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(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)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(dòng)，消除無功沖擊，可以提高電能輸送質(zhì)量，同時(shí)利用阻尼電壓振蕩能夠提升系統(tǒng)靜穩(wěn)極限，進(jìn)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?yàn)轫憫?yīng)慢，損耗、噪聲和諧波比較大，并未獲得廣泛應(yīng)用，而隨著磁閥的提出，飽和電抗器的缺點(diǎn)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(yīng)速度快，可以迅速調(diào)整功率，降低負(fù)荷損失，運(yùn)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(dān)高電壓，磁控電抗器通過抽頭連接整流回路、利用直流勵(lì)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(dāng)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(diǎn)和變電站無功傳輸進(jìn)而減少耗損，同時(shí)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(shí)磁控電抗器的效果最好。

2 磁控電抗器應(yīng)用

磁控電抗器的電感量可連續(xù)調(diào)節(jié)，且響應(yīng)時(shí)間較短，應(yīng)用于電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)等領(lǐng)域中，具體體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 大容量電機(jī)應(yīng)用

軟啟動(dòng)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(duì)于大慣性電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)而言并沒有影響，因此其在大容量電機(jī)軟啟動(dòng)中應(yīng)用十分合適。對(duì)于大容量電動(dòng)起恒流軟啟動(dòng)而言，磁控電抗器作為執(zhí)行元件在磁芯沒有飽和時(shí)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(guān)的效用，磁控電抗器通斷可以利用直流勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)間接控制。

2.1.1 結(jié)構(gòu)特征

整個(gè)電路中，各鐵芯上都有兩個(gè)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(shí)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(dǎo)通角作用，進(jìn)而控制直流磁通的變化，改變鐵芯磁飽和程度實(shí)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(shí)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(jiǎn)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(dòng)電路，其中磁控軟啟動(dòng)控制中心就是具有較強(qiáng)抗干擾能力的PLC，其可以接收互感器信號(hào)，對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算，進(jìn)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(lì)磁電流以及鐵芯飽和度，進(jìn)而改變了電抗器電感，平滑改變電機(jī)電路啟動(dòng)電壓，進(jìn)而對(duì)大功率電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒流磁控軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)時(shí)，相繼閉合QS和KM1之后進(jìn)行軟啟動(dòng)，先啟動(dòng)斷路器，再啟動(dòng)接觸器，之后啟動(dòng)可控電抗器，最后電機(jī)啟動(dòng)。這時(shí)，磁控電抗器的電抗值很大，啟動(dòng)時(shí)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(dòng)電壓無機(jī)平滑從最初提升至全壓，進(jìn)而勻速轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)后，接觸器旁路真空，與軟啟動(dòng)器短接，軟啟動(dòng)完成[3]。在轉(zhuǎn)速n鄰近nN時(shí)，電抗器兩邊電壓下降很小，并不會(huì)出現(xiàn)明顯二次沖擊電波現(xiàn)象。啟動(dòng)時(shí)，若是軟啟動(dòng)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(dòng)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(jī)能夠直接被啟動(dòng)。

圖1 軟啟動(dòng)圖

圖2 弧焊整流器電路圖

2.2 弧焊電源應(yīng)用

飽和電感若是最初的磁導(dǎo)率較高，則飽和度可控，而直流控制電流變化較小會(huì)導(dǎo)致磁導(dǎo)率發(fā)生大變化，進(jìn)而使負(fù)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(shí)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(jìn)而對(duì)弧焊電源特征進(jìn)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(jí)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(dǎo)線實(shí)現(xiàn)連接，進(jìn)而達(dá)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(gè)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(yīng)電勢(shì)為0，直流控制繞組實(shí)質(zhì)是共有的。

（2）原理。利用可控硅整流對(duì)直流控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，其電流為0時(shí)鐵芯并不飽和，導(dǎo)磁率、電抗值很大，電源電壓大多數(shù)都在電抗器繞組上，負(fù)載壓降很小。在直流控制電流增大時(shí)，鐵芯飽和度增大，導(dǎo)磁率下降，電抗值下降，電抗器繞組壓降下降，輸出負(fù)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(yīng)用

我國(guó)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(dāng)前安裝了VQC裝置盡管能夠自動(dòng)控制變壓器有載調(diào)壓開關(guān)以及電容器組、電抗器投切開關(guān)，但是極易使電容器組投切動(dòng)作、有載調(diào)壓開關(guān)動(dòng)作比較頻繁，縮短設(shè)備壽命，存在嚴(yán)重的安全問題?；诋?dāng)前的無功補(bǔ)償系統(tǒng)使用磁控電抗器，可以提高無功補(bǔ)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(yīng)用

超高壓輸電線路在系統(tǒng)空載、輕載或是單向供電時(shí)，線路末端因?yàn)殡娙菪?yīng)導(dǎo)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(dāng)前我國(guó)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?yàn)槌Ｒ?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(bǔ)償，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，并聯(lián)電抗器此時(shí)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(huì)導(dǎo)致有功損耗增加，影響電網(wǎng)傳輸效率[5]。對(duì)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(bǔ)償設(shè)備使用，其順著線路傳送效率能夠自動(dòng)平滑調(diào)節(jié)容量，進(jìn)而防止過電壓。與此同時(shí)，與中性點(diǎn)小電抗搭配使用，能夠限制由于單相接地故障而導(dǎo)致的潛供電流。在超高壓輸電線路中應(yīng)用磁控電抗器具有可行性。

2.5 無功補(bǔ)償應(yīng)用

電子供電系統(tǒng)過程中，無功功率補(bǔ)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(duì)于供電系統(tǒng)而言，無功功率補(bǔ)償裝置在其中占據(jù)重要地位。通過選擇合適的補(bǔ)償裝置能夠盡量降低網(wǎng)絡(luò)損耗，提高電網(wǎng)質(zhì)量。磁控電抗器控制作為一項(xiàng)無功補(bǔ)償技術(shù)，其核心在于磁控電抗器，通過對(duì)電抗器工作鐵芯磁飽和度進(jìn)行調(diào)節(jié)來改變輸出容量，進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功功率。當(dāng)前，在電氣化鐵路中大范圍應(yīng)用磁控式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，此外還可以在配電電網(wǎng)、變頻驅(qū)動(dòng)等無功電流補(bǔ)償以及諧波抑制中應(yīng)用。當(dāng)前，我國(guó)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(bǔ)償裝置是電力系統(tǒng)重點(diǎn)需要解決的技術(shù)。

3 磁控電抗器效益

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。磁控電抗器可以延長(zhǎng)電氣設(shè)備使用時(shí)間，利用開關(guān)分組投切電容器在頻繁變化負(fù)荷的情況下需要實(shí)現(xiàn)電容器組投切，因?yàn)殡娙萜鹘M在投入運(yùn)行時(shí)過大沖擊電流、切除電容器組會(huì)出現(xiàn)較高過電壓，因此每次投切時(shí)會(huì)威脅電容器組，導(dǎo)致其使用壽命縮短。電容器組損壞一般不是由于長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致的，更多是由頻繁投切造成的，同時(shí)電容器組在切除后不可立即投運(yùn)，需要暫停不低于5min等待安全放電之后才能夠投入運(yùn)行，否則會(huì)導(dǎo)致過壓沖擊，進(jìn)而引發(fā)電容器損壞甚至爆炸。根據(jù)動(dòng)作次數(shù)確定投切開關(guān)、接觸器使用壽命，過多的投切會(huì)縮短使用時(shí)間；而磁控電抗器可克服上述問題。因此，為了延長(zhǎng)設(shè)備使用時(shí)間，利用磁控電抗器來節(jié)省設(shè)備投資成本，避免電氣設(shè)備損壞，保障電氣設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行安全。

（2）實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)節(jié)。磁控電控器能夠?qū)崿F(xiàn)快速無級(jí)平滑調(diào)節(jié)，規(guī)避固定補(bǔ)償?shù)碾娍蛊鬟^度補(bǔ)償導(dǎo)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(fù)投資，確保長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。磁控電抗器使用壽命可以長(zhǎng)達(dá)30年以上，其穩(wěn)定運(yùn)行可以大大降低由于設(shè)備更換導(dǎo)致的停電經(jīng)濟(jì)損失以及設(shè)備更換等相關(guān)費(fèi)用的重復(fù)性投資，具有明顯的經(jīng)濟(jì)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(chǎng)所無需加裝濾波器，在系統(tǒng)諧波大時(shí)可通過加裝濾波器抑制系統(tǒng)諧波，可以減少系統(tǒng)對(duì)于濾波系統(tǒng)的重復(fù)投資，降低制造成本。另外，諧波會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備出現(xiàn)鐵磁諧振，每年會(huì)損壞大量電氣設(shè)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(jì)效益。

3.2 社會(huì)效益

磁控電抗器具有較大的社會(huì)效益，一方面，該設(shè)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(jī)能耗，符合國(guó)家節(jié)能減排政策，成為當(dāng)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(jìn)，技術(shù)含量高，開發(fā)研制該設(shè)施能夠提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，磁控電抗器具有較好的安全穩(wěn)定性，無需使用機(jī)械調(diào)節(jié)，可以降低電氣設(shè)備損害，防止電氣設(shè)備受損后導(dǎo)致停電損失，也能夠避免由于電氣設(shè)備操作不當(dāng)導(dǎo)致的次生災(zāi)害，保障用戶安全，降低設(shè)備事故發(fā)生率，有利于社會(huì)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(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，隨著國(guó)家高壓、超高壓輸電建設(shè)的不斷深入，新能源建設(shè)的增長(zhǎng)、智能電網(wǎng)的發(fā)展以及國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，出于可靠性、控制靈活性和維護(hù)成本的考慮，磁控電抗器將廣泛應(yīng)用于輸變電網(wǎng)絡(luò)、新能源發(fā)電、煤礦、電氣化鐵路等領(lǐng)域，起到補(bǔ)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(shí)長(zhǎng)線的容升效應(yīng)、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(jì)效益和社會(huì)效益。