浅析非晶合金电抗器在电力系统中的新机遇

2017-08-07王晓雷柴欣赵倩杨合恒李志霞

电气技术与经济 2017年3期

关键词：非晶限流铁心

王晓雷柴欣赵倩杨合恒李志霞

（中原工学院）

浅析非晶合金电抗器在电力系统中的新机遇

王晓雷柴欣赵倩杨合恒李志霞

（中原工学院）

电抗器是维持电网系统正常安全有效运行的一种必不可少的辅助设备,具有电压控制和无功补偿等功能，对于提高电力系统稳定性、改善供电质量具有重要作用。本文提出了一种非晶合金电抗器，对国内电抗器的发展、非晶合金电抗器的优势、用途进行了阐述，重点介绍其在电力系统中各领域的应用，并通过分析制约因素，对其发展前景和市场机遇进行了展望，显示非晶合金电抗器在未来电力电子技术中拥有广阔的发展前景。

非晶合金；电抗器；前景；市场机遇

0 引言

随着现代化工业的快速发展，工业用电大量增加，对电力系统的稳定性提出了更高的要求，电抗器作为电力系统中的重要设备之一,主要用于电力系统中限流和限制电网中高次谐波，它对于降低系统故障和提高运行质量有着重要的作用。随着电力系统的发展,电网容量和用电负荷越来越大,同时对电抗器的性能要求也越来越高，因此,设计和研制国产高电压大容量电抗器,对中国电力事业的发展具有重要意义[1]。

近些年来，为了适应社会的和谐稳定发展，降低能源损耗已逐步成为社会的主流。我国电网响应相关号召，提高输电质量,快速调节全国输电机制，实行特高压建设。随着国家电网特高电压等级的逐步提高，电力系统无功不平衡加剧，各电压等级功率损耗加剧,电压失稳等现象越来越严重。针对高压电网轻负荷和发生故障时无功缺额的情况,多种电抗器被应用到静止无功补偿装置中[2],为了更好地解决此类问题,多种电抗器应运而生。

由于非晶合金材料具有很好的导磁能力，并且绕组体积小、损耗低,符合我国“低碳低损耗”的政策，在一些电力电子技术的磁性器件中应用非晶合金取得了良好效果, 显示出其在电力电子技术中广阔的应用前景。电源变压器、配电变压器、整流变压器、中频和感应加热用变压器、恒压变压器、参数变压器、磁性倍频器采用非晶合金代替硅钢, 可以大大降低损耗, 提高效率, 减少发热;滤波电抗器采用恒导磁非晶合金代替坡莫合金磁粉芯, 线性导磁率高, 滤波效果好，因而非晶合金电抗器在高电压等级电网中有很好的应用市场。

由北京点创方圆科技有限公司设计和研制的无级圆柱形超微晶铁心电抗器，采用新结构，可实现材料消耗较原结构节约15% 以上，磁性材料损耗降低20% 以上，大型铁心电抗器的生产不受制备芯块材料尺寸的限制[3],当铁心柱外形尺寸相同的情况下，现在多阶梯形铁心柱横截面面积与本实用新型芯块的圆形横截面面积之比为1：1.2左右。新型无级圆柱形超微晶铁心电抗器近年来受到丹麦丹佛斯集团的关注，丹弗斯将该新型大容量的超微晶铁心电抗器与丹佛斯的变频器配套使用。丹佛斯变频器是丹麦丹佛斯集团生产的变频器产品，主要用于三相异步交流电机，用于控制和调节电机速度，是全球变频器市场的佼佼者。

为此，本文首先对国内电抗器的发展、非晶合金电抗器的优势、用途进行了阐述，重点介绍其在电力系统中各领域的应用，并通过分析其制约因素，对其发展前景和市场机遇进行了展望，显示非晶合金电抗器在未来电力电子技术中拥有广阔的发展前景。

1 电抗器的种类及用途

1.1 电抗器的种类

电抗器是维持电网系统正常安全有效运行的一种必不可少的辅助设备，电抗器按结构及冷却介质和用途可以分为以下几类，如下图所示。

图电抗器分类

1.2 电抗器的用途

电抗器的用途主要表现在以下几个方面。

（1）限制电路电流不超过该支路的断路器开断容量

限流电抗器串联在变电所馈线上，变电所经配电后通过低压母线的分支出线分别供电给不同的用户。当其中的某支线路出现短路时，串联的限流电抗器不仅可以起到限制电流的作用，同时不致使母线电压骤降而影响到其他出线正常供电，从而限制了分支出线的短路电流,保护线路；在电力系统中，往往使用阻尼电抗器串联于电容器组，其作用是为了限制电容器组合闸和开断瞬间引起的瞬态电流冲击。

（2）消除系统超前的容性无功功率

在电力系统正常供电过程中,往往会产生超前的容性的无功功率，主要为了补偿功率因数而在系统上接入的电容器组以及输配电线路的对地和相间电容[4], 尤其是远距离输电时，电容特别大，这就必须使用电抗器对电力系统中的超前的无功功率进行控制,从而使滞后的感性无功功率抵消超前的容性无功功率。

（3）和电容器同时使用组成LC滤波回路

在电力系统中往往会产生高次谐波，造成电能质量不理想，针对这种情况多数采用电感和电容串联的方式,在某一特定频率下组成谐振的LC振荡回路,可有效滤除电网系统中的高次谐波，从而不致使谐波电流流入电网。

2 非晶合金电抗器

铁心由非晶材料制作而成的电抗器就叫做非晶电抗器，一般要求用BS（饱和磁感强度）高的铁基非晶，同时使用在较高频率下损耗小的非晶材料。

非晶合金具有饱和磁感高、高频率损耗小、磁导率高、居里温度高、热稳定性好、机械强度较好等优点，同时非晶电抗器能做到体积小、低损耗、发热小、效率高、性能优良。几种逆变焊机用非晶输出电抗器性能参数如表1所示。

表1 几种逆变焊机用非晶输出电抗器性能参数

常用电抗器软磁材料有铁氧体、非晶合金、硅钢和磁粉铁心等。硅钢填充系数高，机械强度高，抗冲击、加工性能好，价格便宜。但是磁导率低、损耗大，尤其在高频和中频下损耗更大；铁氧体磁导率高，高频损耗低，价格较便宜，但饱和磁感应值低、热稳定性性差、机械强度低、易破碎。非晶合金克服了硅钢和铁氧体的两个缺点，又兼具两者的优点，是制造电抗器的最理想的材料。电抗器软磁材料性能对比如表2所示。

表2 电抗器软磁材料性能对比

3 电抗器在电力系统中的应用

3.1 电抗器在远距离输电系统的应用

在远距离输电系统中，电网系统往往采用超（特）高压电网输电，可控电抗器可以根据线路需要实时改变自身电抗值，从而降低系统电能损耗。在高压输电时，为了在配电网中消除弧线圈、限制高压输电线路电压容升，补偿线路剩余无功等，可控电抗器可以实时调节控制自身容量，稳定电网电压以及控制无功功率，从而达到改善电能质量的作用。在实际工程应用中，可控电抗器越来越多地应用于超（特）高压电网。

3.2 电抗器在输电系统中的应用

当输电系统出现短路故障时，限流电抗器串联于电路系统中，可通过增加系统的短路阻抗，从而减小电力系统短路电流。串联限流电抗器可有效降低系统短路电流耐受水平，在国外，串联电抗器多用于超（特）高输电网系统，用以调整电网的潮流分布。SIEMENS公司提出了基于成熟的TPSC技术与限流电抗器串联的短路电流限制方案[5]；美国PJM电网中安装较多串联电抗器，用以控制潮流分布，限制短路电流。

3.3 电抗器在电气化铁路动态无功补偿中的应用

近年来,随着我国电气化铁路的快速发展，“高速铁路”成为主流。在电力机车运行中，负荷不断变化，可控电抗器及时补偿剩余无功，从而保证高功率因数，同时电容器组与串联电抗器配合起着高次谐波滤波器的作用。超高压可控并联电抗器可自动快速平滑调节系统无功功率，还可调节容量深达100倍以上，完全可以满足铁路能源供应系统无功补偿的要求。

3.4 电抗器在光伏电站的应用

光伏并网会给电网电能质量带来较大不良影响，必须采用连续可调的动态无功补偿装置来解决并网后的电能质量问题。磁控电抗器采用LC并联谐振方式，通过改变附加直流励磁电流值和并联磁路的磁化程度，来实现电抗值的可控调节，在需要快速响应的冶金、光伏、风电等场合应用效果较好。

3.5 电抗器在变频调速系统中的应用

在变频调速系统中，通常选用合适的电抗器去避免变频器对电网系统中其他设备的电磁干扰，以及变频器与电网外部其他设备之间的干扰，不同种类的电抗器连接于系统不同位置，功能不尽相同。表3为不同种类的电抗器在变频调速系统中各个方面的作用。