淺析非晶合金電抗器在電力系統(tǒng)中的新機(jī)遇

王曉雷 柴欣 趙倩 楊合恒 李志霞

（中原工學(xué)院）

淺析非晶合金電抗器在電力系統(tǒng)中的新機(jī)遇

王曉雷 柴欣 趙倩 楊合恒 李志霞

（中原工學(xué)院）

電抗器是維持電網(wǎng)系統(tǒng)正常安全有效運(yùn)行的一種必不可少的輔助設(shè)備,具有電壓控制和無功補(bǔ)償?shù)裙δ?，對于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善供電質(zhì)量具有重要作用。本文提出了一種非晶合金電抗器，對國內(nèi)電抗器的發(fā)展、非晶合金電抗器的優(yōu)勢、用途進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)介紹其在電力系統(tǒng)中各領(lǐng)域的應(yīng)用，并通過分析制約因素，對其發(fā)展前景和市場機(jī)遇進(jìn)行了展望，顯示非晶合金電抗器在未來電力電子技術(shù)中擁有廣闊的發(fā)展前景。

非晶合金；電抗器；前景；市場機(jī)遇

0 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)用電大量增加，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求，電抗器作為電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一,主要用于電力系統(tǒng)中限流和限制電網(wǎng)中高次諧波，它對于降低系統(tǒng)故障和提高運(yùn)行質(zhì)量有著重要的作用。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展,電網(wǎng)容量和用電負(fù)荷越來越大,同時(shí)對電抗器的性能要求也越來越高，因此,設(shè)計(jì)和研制國產(chǎn)高電壓大容量電抗器,對中國電力事業(yè)的發(fā)展具有重要意義[1]。

近些年來，為了適應(yīng)社會(huì)的和諧穩(wěn)定發(fā)展，降低能源損耗已逐步成為社會(huì)的主流。我國電網(wǎng)響應(yīng)相關(guān)號召，提高輸電質(zhì)量,快速調(diào)節(jié)全國輸電機(jī)制，實(shí)行特高壓建設(shè)。隨著國家電網(wǎng)特高電壓等級的逐步提高，電力系統(tǒng)無功不平衡加劇，各電壓等級功率損耗加劇,電壓失穩(wěn)等現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。針對高壓電網(wǎng)輕負(fù)荷和發(fā)生故障時(shí)無功缺額的情況,多種電抗器被應(yīng)用到靜止無功補(bǔ)償裝置中[2],為了更好地解決此類問題,多種電抗器應(yīng)運(yùn)而生。

由于非晶合金材料具有很好的導(dǎo)磁能力，并且繞組體積小、損耗低,符合我國“低碳低損耗”的政策，在一些電力電子技術(shù)的磁性器件中應(yīng)用非晶合金取得了良好效果, 顯示出其在電力電子技術(shù)中廣闊的應(yīng)用前景。電源變壓器、配電變壓器、整流變壓器、中頻和感應(yīng)加熱用變壓器、恒壓變壓器、參數(shù)變壓器、磁性倍頻器采用非晶合金代替硅鋼, 可以大大降低損耗, 提高效率, 減少發(fā)熱;濾波電抗器采用恒導(dǎo)磁非晶合金代替坡莫合金磁粉芯, 線性導(dǎo)磁率高, 濾波效果好，因而非晶合金電抗器在高電壓等級電網(wǎng)中有很好的應(yīng)用市場。

由北京點(diǎn)創(chuàng)方圓科技有限公司設(shè)計(jì)和研制的無級圓柱形超微晶鐵心電抗器，采用新結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)材料消耗較原結(jié)構(gòu)節(jié)約15% 以上，磁性材料損耗降低20% 以上，大型鐵心電抗器的生產(chǎn)不受制備芯塊材料尺寸的限制[3],當(dāng)鐵心柱外形尺寸相同的情況下，現(xiàn)在多階梯形鐵心柱橫截面面積與本實(shí)用新型芯塊的圓形橫截面面積之比為1：1.2左右。新型無級圓柱形超微晶鐵心電抗器近年來受到丹麥丹佛斯集團(tuán)的關(guān)注，丹弗斯將該新型大容量的超微晶鐵心電抗器與丹佛斯的變頻器配套使用。丹佛斯變頻器是丹麥丹佛斯集團(tuán)生產(chǎn)的變頻器產(chǎn)品，主要用于三相異步交流電機(jī)，用于控制和調(diào)節(jié)電機(jī)速度，是全球變頻器市場的佼佼者。

為此，本文首先對國內(nèi)電抗器的發(fā)展、非晶合金電抗器的優(yōu)勢、用途進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)介紹其在電力系統(tǒng)中各領(lǐng)域的應(yīng)用，并通過分析其制約因素，對其發(fā)展前景和市場機(jī)遇進(jìn)行了展望，顯示非晶合金電抗器在未來電力電子技術(shù)中擁有廣闊的發(fā)展前景。

1 電抗器的種類及用途

1.1 電抗器的種類

電抗器是維持電網(wǎng)系統(tǒng)正常安全有效運(yùn)行的一種必不可少的輔助設(shè)備，電抗器按結(jié)構(gòu)及冷卻介質(zhì)和用途可以分為以下幾類，如下圖所示。

圖 電抗器分類

1.2 電抗器的用途

電抗器的用途主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）限制電路電流不超過該支路的斷路器開斷容量

限流電抗器串聯(lián)在變電所饋線上，變電所經(jīng)配電后通過低壓母線的分支出線分別供電給不同的用戶。當(dāng)其中的某支線路出現(xiàn)短路時(shí)，串聯(lián)的限流電抗器不僅可以起到限制電流的作用，同時(shí)不致使母線電壓驟降而影響到其他出線正常供電，從而限制了分支出線的短路電流,保護(hù)線路；在電力系統(tǒng)中，往往使用阻尼電抗器串聯(lián)于電容器組，其作用是為了限制電容器組合閘和開斷瞬間引起的瞬態(tài)電流沖擊。

（2）消除系統(tǒng)超前的容性無功功率

在電力系統(tǒng)正常供電過程中,往往會(huì)產(chǎn)生超前的容性的無功功率，主要為了補(bǔ)償功率因數(shù)而在系統(tǒng)上接入的電容器組以及輸配電線路的對地和相間電容[4], 尤其是遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，電容特別大，這就必須使用電抗器對電力系統(tǒng)中的超前的無功功率進(jìn)行控制,從而使滯后的感性無功功率抵消超前的容性無功功率。

（3）和電容器同時(shí)使用組成LC濾波回路

在電力系統(tǒng)中往往會(huì)產(chǎn)生高次諧波，造成電能質(zhì)量不理想，針對這種情況多數(shù)采用電感和電容串聯(lián)的方式,在某一特定頻率下組成諧振的LC振蕩回路,可有效濾除電網(wǎng)系統(tǒng)中的高次諧波，從而不致使諧波電流流入電網(wǎng)。

2 非晶合金電抗器

鐵心由非晶材料制作而成的電抗器就叫做非晶電抗器，一般要求用BS（飽和磁感強(qiáng)度）高的鐵基非晶，同時(shí)使用在較高頻率下?lián)p耗小的非晶材料。

非晶合金具有飽和磁感高、高頻率損耗小、磁導(dǎo)率高、居里溫度高、熱穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度較好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)非晶電抗器能做到體積小、低損耗、發(fā)熱小、效率高、性能優(yōu)良。幾種逆變焊機(jī)用非晶輸出電抗器性能參數(shù)如表1所示。

表1 幾種逆變焊機(jī)用非晶輸出電抗器性能參數(shù)

常用電抗器軟磁材料有鐵氧體、非晶合金、硅鋼和磁粉鐵心等。硅鋼填充系數(shù)高，機(jī)械強(qiáng)度高，抗沖擊、加工性能好，價(jià)格便宜。但是磁導(dǎo)率低、損耗大，尤其在高頻和中頻下?lián)p耗更大；鐵氧體磁導(dǎo)率高，高頻損耗低，價(jià)格較便宜，但飽和磁感應(yīng)值低、熱穩(wěn)定性性差、機(jī)械強(qiáng)度低、易破碎。非晶合金克服了硅鋼和鐵氧體的兩個(gè)缺點(diǎn)，又兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，是制造電抗器的最理想的材料。電抗器軟磁材料性能對比如表2所示。

表2 電抗器軟磁材料性能對比

3 電抗器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 電抗器在遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的應(yīng)用

在遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)中，電網(wǎng)系統(tǒng)往往采用超（特）高壓電網(wǎng)輸電，可控電抗器可以根據(jù)線路需要實(shí)時(shí)改變自身電抗值，從而降低系統(tǒng)電能損耗。在高壓輸電時(shí)，為了在配電網(wǎng)中消除弧線圈、限制高壓輸電線路電壓容升，補(bǔ)償線路剩余無功等，可控電抗器可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制自身容量，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓以及控制無功功率，從而達(dá)到改善電能質(zhì)量的作用。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可控電抗器越來越多地應(yīng)用于超（特）高壓電網(wǎng)。

3.2 電抗器在輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用

當(dāng)輸電系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，限流電抗器串聯(lián)于電路系統(tǒng)中，可通過增加系統(tǒng)的短路阻抗，從而減小電力系統(tǒng)短路電流。串聯(lián)限流電抗器可有效降低系統(tǒng)短路電流耐受水平，在國外，串聯(lián)電抗器多用于超（特）高輸電網(wǎng)系統(tǒng)，用以調(diào)整電網(wǎng)的潮流分布。SIEMENS公司提出了基于成熟的TPSC技術(shù)與限流電抗器串聯(lián)的短路電流限制方案[5]；美國PJM電網(wǎng)中安裝較多串聯(lián)電抗器，用以控制潮流分布，限制短路電流。

3.3 電抗器在電氣化鐵路動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償中的應(yīng)用

近年來,隨著我國電氣化鐵路的快速發(fā)展，“高速鐵路”成為主流。在電力機(jī)車運(yùn)行中，負(fù)荷不斷變化，可控電抗器及時(shí)補(bǔ)償剩余無功，從而保證高功率因數(shù)，同時(shí)電容器組與串聯(lián)電抗器配合起著高次諧波濾波器的作用。超高壓可控并聯(lián)電抗器可自動(dòng)快速平滑調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率，還可調(diào)節(jié)容量深達(dá)100倍以上，完全可以滿足鐵路能源供應(yīng)系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

3.4 電抗器在光伏電站的應(yīng)用

光伏并網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來較大不良影響，必須采用連續(xù)可調(diào)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置來解決并網(wǎng)后的電能質(zhì)量問題。 磁控電抗器采用LC并聯(lián)諧振方式，通過改變附加直流勵(lì)磁電流值和并聯(lián)磁路的磁化程度，來實(shí)現(xiàn)電抗值的可控調(diào)節(jié)，在需要快速響應(yīng)的冶金、光伏、風(fēng)電等場合應(yīng)用效果較好。

3.5 電抗器在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，通常選用合適的電抗器去避免變頻器對電網(wǎng)系統(tǒng)中其他設(shè)備的電磁干擾，以及變頻器與電網(wǎng)外部其他設(shè)備之間的干擾，不同種類的電抗器連接于系統(tǒng)不同位置，功能不盡相同。表3為不同種類的電抗器在變頻調(diào)速系統(tǒng)中各個(gè)方面的作用。

表3 不同電抗器在變頻調(diào)速系統(tǒng)中各方面的作用

4 非晶合金電抗器的市場和機(jī)遇

隨著電力電子器件在供電輸電中的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)污染越來越嚴(yán)重，鐵心電抗器是治理電網(wǎng)污染（濾波）凈化電源的不可或缺的裝置。采用節(jié)能降耗的電抗器將成為未來的發(fā)展趨勢，非晶合金鐵心電抗器將迎來廣闊的市場空間。

非晶電抗器未來能為非晶帶材帶來更大的市場機(jī)遇，如果大量使用非晶電抗器，其非晶帶材的需求量幾乎和非晶變壓器一樣大。

從前面的介紹來看，電抗器在電網(wǎng)、光伏、高鐵等方便的大量使用，非晶電抗器的優(yōu)勢十分明顯，若這些大量使用的電抗器中越來越多地由非晶電抗器取代，其中的市場前景是非常驚人的。

5 結(jié)束語

非晶合金電抗器雖然具有磁性好、損耗低的優(yōu)點(diǎn)，但在電力系統(tǒng)中并沒有被廣泛應(yīng)用，通過查閱資料和研究發(fā)現(xiàn)，制約非晶合金電抗器的發(fā)展的因素主要有以下四點(diǎn)：

1）非晶合金電抗器可減少損耗占電網(wǎng)系統(tǒng)比重比較小，無法準(zhǔn)確測量，人們關(guān)注度較小。

2）非晶合金電抗器還存在噪聲大、性能不穩(wěn)定等技術(shù)難題，需要相關(guān)單位聯(lián)合攻關(guān)。

3）目前缺少可以采集非晶合金電抗器性能參數(shù)的電網(wǎng)平臺(tái)，缺少數(shù)據(jù)支持。

4）受非晶帶材尺寸和原材料的限制，大容量非晶合金電抗器的開發(fā)與應(yīng)用受到限制。

歸根結(jié)底，非晶合金電抗器的發(fā)展是技術(shù)和原理的創(chuàng)新，解決好以上制約因素，非晶合金電抗器的應(yīng)用將迎來巨大的市場。

[1] 吳禮貴，謝建民.干式電抗器電磁參數(shù)的數(shù)值分析與產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 南京：東南大學(xué)，2007.

[2] 宋萌，董洪達(dá)，王達(dá)達(dá). 一種三柱式超導(dǎo)電抗器的概念設(shè)計(jì)[J].低溫與超導(dǎo),2013(6)：26-30.

[3] 車軍麗. 干式鐵心串聯(lián)電抗器設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].商品與質(zhì)量·學(xué)術(shù)觀察,2014(11).

[4]徐基泰.電抗器品種及其發(fā)展[J].變壓器,2000（1）：17-21.

[5] 祝瑞金,蔣躍強(qiáng),楊增輝,等.串聯(lián)電抗器限流技術(shù)的應(yīng)用研究[J].華東電力,2005(5)：18-22.

2017-02-28）