可控高抗：解决特高压输电难题

特高压线路最大优点是适宜于长距离大容量输电，但目前为了限制工频过电压，长距离特高压线路上一般会加装大容量高抗，这会大大降低了线路的输送能力，而可控高抗则可很好解决这一问题。本节将从无功设备功能开始，论述固定高抗的不足，详细阐述可控高抗的必要性，并对可控高抗的原理和发展历程进行介绍。

4.6.2.1　可控高抗的必要性

电网无功设备均需具有两大功能：①限制工频过电压；②使系统正常运行时达到无功平衡[1]。

1）限制工频过电压

作为无功设备的一种，高压电抗器对工频过电压具有很好的限制效果，对于长距离线路，一般均需加装高抗将工频过电压限制在规程要求范围以内。

高抗容量通过工频过电压的限制来确定。由于特高压线路长、输送容量大、充电功率大，导致其工频过电压幅值较大，为将工频过电压限制在要求范围内，其容量可达线路充电功率的80%～90%。

2）无功平衡

为保证系统电压运行在合理范围，并减少线路无功传输、降低网损，无功设备所提供的无功应与系统消耗的无功达到平衡。无功平衡的原则是分层、分区、就地平衡，故特高压无功设备主要用于平衡特高压系统消耗的无功。

特高压系统中消耗无功的设备主要包括特高压变压器和特高压线路，两者消耗的无功均与传输功率密切相关。

（1）变压器

传输功率越大，流过变压器的电流越大，变压器阻抗消耗的无功也越大。

（2）线路

图4-37为线路分布参数模型示意图，从中可以看出线路无功主要包括两方面：单位长度线路电感L0消耗的无功QL和单位长度线路电容C0提供的无功QC。若线路运行额定电压和线路流过电流有效值分别为UN和I，则：QC=jωC0U2N，QL=jωL0I2。可以看出，线路电容产生的无功QC仅与线路电压有关，与输送功率基本无关，正常运行的线路上，电压波动一般较小，故可认为QC不变。而输电线路电抗的无功损耗QL与线路电流I成平方关系，即与输送功率的平方成正比关系。

图4-37　线路分布参数模型示意图

输送不同潮流时，系统所需无功不同。

在线路输送功率较小时，例如对于极端情况下的特高压空载线路，线路上电流为零（I=0），线路电抗不消耗无功，即QL=0，而线路电容上产生大量多余的无功，，这样就需要在线路两端加上高抗来产生感性无功以平衡空载线路上大量富余的容性无功。对于高抗补偿度为100%的完全补偿的情形，即有，其中L为线路高抗值，C为整条线路的对地电容。

在线路输送功率较大时，例如对于输送功率为自然功率的特高压线路，此时线路电抗上消耗的无功恰好等于线路电容产生的无功（QL=QC），线路上的无功自身即可达到平衡，故不需要在线路两端加装高抗以补偿容性无功，此时需要切除高抗。当线路输送功率小于自然功率时，此时需要切除与该输送功率相对应的部分高抗，故要使系统无功在不同输送功率时均达到平衡，高抗容量应随输送功率变化而变化。因此，随着线路输送功率的变化，加在线路两端的高抗值最好能够相应变化，这就是超特高压输电中所需要的可控制的高抗设备，它通常加装在线路两端。

在可控高抗设备出现之前，特高压线路上使用的方法是同时加装固定高抗和低压无功设备（如图4-38），两者配合使用，以满足无功平衡和工频过电压对无功设备的要求。固定高抗的主要任务是抑制工频过电压，容量较大，其补偿度可达80%～90%，因为在高压侧容量较难调节，一般也不能随意投切。低压无功设备的主要任务是保持无功平衡，加装在特高压变压器的第三绕组，包括低压电容器和低压电抗器，由于电压等级较低，可有计划地投切。由上可知，高压侧无功补偿设备容量通常较难调节，低压侧的无功补偿设备容量通常相对容易调节，通过两者的配合调节来达到无功补偿可控的目的。

图4-38　特高压系统图

然而，由于受到特高压变压器低压绕组容量的限制，低压无功设备调节范围有限，若线路输送容量较大，则低压无功设备的调节作用无法抵消大容量高抗的作用使线路达到无功平衡，即难以协调无功平衡与抑制工频过电压之间的矛盾。此时，往往只能降低线路输送功率，从而使特高压线路输送能力未能完全得到发挥。因此，采用该种无功补偿方式还是不能很好地解决无功可控调节的问题。

为解决上述问题，可控电抗器的概念被提了出来。首先，可控电抗器能在发生工频过电压时迅速将补偿度提高，降低过电压幅值；其次，可控高抗可根据系统运行方式调节其无功容量，满足不同运行方式下无功平衡。可以看出可控高抗具有两大优势：①可在限制工频过电压的前提下充分发挥了输送能力；②可免去低压无功设备费用。

4.6.2.2　可控电抗器发展历程

1）火花间隙投切电抗器

可控电抗器的雏形最早出现在苏联，它实际上是一种由火花间隙投切的固定容量电抗器。其主要目的是用来协调无功平衡与抑制工频过电压之间的矛盾。线路重载时，为维持线路电压，用断路器使并联电抗器退出运行。当线路甩负荷出现工频过电压超过火花间隙放电电压时，火花间隙击穿，快速投入并联电抗器限制过电压。带火花间隙投切的并联电抗器并非真正意义上的可控高抗器。

带火花间隙投切的并联电抗器在苏联500kV、750kV系统中均有应用。由于带火花间隙投入并联电抗器结构复杂，火花间隙的放电电压分散性较大，可靠性不高，在特高压系统中使用有困难，因此苏联在特高压系统中仍使用固定式并联高压电抗器。由于苏联特高压线路在建成之后，输送潮流一直较低，无功平衡与限制工频过电压之间的矛盾并不是特别严重。(https://www.xing528.com)

2）可控高抗

考虑到特高压输电的需要，以俄罗斯为代表的苏联国家从20世纪70年代即开始可控并联电抗器的研究，并将其应用在较低电压等级的工程，为特高压应用积累工程经验。

目前可用于超、特高压系统的可控高抗主要有两种，磁阀式（MCSR）和变压器式（TCSR）。两者均可迅速地连续或分级调节电抗器容量，它们的出现使解决无功平衡与限制工频过电压之间的矛盾、实现特高压系统无功可控成为可能。

（1）磁阀式可控并联电抗器[15]

磁阀式（又称磁控式）可控并联电抗器的接线如图4-39所示。其结构主要由电抗器主体和控制系统两部分组成。主体部分的工作绕组为星形连接，中性点经小电抗接地。控制绕组可采用三角形连接，以减小输出电流中3次及3倍频谐波含量。电抗器每相有两个铁心，每个铁心上分别绕有一个工作绕组和一个控制绕组。每个铁心柱的某一段截面积特别小，小磁通时不发生饱和、磁阻小，大磁通时则饱和、磁阻大。线路正常运行时，根据传输容量的变化实时改变晶闸管触发角，调节直流助磁电流以控制铁心磁饱和程度，从而达到连续调节工作绕组容量的效果。直流助磁电流大，则饱和程度高，工作绕组励磁电流大，电抗器产生的无功容量大；反之，则电抗器容量小。当线路发生故障后，通过旁路断路器B1a、B2a、B1b、B2b、B1c和B2c将控制绕组短接，此时可控电抗器相当于一个副边短路的变压器，副边电流迅速提高使铁心饱和，使电抗器容量迅速增至最大，达到限制工频过电压的目的。

图4-39　磁阀式可控并联电抗器接线图

磁阀式可控电抗器有以下几方面的特点：

①由于采用调节触发角的方式控制电抗器容量，故其容量可实现连续调节。

②由于磁阀式可控电抗器晶闸管两端只施加低电压，通过的只是较小的直流电流而非电抗器主电流，故对其耐压和容量要求较低，控制和维护相对方便。

③铁心的磁饱和现象和相应的漏磁会增大边缘心柱和磁轭的涡流损耗，故需面对抑制温升和振动等难点问题。

④磁饱和现象会在绕组中产生谐波电流，但适当的参数设计可将其抑制到较低的水平。

⑤响应速度相对较慢。由于整流需要，控制回路的时间常数较大，故控制电流大小的转变所需要的时间较大，导致此类可控电抗器容量调整较慢。同时，由于其稳态响应和暂态响应时控制回路响应方式不同，分别为控制晶闸管触发角和机械开关，故其响应时间也不同。

（2）阻抗式可控并联电抗器

阻抗式可控电抗器又称变压器式可控电抗器，其结构如图4-40所示。其实质为副边阻抗可控的组式降压变压器，通过调节副边阻抗来控制其容量。副边阻抗大，则无功容量小；反之，则容量大。

图4-40　阻抗式可控并联电抗器接线图

阻抗式可控电抗器有以下几方面的特点：

①由于阻抗式可控电抗器通过改变副边工作电抗的方式控制电抗器容量，故其无功容量为分级调节。

②阻抗式可控电抗器工作时铁心一般未饱和，故谐波问题不严重。

③降压后的工作电流按变比增大并全部通过晶闸管，使得晶闸管产生热量较大，必须像直流换流站那样设置相应的散热控制装置，占地和运行维护工作量大。

④部分漏磁通会穿过侧部铁壳，或从垂直方向穿入上下铁轭而构成回路，从而使局部发热较严重，并产生较大的振动。

⑤由于副边控制回路电感相对较小，电流改变快，故响应速度快。

4.6.2.3　使用现状

中国在可控电抗器研究方面发展迅速。2006年9月，世界首套500kV分级投切阻抗式可控高抗装置在山西忻州市500kV开关站内投入运行，装置兼具母线可控电抗器和线路可控电抗器功能，设计容量150Mvar。2007年9月，世界首套500kV磁控式可控电抗器在湖北荆州500kV换流变电站投运，运行效果良好。

2011年6月，中国西电集团公司成功研制世界首台750kV、100Mvar交流有级可控并联高抗器，并在750kV敦煌变电站得到应用。2011年8月，中国西电集团又成功研制世界首台1000kV、200Mvar交流有级可控并联电抗器，产品一次性通过全部试验，技术性能达到国际领先水平。这台产品将在“锡盟—南京”特高压输变电工程徐州变电站得到应用。此次研制成功的1000kV、200Mvar交流有级可控并联电抗器具有结构合理、无局部过热、损耗低、噪音小、振动小、局部放电量小、绝缘安全可靠的技术特点。