抗器，单相最大容量可达4500kVA，目前正致力于更高电压等级、更大容量可控电抗器理论和应用的研究，在国内处于领先水平。

参与特高压可控电抗器研究的还有湖南大学、西安交通大学、浙江大学、华中科技大学、贵州工业大学等高等院校，以及特变电工衡阳变压器有限公司、特变电工沈阳变压器有限公司和西安变压器有限公司等企业单位。

目前，国外研究最深入、最具有发展潜力的是调磁路式和调电路式这两类可控电抗器。

国内对调磁路式可控电抗器的研究较多，且成绩很大，已有产品应用。

而调电路式可控电抗器的研究目前还是本学科的前沿研究课题，特别是特高压可控电抗器的研究，在理论和工程实践方面都具有很强的挑战性，