淺談磁控電抗器的閥控系統(tǒng)參數(shù)選擇

蔣琳　舒秋艷　王波

摘 要：磁控電抗器是采用飽和鐵芯電抗器串接入高壓主回路，提供感性無(wú)功。有環(huán)氧樹(shù)脂干式和油浸式供選，具有體積小、噪音小、諧波小的特點(diǎn)。閥控系統(tǒng)是磁控電抗器控制的核心系統(tǒng)，本文詳細(xì)的介紹了磁控電抗器的控制原理及閥控系統(tǒng)的參數(shù)選擇，對(duì)磁控電抗器的設(shè)計(jì)、選型及生產(chǎn)制作等有很重要的參考作用。

關(guān)鍵詞：磁控電抗器；閥控系統(tǒng)；控制系統(tǒng)

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

0 引言

磁控電抗器的控制主電路（晶閘管電路）是實(shí)現(xiàn)控制器調(diào)節(jié)磁控電抗器的紐帶，在此項(xiàng)目中起著十分重要的作用。本章將以110kV的磁控電抗器為例，從電路的設(shè)計(jì)、晶閘管及二極管的選取、電阻電容元件的參數(shù)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1 磁控電抗器的控制原理

從磁控電抗器的原理中可以了解到，磁控電抗器的控制電壓主要取自高壓電源側(cè)，現(xiàn)以A相為例，其原理如圖1所示：

從圖1中我們可以看到，控制器發(fā)出脈沖分別接在脈沖變壓器TA1和TA2的低壓側(cè)，高壓側(cè)便產(chǎn)生脈沖經(jīng)二極管箝位后加到晶閘 管的門(mén)極與陰極之間，當(dāng)晶閘管兩端承受正向電壓時(shí)，晶閘管可以導(dǎo)通，改變晶閘管的移相觸發(fā)角度，進(jìn)而改變了磁控電抗器內(nèi)直流大小，從而改變磁控電抗器的感性容量輸出。

2 磁控電抗器閥控系統(tǒng)參數(shù)選擇

2.1 晶閘管的選取

由于串聯(lián)晶閘管的正向阻斷（或反向）特性不同，但流過(guò)相同的漏電流，因而各器件所承受的電壓是不相等的。由于每個(gè)晶閘管的正向特性不同，在同一漏電流下所承受的正向電壓也是不同的，當(dāng)兩個(gè)晶閘管串聯(lián) 使用時(shí)，若外部電壓繼續(xù)升高，兩個(gè)器件 都會(huì)失去控制作用；同理，反向時(shí)，因不均壓，可能使其中一個(gè)器件先反向擊穿，另一個(gè)隨之擊穿。

為達(dá)到靜態(tài)均壓，一方面應(yīng)選用通態(tài)平均電壓比較一致的器件，另一方面，需用電阻均壓，而且此均壓電阻的阻值應(yīng)比任何一個(gè)晶閘管的阻斷時(shí)正、反向電阻都小得多，這樣，每個(gè)串聯(lián)晶閘管分擔(dān)的電壓主要取決于均壓電阻的分壓。

為達(dá)到動(dòng)態(tài)均壓，一方面應(yīng)選用載流子數(shù)量比較一致的晶閘管，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取恢復(fù)電流比較一致的晶閘管；另一方面，還需用RC并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓。由于串聯(lián)晶閘管 開(kāi)通時(shí)間不一致，即使同時(shí)觸發(fā)，先開(kāi)通的晶閘管壓降立即減小，另一晶閘管分擔(dān)的正向電壓隨之上升，由此可能引起某些晶閘管強(qiáng)行轉(zhuǎn)折；使用門(mén)極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以縮短開(kāi)通時(shí)間，減小器件開(kāi)通時(shí)間上的差異。在此基礎(chǔ)上，也應(yīng)考慮按反向阻斷時(shí)的動(dòng)態(tài)均壓要求來(lái)選取RC參數(shù)，解決開(kāi)通過(guò)程的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。

由于晶閘管制造工藝的改進(jìn)，器件的電壓等級(jí)不斷提高，因此要求晶閘管串聯(lián)的情況會(huì)逐步減少。

針對(duì)110kV的磁控電抗器，其接線(xiàn)方式為星形接線(xiàn)，Ua1-a3= Ua2-a4 =1%UAX =1%×110000/√3=635V，即晶閘管GA1與GA2承受的額定電壓分別為635V，因?yàn)樵O(shè)備最高運(yùn)行電壓為126kV，所選晶閘管的額定電壓應(yīng)在880～1382V之間，考慮到對(duì)整臺(tái)設(shè)備做雷電沖擊耐受電壓時(shí)，峰值要達(dá)到550kV，此時(shí)GA1與GA2所承受的電壓分別為5500V，按照晶閘管兩端承受的電壓為最高電壓的2～3倍考慮的話(huà)，所選晶閘管的電壓至少應(yīng)大于11000V，而目前晶閘管廠家生產(chǎn)的晶閘管大于8000V的僅為國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目±800kV直流換流站所用，其單只價(jià)格要達(dá)到25000元以上，雖然每臺(tái)設(shè)備只用6只，但其設(shè)備成本就要增加10萬(wàn)元，所以此種方案不可取。這樣我們就會(huì)選擇每相用兩只晶閘管串聯(lián)使用，每只晶閘管的額定電壓6500V，既能保證正常工作時(shí)的電壓要求，同時(shí)也滿(mǎn)足對(duì)整臺(tái)設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓的要求。

晶閘管的額定電流按（1.7～2.5）倍允許過(guò)載時(shí)的電流來(lái)選取。針對(duì)24000kvar、110kV的磁控電抗器，其額定電流為126A，所以選取300A的晶閘管即可滿(mǎn)足使用要求。這樣在這臺(tái)BKSF-24000/110的磁控電抗器中我們選用的晶閘管型號(hào)為KP 300-65、整流管的型號(hào)為ZP 300-65。

兩個(gè)晶閘管串聯(lián)使用原理如圖2所示。

2.2 阻容元件的參數(shù)設(shè)計(jì)

我們知道，晶閘管在使用過(guò)程中，保護(hù)尤其重要，它有一個(gè)重要特性參數(shù)——斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt，表明晶閘管在額定結(jié)溫和門(mén)極不導(dǎo)通條件下，使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率。如果電壓上升率過(guò)大，超過(guò)了晶閘管承受電壓上升率的值，則門(mén)極無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)也會(huì)導(dǎo)通。即使此時(shí)加于晶閘管的正向電壓不高于其陽(yáng)極峰值電壓，也可能發(fā)生這種情況，因?yàn)榫чl管可以看作是由三個(gè)PN結(jié)組成。

當(dāng)晶閘管處于阻斷狀態(tài)時(shí)，因各層距離較近，當(dāng)晶閘管陽(yáng)極電壓變化時(shí)，便會(huì)有充電電 流流過(guò)PN結(jié)，這個(gè)電流相當(dāng)于門(mén)極觸發(fā)電流。如果晶閘管在關(guān)斷時(shí)陽(yáng)極電壓上升速度太快，則PN結(jié)的充電電流越大，就很可能造成門(mén)極在沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)的情況下，出現(xiàn)晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象，也就是常說(shuō)的硬開(kāi)通，這是不允許的。因此，對(duì)加到晶閘管上的陽(yáng)極電壓上升率應(yīng)有一定的限制。

為了限制電路電壓上升率過(guò)大，確保晶閘管安全可靠運(yùn)行，常在晶閘管兩端并聯(lián)RC阻容吸收電路，利用電容兩端電壓不能突變的特性來(lái)限制電壓上升率。因?yàn)殡娐房偸谴嬖陔姼械模ㄗ儔浩髀└谢蜇?fù)載電感），所以與電容器C串聯(lián)電阻R便可以起到阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過(guò)渡過(guò)程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過(guò)電壓而損壞晶閘管。同時(shí)，避免通過(guò)晶閘管放電電流過(guò)大，造成過(guò)電流而損壞晶閘管。

由于晶閘管過(guò)電流過(guò)電壓能力很差，如果不采取可靠的保護(hù)措施是不能正常工作的。RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)就是最常用的保護(hù)方法。下面就晶閘管KP 300-65的RC阻容吸收元件的選擇加以計(jì)算。

2.2.1 電容的選取

C=（1～2）×10-3×IT

式中，

IT——晶閘管額定電流，A；

因?yàn)榫чl管的電流為300A，可以求得

C=（1～2）×10-3×300=（0.3～0.6）μF

電容器的電容值取0.47μF。

電容器兩端電壓一般根據(jù)晶閘管兩端電壓的額定值除以√2來(lái)計(jì)算，即5kV。

2.2.2 電阻的選取

式中，

Id——直流電流值，A；

If=0.367Id，

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選取R=10Ω

式中，

U——三相電壓的有效值，V；

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選用10Ω，50W電阻。

另外，阻容吸收回路在實(shí)際應(yīng)用中，RC的時(shí)間常數(shù)一般情況下取1～10ms。

小功率負(fù)載通常取2ms左右，R=220Ω/1W，C=0.01μF /400～630V。

大功率負(fù)載通常取10ms，R=10Ω/20W，C=1μF /630～1000V。

R的選取：小功率選金屬膜或RX21線(xiàn)繞或水泥電阻；大功率選RX21線(xiàn)繞或水泥電阻或鋁殼無(wú)感電阻。

C的選取：CBB系列相應(yīng)耐壓的無(wú)極性電容器。

在此實(shí)例中屬于大功率負(fù)載，綜合實(shí)際情況，最終選用R=10Ω/50W，C=0.47μF /5000V的阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，且電阻為鋁殼無(wú)感電阻、電容為無(wú)感電容。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)公式推導(dǎo)和理論分析對(duì)磁控電抗器的閥控系統(tǒng)選擇進(jìn)行了論述。磁閥式電抗器采用的是先進(jìn)的微電子控制技術(shù)，從而可以精密地控制對(duì)系統(tǒng)母線(xiàn)的無(wú)功功率需求的快速響應(yīng)及補(bǔ)償，而且由于沒(méi)有了機(jī)械部件的頻繁投切動(dòng)作，避免了機(jī)械式無(wú)功補(bǔ)償裝置由于電容投切帶來(lái)的涌流和過(guò)電壓沖擊，使得裝置更加具有安全穩(wěn)定性和大大提高了補(bǔ)償裝置的使用壽命，也有利于保護(hù)用戶(hù)其他精密設(shè)備和精密儀器的正常運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：蔣琳（1968-），女，高級(jí)工程師，主要從事：電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)管理工作。