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晶闸管控制的高阻抗变压器
    


      TCT(thyristor controlled transformer)是一种特殊类型的TCR,它利用高阻抗变压器替代电抗器与晶闸管串联构成,其单线结构可参考图5-22 和图5-23,其中高阻抗变压器的漏抗Z可取在33%-100%之间。用于高压电网时,高阻抗变压器一般采用星形-三角形接法,以降低绝缘要求;中低压电网中则采用三角形-开口星形的接法,原边采用三角形接法能消除3次谐波,副边中性点分开,使每相负载与另外两相独立,从而可以单独控制正序和负序电流,分相调节,补偿电弧炉等不平衡负载。


      TCT实际上是将常规TCR中的耦合变压器和电抗器合二为一,基本工作原理和TCR相同,同样需要固定的电容支路提供容性无功并兼作滤波器。由于高阻抗变压器次级电压可以取得较低,如1kV左右,在单个晶闸管器件的工作电压以内,所以主电路和门级电路的绝缘均变得简单,安装容易,所以造价低于同容量的TCR,在中小型(40-50Mvar及以下)SVC中得到了相当广泛的应用,如在日本采用此类结构的SVC占到总数的一半以上。当容量进一步增大时,由于变压器次级的电流增大,使得其经济性变差,再加上大电流引起的干扰和损耗问题,所以变得不再适用。


      图5-22为安装于日本大阪(Higashi-Osaka)变电站的TCT型SVC应用示意图,图5-22(a)为系统单线图,图5-22(b)为TCT、晶闸管阀体及其相关设备的装置示意图。其中TCT的阻抗比Z高达76%,二次侧采用当时容量最大的LTT(8kV/3.5kA),SVC的容量为60Mvar,能有效提高154kV母线的电压稳定水平。


      图5-23为安装于衡阳钢管厂35kV母线上的TCT型SVC应用系统单线图。其中TCT高压侧采用三角形接法,能有效抑制三次谐波;低压侧采用带中点星行接法,各相晶闸管独立环流控制。TCT的短路阻抗为75%,动态补偿容量为30Mvar。另有容量为45Mvar的4组LC滤波器,分别对应2,3,4,5次谐波。该SVC装置的主要作用是解决由接在同一母线上两台电弧炉工作而造成的母线电压剧烈波动以及高次谐波问题。


      地处长崎县西部的五岛列岛的用电,是由九州本土通过54km这一我国最长的66kV海底电缆输送过去,然而起因于这一长距离电缆交流输电而造成的电压波动和谐振等现象却令人担心。


      东芝作为对策,开发了以稳定系统电压等为目标的静止型无功功率补偿装置(SVC:Static Var Compensator),且将其安装在五岛列岛上的隶属九州电力(株)的奥浦电网开闭所。本公司活用系统解析技术开发了这套装置的控制功能,采用了能减少安装占地面积的TCT(Thyristor Controlled Transformer)+交流滤波器的结构。进一步将晶闸管和控制保护装置置于箱房内而供货,从而缩短了现场的组装安装时间。


      此次开发的SVC,预计可以适用于不断增加的离岛和远地交流电缆输电。


      1 前言


      联结长崎县西部的五岛列岛和九州本土、我国最长的(约54km)66kV海底电缆输变电系统的运用,九州电力(株)方始于2005年6月。在计划阶段担心,由于长距离电缆输电的特殊形态下会发生受电侧(五岛列岛侧)的电压波动和谐振现象。


      作为对策,在位于五岛列岛福江岛上的九州电力(株)奥浦系统开闭所,设置了容量30MVA的静止型无功功率补偿装置,并于2007年6月投运。见图1。

图1.五岛列岛的交流连接和SVC设置地点


      在此,针对令人担心的系统的特殊现象及对策、SVC的最优设计、也已开发成功的SVC概要以及工厂模拟试验与系统连接试验的一部分进行介绍。


      2 系统的特殊现象和对策


      2.1 电压波动


      与九州本土的交流连接电缆或岛内电缆输电线上发生系统事故的情况下,断开故障输电线进行修复之际,断开期间电压降低、修复后电压上升的现象会发生。这种电压变动是由于电缆系统对地静电容量的不同而产生的,因此,岛内需要安装具有高速电压调整功能的SVC。


      2.2 谐振


      计划长距离的交流连接电缆时,欲将起因于电缆对地静电容量的受电侧的谐振周波数定在5次以下,且九州本土侧的连接变压器阻抗由标准的15%变为31%。可是,由于系统条件的不同,九州本土侧和五岛列岛内为发生源的剩余谐波所造成的5次电压畸变在部分在66kV变电所放大,这一解析结果得到了确认。作为对策,岛内需要设置交流滤波器,且将与超前无功功率输出功用的交流滤波器包含于SVC中。


      3。 SVC的最优设计


      3.1 容量与安装位置的探讨


      实施源于系统事故时的电压变动、占地面积及噪音条件的事例研究法,得出SVC的容量超前20MVA、滞后10MVA是必需的,且安装地点为奥浦系统开闭所最合适的结论。


      3.2 配置的探讨


      作为包含交流滤波器的SVC的配置,探讨了以下2个方案。


      (1) 将TCR(Thyristor Controlled Reactor)和交流滤波器连接在SVC用变压器的二次侧;


      (2) 将TCT(Thyristor Controlled Transformer)和滤波器连接在66kV系统上。


      谐波解析和配置探讨的结果,为了充分取得抑制剩余谐波电压畸变的效果,需要将滤波器接在66kV系统上,另外,由于占地面积所限,(2)的配置对于需求的规格,为最合适的。


      4。 开发成功的SVC概要


      4.1 配置


      开发成功的SVC全景图如图2所示、单线结线图如图3所示、设备的配置如图4所示,针对主要设备,做如下介绍。

图2.SVC的全景——左端为晶闸管箱房

图3.SVC的单线结线图

图4.设备的配置


      (1) TCT变压器


      高阻抗兼有SVC用变压器和TCR电抗器组合功能,可以减少安装占地面积。


      (2) 交流滤波器


      基于谐波解析的探讨结果,对5次滤波器采用高通型,提高抑制剩余谐波的效果。


      (3)晶闸管箱房


      将晶闸管、纯水冷却装置、控制保护装置在工厂事先安装于箱房中再发货,占地面积缩小、工期缩短得以实现。


      (4)晶闸管及纯水装置


      晶闸管的触发为光触发方式,绝缘冷却为气中绝缘水冷却方式且使纯水循环的单重循环方式。纯水靠配置于箱房一边的纯水冷却器冷却。


      4.2 控制保护装置


      控制保护装置,整体置于箱房内,如图5所示。以下就各控制保护装置的功能介绍如下。

图5.箱房的内部配置


      (1) SVC监控装置


      掌控SVC的启动、停止、27停止(系统电压降低时的自动停止),以及27再启动(系统电压恢复时的自动启动)这些顺序控制,且按照一连串的顺序自动控制SVC用断路器、滤波器用断路器及晶闸管的运行停止。


      具备后述控制功能的切换、SVC目标电压/电流值的设定以及这些目标值的预期设定的各功能。向上位机送出SVC的故障/状态以及控制信号的接收,全都通过该装置连接。这些都集中显示于盘面上,个别显示则放于各装置中。


      (2) SVC控制装置


      是SVC的系统电压控制和掌控晶闸管触发相位控制。采用32位数字控制方式,具有波形记录装置,在SVC保护停止时或系统电压变动幅度超过规定范围时记录、保存波形,便于事后的各种分析。


      (3) PG(Pulse Generator)/冷却控制装置


      具有基于来自SVC控制装置的触发相位控制信号,在合适的时刻向晶闸管送出光触发信号的功能,具有检测晶闸管异常的功能。另外,还具有冷却晶闸管的纯水冷却装置的纯水温度控制、纯水流量监视等的保护功能。


      (4) SVC的保护装置


      该装置采用数字继电器方式。以保护TCT变压器的保护为主,兼有晶闸管的过流保护。另外,在其变压器二次回路的接地保护功能中,由晶闸管开关非接地单相回路得到的极其特殊的电压波形检出接地。


      (5) 交流滤波器保护装置


      作为主要保护交流滤波器,采用模拟/数字继电方式。具有电容器保护、电抗器保护及包含谐波的过电流保护等功能。


      4.3 系统电压控制方式


      SVC的电压控制特性如图6所示。

图6.SVC的电压控制特性


      无功功率输出的控制目标值,在系统电压及SVC输出电流中设定。系统电压目标值的设定中,可以选择固定值控制方式,又可以选择跟踪系统电压的缓慢变化从而与系统变压器分接开关控制相协调的非固定控制(浮动控制)的控制方式。并且,不管哪一种控制,都具有根据1日的系统负荷变动,按照事先设定的电压和电流的目标值自动地使其变化的预期设定功能。当决定电压调整灵敏度时,要采用设定的SVC特性上带飞敏感区的折线,可以改变对于小电压变动和大电压变动的灵敏度。


      和九州本土间的长距离交流电缆,自1回线断开起修复时的解析结果如图7所示。

图7.SVC适用效果的解析例


      没有SVC时,五岛列岛内的系统,有20%左右的电压降低,且修复时有10%左右的过电压,而有SVC时,那种情况都控制在±几%之内。


      5 工厂模拟试验


      以检验SVC的电压控制功能和顺序控制功能为目的,在工厂于组装前实施使用电力系统实时模拟的组合试验。试验时的配置如图8所示。

图8.模拟试验的配置


      模拟中模拟SVC及其主要的系统,借助试验用接口(I/F)及模拟PG装置,通过连接试验对象的SVC监视控制装置和SVC控制装置的构成,构筑了和实际系统同样的操作与环境且进行了实施。


      在这次组合试验中,改良了一部分顺序控制,验证了基本控制功能期待的动作,依靠事前确认SVC最重要的控制功能,将现场发生问题的概率限定在最小。


      6 系统连接试验


      自2007年2月,开始运入设备,单体试验和耐压组合试验结束后,同年5月至6月实施了系统连接试验。系统连接试验的试验项目如下:


      (1) 电压控制功能的确认试验


      (2) 系统配置的变更试验


      (a) 本土侧变压器分接头变更时


      (b) 五岛列岛上电力电容器投入/切除时


      (c) 五岛列岛上66kV输电线的2回线和1回线切换时


      (d) 和本土连接的66kV输电线的2回线和1回线切换时


      (e) 27停止、27再启动


      (f) 五岛列岛上发电机运转时


      (3) 温升试验


      (4) 实际运行试验


      在计划系统连接试验时,已经实施了SVC的效果、五岛列岛上的电压变动及谐波性能的事前解析,系统连接试验和这些解析结果基本一致,从而确认了作为目标的控制性能的达成。


      7 后记


      在长距离交流电缆联络的受电端,有时会担心系统电压变动和谐振。作为这样悬念的对策,由TCT+交流滤波器构成的SVC是有效的。


      在SVC开发之际,运用系统解析技术,进行充分的事前评价而在实际设备上得到反映,并且在系统连接试验中验证了其性能。


      本次开发的面向九州电力(株)奥浦开闭所的SVC,在系统连接试验中确认了抑制系统电压波动和谐波的效果达成后,运行开始以来,五岛列岛的电力质量得到了提高。


      今后对于增加的离岛或远地长距离交流电缆输电中发生同样问题时,本次开发的SVC的运用将会是有效的对策。


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    时间:2011年06月15日 10:25:50 来源:西安森宝电气工程有限公司 作者: 上一篇:数字式变压器差动保护误动分析 下一篇:高压气体绝缘金属封闭开关设备的发展  (电脑版  手机版)
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