淺談磁控電抗器的閥控系統參數選擇

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，提供感性無功。有環氧樹脂干式和油浸式供選，具有體積小、噪音小、諧波小的特點。閥控系統是磁控電抗器控制的核心系統，本文詳細的介紹了磁控電抗器的控制原理及閥控系統的參數選擇，對磁控電抗器的設計、選型及生產制作等有很重要的參考作用。

關鍵詞：磁控電抗器；閥控系統；控制系統

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）是實現控制器調節磁控電抗器的紐帶，在此項目中起著十分重要的作用。本章將以110kV的磁控電抗器為例，從電路的設計、晶閘管及二極管的選取、電阻電容元件的參數設計等幾個方面對其進行詳細的介紹。

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，現以A相為例，其原理如圖1所示：

從圖1中我們可以看到，控制器發出脈沖分別接在脈沖變壓器TA1和TA2的低壓側，高壓側便產生脈沖經二極管箝位后加到晶閘 管的門極與陰極之間，當晶閘管兩端承受正向電壓時，晶閘管可以導通，改變晶閘管的移相觸發角度，進而改變了磁控電抗器內直流大小，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參數選擇

2.1 晶閘管的選取

由于串聯晶閘管的正向阻斷（或反向）特性不同，但流過相同的漏電流，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，當兩個晶閘管串聯 使用時，若外部電壓繼續升高，兩個器件 都會失去控制作用；同理，反向時，因不均壓，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿。

為達到靜態均壓，一方面應選用通態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比任何一個晶閘管的阻斷時正、反向電阻都小得多，這樣，每個串聯晶閘管分擔的電壓主要取決于均壓電阻的分壓。

為達到動態均壓，一方面應選用載流子數量比較一致的晶閘管，或者通過實驗選取恢復電流比較一致的晶閘管；另一方面，還需用RC并聯支路作動態均壓。由于串聯晶閘管 開通時間不一致，即使同時觸發，先開通的晶閘管壓降立即減小，另一晶閘管分擔的正向電壓隨之上升，由此可能引起某些晶閘管強行轉折；使用門極強脈沖觸發可以縮短開通時間，減小器件開通時間上的差異。在此基礎上，也應考慮按反向阻斷時的動態均壓要求來選取RC參數，解決開通過程的動態均壓問題。

由于晶閘管制造工藝的改進，器件的電壓等級不斷提高，因此要求晶閘管串聯的情況會逐步減少。

針對110kV的磁控電抗器，其接線方式為星形接線，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，因為設備最高運行電壓為126kV，所選晶閘管的額定電壓應在880～1382V之間，考慮到對整臺設備做雷電沖擊耐受電壓時，峰值要達到550kV，此時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，所選晶閘管的電壓至少應大于11000V，而目前晶閘管廠家生產的晶閘管大于8000V的僅為國家重點項目±800kV直流換流站所用，其單只價格要達到25000元以上，雖然每臺設備只用6只，但其設備成本就要增加10萬元，所以此種方案不可取。這樣我們就會選擇每相用兩只晶閘管串聯使用，每只晶閘管的額定電壓6500V，既能保證正常工作時的電壓要求，同時也滿足對整臺設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）倍允許過載時的電流來選取。針對24000kvar、110kV的磁控電抗器，其額定電流為126A，所以選取300A的晶閘管即可滿足使用要求。這樣在這臺BKSF-24000/110的磁控電抗器中我們選用的晶閘管型號為KP 300-65、整流管的型號為ZP 300-65。

兩個晶閘管串聯使用原理如圖2所示。

2.2 阻容元件的參數設計

我們知道，晶閘管在使用過程中，保護尤其重要，它有一個重要特性參數——斷態電壓臨界上升率du/dt，表明晶閘管在額定結溫和門極不導通條件下，使晶閘管從斷態轉入通態的最低電壓上升率。如果電壓上升率過大，超過了晶閘管承受電壓上升率的值，則門極無觸發信號時也會導通。即使此時加于晶閘管的正向電壓不高于其陽極峰值電壓，也可能發生這種情況，因為晶閘管可以看作是由三個PN結組成。

當晶閘管處于阻斷狀態時，因各層距離較近，當晶閘管陽極電壓變化時，便會有充電電 流流過PN結，這個電流相當于門極觸發電流。如果晶閘管在關斷時陽極電壓上升速度太快，則PN結的充電電流越大，就很可能造成門極在沒有觸發信號的情況下，出現晶閘管導通現象，也就是常說的硬開通，這是不允許的。因此，對加到晶閘管上的陽極電壓上升率應有一定的限制。

為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管安全可靠運行，常在晶閘管兩端并聯RC阻容吸收電路，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。因為電路總是存在電感的（變壓器漏感或負載電感），所以與電容器C串聯電阻R便可以起到阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現的過電壓而損壞晶閘管。同時，避免通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。

由于晶閘管過電流過電壓能力很差，如果不采取可靠的保護措施是不能正常工作的。RC阻容吸收網絡就是最常用的保護方法。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；

因為晶閘管的電流為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晶閘管兩端電壓的額定值除以√2來計算，即5kV。

2.2.2 電阻的選取

式中，

Id——直流電流值，A；

If=0.367Id，

根據計算結果，選取R=10Ω

式中，

U——三相電壓的有效值，V；

根據計算結果，選用10Ω，50W電阻。

另外，阻容吸收回路在實際應用中，RC的時間常數一般情況下取1～10ms。

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

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

R的選?。盒」β蔬x金屬膜或RX21線繞或水泥電阻；大功率選RX21線繞或水泥電阻或鋁殼無感電阻。

C的選?。篊BB系列相應耐壓的無極性電容器。

在此實例中屬于大功率負載，綜合實際情況，最終選用R=10Ω/50W，C=0.47μF /5000V的阻容吸收網絡，且電阻為鋁殼無感電阻、電容為無感電容。

3 結語

本文通過公式推導和理論分析對磁控電抗器的閥控系統選擇進行了論述。磁閥式電抗器采用的是先進的微電子控制技術，從而可以精密地控制對系統母線的無功功率需求的快速響應及補償，而且由于沒有了機械部件的頻繁投切動作，避免了機械式無功補償裝置由于電容投切帶來的涌流和過電壓沖擊，使得裝置更加具有安全穩定性和大大提高了補償裝置的使用壽命，也有利于保護用戶其他精密設備和精密儀器的正常運行。

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作者簡介：蔣琳（1968-），女，高級工程師，主要從事：電網運行控制技術管理工作。