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

通過靜態無功補償裝置實現無功補償、電壓調整，其核心即為晶閘管控制電抗器，而磁控電抗器能夠調整電壓，降低波動，消除無功沖擊，可以提高電能輸送質量，同時利用阻尼電壓振蕩能夠提升系統靜穩極限，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，控制上也得到了創新，從根本上改變了性能，由此開發的磁控電抗器性能更加優越，反應速度快，可以迅速調整功率，降低負荷損失，運行更加優越。

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，該裝置能夠穩定變電站母線和相鄰電網電壓，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]。根據分析發現，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調節，且響應時間較短，應用于電力系統無功補償、電動機啟動等領域中，具體體現在以下幾方面。

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，磁控電抗器作為執行元件在磁芯沒有飽和時呈現高阻抗輸入脈沖，也就是開路，磁芯飽和狀態中阻抗值接近零，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間接控制。

2.1.1 結構特征

整個電路中，各鐵芯上都有兩個繞組，不同鐵芯繞組呈現交叉并聯形式，續流二極管與其跨接，實現循環次序導通。控制部分主要是續流二極管和觸發電路，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連續調節等效電抗作用。直流控制電壓利用繞組自耦變壓后經單相整流回路實現，采用自耦變壓方式將工作繞組與控制繞組相結合，簡化結構并有效降低損耗。

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]。在轉速n鄰近nN時，電抗器兩邊電壓下降很小，并不會出現明顯二次沖擊電波現象。啟動時，若是軟啟動器控制系統一旦發生故障，其能夠轉化為普通的電抗器軟啟動模式，該系統若是發生故障，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生大變化，進而使負載工作電流發生大變化，輸出功率超過控制功率，具有明顯的放大特征，利用該特征，同時改變電抗器聯線方式可以使其等效電抗值發生變化，進而對弧焊電源特征進行調整，以此作為恒流源以及恒壓源。

（1）線路。內橋反饋控制線路中，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。兩并聯交流繞組采用導線實現連接，進而達到短路橋式內反饋效用。內橋內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感應電勢為0，直流控制繞組實質是共有的。

（2）原理。利用可控硅整流對直流控制信號進行調整，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象，當前安裝了VQC裝置盡管能夠自動控制變壓器有載調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、有載調壓開關動作比較頻繁，縮短設備壽命，存在嚴重的安全問題。基于當前的無功補償系統使用磁控電抗器，可以提高無功補償效率、避免投切，起到節能降耗作用，提高電能質量。在變電站內安裝磁控電控器能夠增加電網暫態穩定性，穩定電網電壓。

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各種操作過電壓。當前我國一般在線路側安裝高壓并聯電抗器使沿線電壓分布能夠改善。因為常規高壓并聯電抗器容量無法調節，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，系統處于平衡狀態，并聯電抗器此時提供的感性無功讓線路過分可以下降，而在電網中過多無功電流會導致有功損耗增加，影響電網傳輸效率[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節容量，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

電子供電系統過程中，無功功率補償裝置可以提升電網功率因數，減少變壓器和輸電線路損耗，優化供電效率和環境。因此，對于供電系統而言，無功功率補償裝置在其中占據重要地位。通過選擇合適的補償裝置能夠盡量降低網絡損耗，提高電網質量。磁控電抗器控制作為一項無功補償技術，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節來改變輸出容量，進而動態調節無功功率。當前，在電氣化鐵路中大范圍應用磁控式動態無功補償，此外還可以在配電電網、變頻驅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化電網供電質量的作用，這種新型的無功補償裝置是電力系統重點需要解決的技術。

3 磁控電抗器效益

3.1 經濟效益

（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，進而引發電容器損壞甚至爆炸。根據動作次數確定投切開關、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省設備投資成本，避免電氣設備損壞，保障電氣設備和電網運行安全。

（2）實現無級平滑調節。磁控電控器能夠實現快速無級平滑調節，規避固定補償的電抗器過度補償導致電壓質量下降，起到穩定供電電壓、提高供電傳輸效率的作用，降低電網能耗。

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

（4）諧波控制及治理。磁控電抗器所產生的諧波量比較小，在諧波量小場所無需加裝濾波器，在系統諧波大時可通過加裝濾波器抑制系統諧波，可以減少系統對于濾波系統的重復投資，降低制造成本。另外，諧波會導致電氣設備出現鐵磁諧振，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用電電壓穩定，降低輸電線路功率損耗度，減少發電機能耗，符合國家節能減排政策，成為當前電力部門的主要節能措施之一。另一方面，磁控電抗器原理和結構先進，技術含量高，開發研制該設施能夠提高企業市場競爭力。此外，磁控電抗器具有較好的安全穩定性，無需使用機械調節，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，降低設備事故發生率，有利于社會安全穩定發展。

4 結語

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、智能電網的發展以及國家工業化進程的不斷推進，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絡、新能源發電、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、削弱空載或輕載時長線的容升效應、穩定系統電壓的作用，能夠優化無功控制策略，減少有功損耗量，具有經濟效益和社會效益。