三相磁阀式可控电抗器研究及展望

赵国生，俎帅杰

（郑州大学电气工程学院，河南郑州，450001）

三相磁阀式可控电抗器研究及展望

赵国生，俎帅杰

（郑州大学电气工程学院，河南郑州，450001）

本文介绍了三相磁控电抗器的发展历史和研究现状，分析了不同种类的三相磁控电抗器的工作原理和电磁特性，结合其优缺点对未来的研究做出展望。

磁阀式可控电抗器；三相；电磁特性

0 引言

无功功率平衡对提高电网的经济效益和改善供电质量至关重要。电力系统在运行过程中，存在着大量的感性和容性负载，以及单相负载和非线性负载。感性和容性负载产生无功电流；单相负载使三相电压和电流不平衡并产生负序无功电流；非线性负载产生大量谐波，严重影响电力系统及用电设备的正常运行。及时对电力系统的无功功率进行补偿，不但能够提高电网的稳定性，在增大输电线路的输电能力的同时减小线路的损耗，而且能抑制电网的工频过电压和功率振荡。目前，在电力系统中常用的无功补偿设备有：静态无功补偿转置（SVC），开关投切的电容器（TSC），静止调相机（STATCON），磁阀式可控电抗器（MCR）[1]。磁阀式可控电抗器利用直流激磁来控制铁芯的饱和程度，从而控制和改变交流绕组的电感值，对电力系统进行无功功率补偿。磁阀式可控电抗器按照相数可以分为单相磁阀式可控电抗器和三相磁阀式可控电抗器。三相磁阀式可控电抗器在大型电机软启动、电力系统过电压控制和无功补偿领域应用广泛，国内外相关学者对三相磁阀式可控电抗器做出很多研究。本文首先介绍三相磁控电抗器的发展历史和研究现状，然后分析不同种类的三相磁阀式可控电抗器的工作原理和电磁特性，针对当前的研究进展对其做出展望。

1 三相磁阀式可控电抗器的发展历史和研究现状

磁阀式可控电抗器利用控制回路直流的激磁来改变铁芯的饱和度，从而平滑调节无功输出。俄罗斯国立圣彼得堡技术大学的专家首先提出可控电抗器磁阀的概念，并且实现了绕组布置的全新结构设计和样品研制，使可控电抗器的研究工作得到了突破性的进展。三相磁阀式可控电抗器理论基础建立在单相磁阀式可控电抗器上。2005年俄罗斯研制成1800Mvar/500kv三相磁控电抗器。2006年沈阳变压器厂研制的40Mvar/500kv三相MCR样机（裂芯式）通过厂内实验[2]。武汉大学于20世纪90年代开始对磁控电抗器进行研究，已成功研究出应用于配电网的磁阀式无功补偿装置和消弧线圈，并在电气化铁道牵引站中运行。由三个相同的单相磁阀式可控电抗器并联或者按照首尾连接的方式组成的三相磁控电抗器占地面积大，成本较大，一旦其中一相电抗器发生故障将直接影响三相磁控电抗器的正常运行。三相六柱式磁控电抗器与三个单相组合式三相磁控电抗器相比减少了铁芯材料的使用，减少了占地面积和制造成本，因而更加经济适用。正交铁芯三相磁控电抗器将交直流铁芯磁路分离，通过控制正交铁芯的直流偏磁场可以间接控制交流磁场[3]。

2 三相磁阀式可控电抗器工作原理及其电磁特性

2.1 三相组合式磁控电抗器

单相磁阀式可控电抗器的电路接线原理图如图1（a）所示，三角形接法的三相对称磁控电抗器接线原理如图1（b）所示，其将三个相同的单相磁控电抗器按照首位连接的方式组合在一起构成三相磁控电抗器。

由于三个单相磁控电抗器完全相同，下面将针对单相磁控电抗器的工作原理做出说明。

如图2所示，单相磁阀式可控电抗器的主铁心分裂为两半,截面积为A ,每一半铁心具有截面积较小的一段,四个匝数为N/2的线圈分别对称地绕在两个半铁心柱上(半铁心柱上的线圈总匝数为N,每一半铁心柱的上下两绕组各有一抽头比为δ=N2/N的抽头,它们之间接有晶闸管KP1(KP2),不同铁心上的上下两个绕组交叉连接后,然后并联至电网电源,续流二极管则横跨在交叉端点上。在整个容量调节范围内，只有较小面积段的铁芯磁路饱和，其余段铁芯均处于未饱和的线性状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量[4]。

图1 磁控电抗器的原理接线图

图2 单相磁阀式可控电抗器的结构电路

由图一可以看出,若KP1、KP2不导通,根据绕组结构的对称性可知,磁阀式可控电抗器相当少一个空载变压器。假设电源e处于正半周,晶闸管KP1承受正向电压,KP2承受反向电压。若KP1被触发导通,即a、b两点等电位,电源e经变比为δ的线圈自耦变压后由匝数为N2的线圈向电路提供直流控制电压和电流。容易得出KP1导通时的等效电路如图3（a）所示。同理,若KP2在电源的负半周导通，即c、d两点等电位,则可以得出如图3（b）所示的等效电路。

KP2触发导通所产生的控制电流的方向与KP1触发导通时所产生的一致,也就是说在电源的一个工频周期内,晶闸管KP1、KP2的轮流导通起了全波整流的作用，二极管起着续流作用。改变KP1、KP2的触发角便可改变控制电流的大小，从而改变电抗器铁心的饱和度，以平滑连续地调节电抗器的容量。显然，磁阀式可控电抗器的工作绕组与控制绕组合并为一个，有利于减少损耗、简化结构。

图3 晶闸管导通的等值电路图

2.2 三相六柱式磁控电抗器

文献【2】首次提出三相六柱式磁控电抗器的结构及其工作原理。其铁芯结构为三相六柱式铁芯，每相的主铁芯由两个铁芯柱组成，每柱的铁芯柱包含一个面积为Ab,长度为l的铁芯；一个长度为lt面积为Ab1的小截面段，称为磁阀。每相主铁芯的两个铁芯柱上分别对称地绕有两个匝数为N2的绕组，其中单个半铁芯柱上的线圈总匝数为N。每个铁芯柱的上下两绕组各有一抽头比为δ=N2/N的抽头，它们之间接有可控硅，不同铁芯柱的上下两个绕组交叉连接后，并联至电网电源，二极管D则横跨在交叉端点。

图4 三相六柱式磁阀式可控电抗器结构原理图

三相的每相的工作原理同单相一样基于直流偏磁可调，通过改变晶闸管的导通角可以改变直流控制电流的大小，进而改变铁芯的磁导率，从而使通过其工作绕组的电流发生改变,最终达到平滑调节电抗的目的。每相的交流工作绕组产生的交流工作磁通与三相工作绕组中其它两相交流电流所产生的交流工作磁通在铁扼上相加为零，所以不需要为交流磁路再提供旁柱铁芯,所以每相的交流工作绕组产生的交流工作磁通都与通过其它两相的铁芯柱形成回路。这样，相较于三相组合式磁控电抗器，三相六柱式磁控电抗器不但结构简单，而且节约材料，经济性更好。

2.3 正交铁芯三相磁控电抗器

前述两种三相磁控电抗器的铁芯柱与磁轭中的交直流磁通相互叠加，在空载时(不加直流控制电流)，其电流波形为间断的尖峰状，谐波含量很大，随着晶闸管触发角的减小(直流控制电流增大)，其工作电流波形的导通宽度逐渐变大，谐波电流含量逐渐减小。正交铁芯可控电抗器由于其交直流铁芯磁路相分离，控制绕组产生的直流偏磁磁场可以间接控制交流磁场，使电抗器的空载电流接近标准正弦电流波形，谐波含量极小，同时噪音水平也相对较低。基于正交磁化原理，在单相正交铁芯磁控电抗器的基础上，文献【3】对传统的三相六柱式磁阀式可控电抗器进行改进，提出了一种新的三相正交铁芯磁阀式可控电抗器模型。

图5 三相正交铁芯磁阀式可控电抗器结构

正交铁芯三相磁控电抗器的铁芯结构为两个三相三柱式铁芯前后并列放置，前面三柱铁芯的左边柱与后面三柱铁芯的左边柱通过侧视图中两个截面积相等的磁轭构成A相铁芯柱，两个铁芯柱上的绕组结构与晶闸管连接方式与单相四柱磁阀式可控电抗器的中间两柱连接方式完全相同。同样的，前后两个三柱铁芯的中柱通过它们之间的连接磁轭构成B相铁芯柱，前后两个三柱铁芯的右边柱铁芯通过它们之间的连接磁轭构成C相铁芯柱，B、C两相绕组结构与连接方式的侧视图与A相相同。直流控制电流产生的磁通沿着图5侧视图所示的铁芯回路构成闭合路经，而其他两个铁芯柱上的交流磁通并不沿该侧视图所示的闭合磁路流过，而是沿正视图中的闭合铁芯磁路流通。

三个铁芯柱产生的交流磁通仍然在正视图所构成的铁芯回路中流通，侧视图中的磁轭无交流磁通流过，因此A、B、C三相三个铁芯柱的交流磁通的瞬时值相加为零，所以磁轭中磁感应强度很小。在三相结构的正交铁芯磁阀式可控电抗器中，直流控制电流产生的直流控制磁通在每相两个铁芯柱的磁轭(图5侧视图所示)内形成回路，而每相的交流工作绕组产生的交流工作磁通与其它两相交流电流所产生的交流工作磁通在正视图所示的磁轭上相加为零，这与传统的三相磁阀式可控电抗器有一定的区别。

3 三相磁阀式可控电抗器的优缺点比较

与传统的无功补偿装置相比，三相磁阀式可控电抗器不仅具有容量可连续平滑调节、响应速度快、控制灵活、可靠性高等性能，而且还具有造价低、运行维护简单等显著的经济性优势；与3个单相组合式的三相磁阀式可控电抗器相比，三相六柱式磁阀式可控电抗器体积占地面积小、铁心材料使用少、制造成本低、谐波含量小。

三相六柱磁阀式可控电抗器，也有自身的缺陷：电抗器的铁芯柱与磁轭中的交直流磁通相互叠加，在空载(不加触发角)时其电流波形为间断的尖峰形状、谐波含量很大，随着触发角的减小，其电流波形的导通宽度逐渐变大，谐波电流成分逐渐减小。针对此缺陷，正交铁芯三相磁阀式可控电抗器被提出。正交铁芯三相磁阀式可控电抗器主要利用其交直流铁芯磁路相分离，通过控制正交铁芯上的直流偏磁场可以间接控制交流磁场，它的空载电流接近标准正弦电流波形，谐波成分极小。

4 结语

在工程实际中，三相六柱式磁阀式可控电抗器正在逐步取代3个单相组合式磁阀式可控电抗器及传统无功补偿装。针对三相六柱式磁控电抗器铁芯柱与磁轭中的交直流磁通相互叠加的缺点，正交铁芯三相磁控电抗器将交直流铁芯磁路相分离，通过控制正交铁芯上的直流偏磁场可以间接控制交流磁场。与此同时，由于磁控电抗器的铁芯大多采用硅钢片堆叠而成，正交铁芯三相磁控电抗器在生产过程中的复杂度要大于三相六柱式磁控电抗器。三相磁阀式可控电抗铁心柱及磁阀制造复杂、运行中噪音较大及磁阀的磁通极限饱和下引起的发热等问题，相关学者陆续提出的不同的磁阀结构以及非晶合金材料的研究都将进一步给出相应的解决方案。

[1]王子强.磁阀式可控电抗器磁路结构研究及应用[D].华北电力大学（北京）,2010.

[2]刘仁,赵国生,王欢等.三相磁阀式可控电抗器的特性仿真分析[J].电力系统保护与控制,2011,(07): 110-114.

[3]赵国生,程子霞,孙可钦.新型正交铁芯三相磁控电抗器的研究[J].郑州大学学报(工学版),2014,(01): 15-19.

[4]陈柏超,田翠华,梁柏华等.单相可控电抗器的一种谐波抑制原理及实现[J].中国电机工程学报,2002,(03): 64-68.

Study and Outlook of Three-phase Magnetic Valve Type Controlled Reactor

Zhao Guosheng，Zu Shuaijie
(School of Electric Engineering Zhengzhou University， Zhengzhou Henan,450001)

This paper introduces the development history and present research condition of threephase magnetic valve type controlled reactor, analyzes the working principle and electromagnetic characteristics of different kinds of three-phase magnetic valve type controlled reactors, points out its advantages , and combined with its advantages and disadvantages of the future research to make a prospect.

Magnetic valve type controllable reactor； Three-phase； Electromagnetic

赵国生(1965 －) 男，河南南阳人，郑州大学副教授，主要从事电力电子、滤波器、磁控电抗器等方面的研究。