磁控電抗器應用與效益

武士龍

山東泰開電力電子有限公司 山東泰安 271000

通過靜態(tài)無功補償裝置實現(xiàn)無功補償、電壓調(diào)整，其核心即為晶閘管控制電抗器，而磁控電抗器能夠調(diào)整電壓，降低波動，消除無功沖擊，可以提高電能輸送質(zhì)量，同時利用阻尼電壓振蕩能夠提升系統(tǒng)靜穩(wěn)極限，進而傳輸給更高電壓。磁控電抗器來源于磁放大器和飽和電抗器，但是因為響應慢，損耗、噪聲和諧波比較大，并未獲得廣泛應用，而隨著磁閥的提出，飽和電抗器的缺點得到改善，性能得到突破，控制上也得到了創(chuàng)新，從根本上改變了性能，由此開發(fā)的磁控電抗器性能更加優(yōu)越，反應速度快，可以迅速調(diào)整功率，降低負荷損失，運行更加優(yōu)越。

1 磁控電抗器概述

晶閘管控制電抗器需要晶閘管承擔高電壓，磁控電抗器通過抽頭連接整流回路、利用直流勵磁改變鐵芯磁飽和度從而改變電抗器輸出容量，降低晶閘管電壓承受力。當前，在330-500kV、110-220kV電網(wǎng)中分布使用單相磁控電抗器和三相磁控電抗器，該裝置能夠穩(wěn)定變電站母線和相鄰電網(wǎng)電壓，通過降低電源點和變電站無功傳輸進而減少耗損，同時減少電容器組操作頻率，每月操作一次即可[1]。根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，變電站和電源地相距80-100km時磁控電抗器的效果最好。

2 磁控電抗器應用

磁控電抗器的電感量可連續(xù)調(diào)節(jié)，且響應時間較短，應用于電力系統(tǒng)無功補償、電動機啟動等領域中，具體體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 大容量電機應用

軟啟動以降壓、限流作為主要形式，盡管磁控電阻器具有慣性，但是這對于大慣性電動機系統(tǒng)而言并沒有影響，因此其在大容量電機軟啟動中應用十分合適。對于大容量電動起恒流軟啟動而言，磁控電抗器作為執(zhí)行元件在磁芯沒有飽和時呈現(xiàn)高阻抗輸入脈沖，也就是開路，磁芯飽和狀態(tài)中阻抗值接近零，也就是短路[2]。因此，磁控電抗器可以起到電力電子開關的效用，磁控電抗器通斷可以利用直流勵磁實現(xiàn)間接控制。

2.1.1 結(jié)構(gòu)特征

整個電路中，各鐵芯上都有兩個繞組，不同鐵芯繞組呈現(xiàn)交叉并聯(lián)形式，續(xù)流二極管與其跨接，實現(xiàn)循環(huán)次序?qū)ā？刂撇糠种饕抢m(xù)流二極管和觸發(fā)電路，其可以起到改變晶閘管導通角作用，進而控制直流磁通的變化，改變鐵芯磁飽和程度實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)等效電抗作用。直流控制電壓利用繞組自耦變壓后經(jīng)單相整流回路實現(xiàn)，采用自耦變壓方式將工作繞組與控制繞組相結(jié)合，簡化結(jié)構(gòu)并有效降低損耗。

2.1.2 原理

微電子控制器與磁飽和電抗器共同構(gòu)成了軟啟動電路，其中磁控軟啟動控制中心就是具有較強抗干擾能力的PLC，其可以接收互感器信號，對偏差信號進行PID運算，進而做到無靜差控制。利用SCR三相硅整流電路控制直流繞組勵磁電流以及鐵芯飽和度，進而改變了電抗器電感，平滑改變電機電路啟動電壓，進而對大功率電機實現(xiàn)恒流磁控軟啟動。軟啟動時，相繼閉合QS和KM1之后進行軟啟動，先啟動斷路器，再啟動接觸器，之后啟動可控電抗器，最后電機啟動。這時，磁控電抗器的電抗值很大，啟動時通過磁控電抗器整流持續(xù)增加鐵芯飽和度，降低等效電感值，啟動電壓無機平滑從最初提升至全壓，進而勻速轉(zhuǎn)矩。啟動后，接觸器旁路真空，與軟啟動器短接，軟啟動完成[3]。在轉(zhuǎn)速n鄰近nN時，電抗器兩邊電壓下降很小，并不會出現(xiàn)明顯二次沖擊電波現(xiàn)象。啟動時，若是軟啟動器控制系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，其能夠轉(zhuǎn)化為普通的電抗器軟啟動模式，該系統(tǒng)若是發(fā)生故障，可以通過旁路真空接觸器使電機能夠直接被啟動。

圖1 軟啟動圖

圖2 弧焊整流器電路圖

2.2 弧焊電源應用

飽和電感若是最初的磁導率較高，則飽和度可控，而直流控制電流變化較小會導致磁導率發(fā)生大變化，進而使負載工作電流發(fā)生大變化，輸出功率超過控制功率，具有明顯的放大特征，利用該特征，同時改變電抗器聯(lián)線方式可以使其等效電抗值發(fā)生變化，進而對弧焊電源特征進行調(diào)整，以此作為恒流源以及恒壓源。

（1）線路。內(nèi)橋反饋控制線路中，主電路包括主變壓器、磁變大器和硅整流器、輸出電抗構(gòu)成的，而三相主變壓器與磁放大器為一體，變壓器各次級繞組貫穿磁放大器鐵芯，因此可以用于交流繞組。兩并聯(lián)交流繞組采用導線實現(xiàn)連接，進而達到短路橋式內(nèi)反饋效用。內(nèi)橋內(nèi)反饋三相磁放大器控制電源，其中的磁通和直流控制繞組形成磁通互相重疊，但是6個放大器元件反饋電流形成磁通，基于直流控制繞組出現(xiàn)感應電勢為0，直流控制繞組實質(zhì)是共有的。

（2）原理。利用可控硅整流對直流控制信號進行調(diào)整，其電流為0時鐵芯并不飽和，導磁率、電抗值很大，電源電壓大多數(shù)都在電抗器繞組上，負載壓降很小。在直流控制電流增大時，鐵芯飽和度增大，導磁率下降，電抗值下降，電抗器繞組壓降下降，輸出負載電壓增大，可以用小功率控制大功率。繞組是短接部位[4]。

2.3 變電站應用

我國大部分變電站電容器利用率都比較低，普遍存在投切管理麻煩現(xiàn)象，當前安裝了VQC裝置盡管能夠自動控制變壓器有載調(diào)壓開關以及電容器組、電抗器投切開關，但是極易使電容器組投切動作、有載調(diào)壓開關動作比較頻繁，縮短設備壽命，存在嚴重的安全問題?；诋斍暗臒o功補償系統(tǒng)使用磁控電抗器，可以提高無功補償效率、避免投切，起到節(jié)能降耗作用，提高電能質(zhì)量。在變電站內(nèi)安裝磁控電控器能夠增加電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。

2.4 高壓線路過電壓操作限制應用

超高壓輸電線路在系統(tǒng)空載、輕載或是單向供電時，線路末端因為電容效應導致工頻電壓上升，基于此與高頻振蕩重疊后持續(xù)各種操作過電壓。當前我國一般在線路側(cè)安裝高壓并聯(lián)電抗器使沿線電壓分布能夠改善。因為常規(guī)高壓并聯(lián)電抗器容量無法調(diào)節(jié)，一旦線路傳輸功率與自然功率相近，線路容性無功及感性無功二者可以自我補償，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，并聯(lián)電抗器此時提供的感性無功讓線路過分可以下降，而在電網(wǎng)中過多無功電流會導致有功損耗增加，影響電網(wǎng)傳輸效率[5]。對于上述問題，采用磁控電抗器可以解決，這種新型的可控電抗器可以作為超高壓可控補償設備使用，其順著線路傳送效率能夠自動平滑調(diào)節(jié)容量，進而防止過電壓。與此同時，與中性點小電抗搭配使用，能夠限制由于單相接地故障而導致的潛供電流。在超高壓輸電線路中應用磁控電抗器具有可行性。

2.5 無功補償應用

電子供電系統(tǒng)過程中，無功功率補償裝置可以提升電網(wǎng)功率因數(shù)，減少變壓器和輸電線路損耗，優(yōu)化供電效率和環(huán)境。因此，對于供電系統(tǒng)而言，無功功率補償裝置在其中占據(jù)重要地位。通過選擇合適的補償裝置能夠盡量降低網(wǎng)絡損耗，提高電網(wǎng)質(zhì)量。磁控電抗器控制作為一項無功補償技術(shù)，其核心在于磁控電抗器，通過對電抗器工作鐵芯磁飽和度進行調(diào)節(jié)來改變輸出容量，進而動態(tài)調(diào)節(jié)無功功率。當前，在電氣化鐵路中大范圍應用磁控式動態(tài)無功補償，此外還可以在配電電網(wǎng)、變頻驅(qū)動等無功電流補償以及諧波抑制中應用。當前，我國可控電抗器主要起到優(yōu)化電網(wǎng)供電質(zhì)量的作用，這種新型的無功補償裝置是電力系統(tǒng)重點需要解決的技術(shù)。

3 磁控電抗器效益

3.1 經(jīng)濟效益

（1）延長設備使用壽命。磁控電抗器可以延長電氣設備使用時間，利用開關分組投切電容器在頻繁變化負荷的情況下需要實現(xiàn)電容器組投切，因為電容器組在投入運行時過大沖擊電流、切除電容器組會出現(xiàn)較高過電壓，因此每次投切時會威脅電容器組，導致其使用壽命縮短。電容器組損壞一般不是由于長期運行導致的，更多是由頻繁投切造成的，同時電容器組在切除后不可立即投運，需要暫停不低于5min等待安全放電之后才能夠投入運行，否則會導致過壓沖擊，進而引發(fā)電容器損壞甚至爆炸。根據(jù)動作次數(shù)確定投切開關、接觸器使用壽命，過多的投切會縮短使用時間；而磁控電抗器可克服上述問題。因此，為了延長設備使用時間，利用磁控電抗器來節(jié)省設備投資成本，避免電氣設備損壞，保障電氣設備和電網(wǎng)運行安全。

（2）實現(xiàn)無級平滑調(diào)節(jié)。磁控電控器能夠?qū)崿F(xiàn)快速無級平滑調(diào)節(jié)，規(guī)避固定補償?shù)碾娍蛊鬟^度補償導致電壓質(zhì)量下降，起到穩(wěn)定供電電壓、提高供電傳輸效率的作用，降低電網(wǎng)能耗。

（3）減少重復投資，確保長期穩(wěn)定運行。磁控電抗器使用壽命可以長達30年以上，其穩(wěn)定運行可以大大降低由于設備更換導致的停電經(jīng)濟損失以及設備更換等相關費用的重復性投資，具有明顯的經(jīng)濟效益。

（4）諧波控制及治理。磁控電抗器所產(chǎn)生的諧波量比較小，在諧波量小場所無需加裝濾波器，在系統(tǒng)諧波大時可通過加裝濾波器抑制系統(tǒng)諧波，可以減少系統(tǒng)對于濾波系統(tǒng)的重復投資，降低制造成本。另外，諧波會導致電氣設備出現(xiàn)鐵磁諧振，每年會損壞大量電氣設備，降低諧波排放量能夠大幅度減少這一損失，具有明顯的經(jīng)濟效益。

3.2 社會效益

磁控電抗器具有較大的社會效益，一方面，該設備可以確保企業(yè)用電電壓穩(wěn)定，降低輸電線路功率損耗度，減少發(fā)電機能耗，符合國家節(jié)能減排政策，成為當前電力部門的主要節(jié)能措施之一。另一方面，磁控電抗器原理和結(jié)構(gòu)先進，技術(shù)含量高，開發(fā)研制該設施能夠提高企業(yè)市場競爭力。此外，磁控電抗器具有較好的安全穩(wěn)定性，無需使用機械調(diào)節(jié)，可以降低電氣設備損害，防止電氣設備受損后導致停電損失，也能夠避免由于電氣設備操作不當導致的次生災害，保障用戶安全，降低設備事故發(fā)生率，有利于社會安全穩(wěn)定發(fā)展。

4 結(jié)語

綜上所述，磁控電抗器具有噪音小、損耗低、諧波小、占地面積小、維護簡單的特點，隨著國家高壓、超高壓輸電建設的不斷深入，新能源建設的增長、智能電網(wǎng)的發(fā)展以及國家工業(yè)化進程的不斷推進，出于可靠性、控制靈活性和維護成本的考慮，磁控電抗器將廣泛應用于輸變電網(wǎng)絡、新能源發(fā)電、煤礦、電氣化鐵路等領域，起到補償線路容性充電功率、降低線路損耗提高功率因數(shù)、削弱空載或輕載時長線的容升效應、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的作用，能夠優(yōu)化無功控制策略，減少有功損耗量，具有經(jīng)濟效益和社會效益。