磁控电抗器应用与效益

武士龙

山东泰开电力电子有限公司 山东泰安 271000

通过静态无功补偿装置实现无功补偿、电压调整，其核心即为晶闸管控制电抗器，而磁控电抗器能够调整电压，降低波动，消除无功冲击，可以提高电能输送质量，同时利用阻尼电压振荡能够提升系统静稳极限，进而传输给更高电压。磁控电抗器来源于磁放大器和饱和电抗器，但是因为响应慢，损耗、噪声和谐波比较大，并未获得广泛应用，而随着磁阀的提出，饱和电抗器的缺点得到改善，性能得到突破，控制上也得到了创新，从根本上改变了性能，由此开发的磁控电抗器性能更加优越，反应速度快，可以迅速调整功率，降低负荷损失，运行更加优越。

1 磁控电抗器概述

晶闸管控制电抗器需要晶闸管承担高电压，磁控电抗器通过抽头连接整流回路、利用直流励磁改变铁芯磁饱和度从而改变电抗器输出容量，降低晶闸管电压承受力。当前，在330-500kV、110-220kV电网中分布使用单相磁控电抗器和三相磁控电抗器，该装置能够稳定变电站母线和相邻电网电压，通过降低电源点和变电站无功传输进而减少耗损，同时减少电容器组操作频率，每月操作一次即可[1]。根据分析发现，变电站和电源地相距80-100km时磁控电抗器的效果最好。

2 磁控电抗器应用

磁控电抗器的电感量可连续调节，且响应时间较短，应用于电力系统无功补偿、电动机启动等领域中，具体体现在以下几方面。

2.1 大容量电机应用

软启动以降压、限流作为主要形式，尽管磁控电阻器具有惯性，但是这对于大惯性电动机系统而言并没有影响，因此其在大容量电机软启动中应用十分合适。对于大容量电动起恒流软启动而言，磁控电抗器作为执行元件在磁芯没有饱和时呈现高阻抗输入脉冲，也就是开路，磁芯饱和状态中阻抗值接近零，也就是短路[2]。因此，磁控电抗器可以起到电力电子开关的效用，磁控电抗器通断可以利用直流励磁实现间接控制。

2.1.1 结构特征

整个电路中，各铁芯上都有两个绕组，不同铁芯绕组呈现交叉并联形式，续流二极管与其跨接，实现循环次序导通。控制部分主要是续流二极管和触发电路，其可以起到改变晶闸管导通角作用，进而控制直流磁通的变化，改变铁芯磁饱和程度实现连续调节等效电抗作用。直流控制电压利用绕组自耦变压后经单相整流回路实现，采用自耦变压方式将工作绕组与控制绕组相结合，简化结构并有效降低损耗。

2.1.2 原理

微电子控制器与磁饱和电抗器共同构成了软启动电路，其中磁控软启动控制中心就是具有较强抗干扰能力的PLC，其可以接收互感器信号，对偏差信号进行PID运算，进而做到无静差控制。利用SCR三相硅整流电路控制直流绕组励磁电流以及铁芯饱和度，进而改变了电抗器电感，平滑改变电机电路启动电压，进而对大功率电机实现恒流磁控软启动。软启动时，相继闭合QS和KM1之后进行软启动，先启动断路器，再启动接触器，之后启动可控电抗器，最后电机启动。这时，磁控电抗器的电抗值很大，启动时通过磁控电抗器整流持续增加铁芯饱和度，降低等效电感值，启动电压无机平滑从最初提升至全压，进而匀速转矩。启动后，接触器旁路真空，与软启动器短接，软启动完成[3]。在转速n邻近nN时，电抗器两边电压下降很小，并不会出现明显二次冲击电波现象。启动时，若是软启动器控制系统一旦发生故障，其能够转化为普通的电抗器软启动模式，该系统若是发生故障，可以通过旁路真空接触器使电机能够直接被启动。

图1 软启动图

图2 弧焊整流器电路图

2.2 弧焊电源应用

饱和电感若是最初的磁导率较高，则饱和度可控，而直流控制电流变化较小会导致磁导率发生大变化，进而使负载工作电流发生大变化，输出功率超过控制功率，具有明显的放大特征，利用该特征，同时改变电抗器联线方式可以使其等效电抗值发生变化，进而对弧焊电源特征进行调整，以此作为恒流源以及恒压源。

（1）线路。内桥反馈控制线路中，主电路包括主变压器、磁变大器和硅整流器、输出电抗构成的，而三相主变压器与磁放大器为一体，变压器各次级绕组贯穿磁放大器铁芯，因此可以用于交流绕组。两并联交流绕组采用导线实现连接，进而达到短路桥式内反馈效用。内桥内反馈三相磁放大器控制电源，其中的磁通和直流控制绕组形成磁通互相重叠，但是6个放大器元件反馈电流形成磁通，基于直流控制绕组出现感应电势为0，直流控制绕组实质是共有的。

（2）原理。利用可控硅整流对直流控制信号进行调整，其电流为0时铁芯并不饱和，导磁率、电抗值很大，电源电压大多数都在电抗器绕组上，负载压降很小。在直流控制电流增大时，铁芯饱和度增大，导磁率下降，电抗值下降，电抗器绕组压降下降，输出负载电压增大，可以用小功率控制大功率。绕组是短接部位[4]。

2.3 变电站应用

我国大部分变电站电容器利用率都比较低，普遍存在投切管理麻烦现象，当前安装了VQC装置尽管能够自动控制变压器有载调压开关以及电容器组、电抗器投切开关，但是极易使电容器组投切动作、有载调压开关动作比较频繁，缩短设备寿命，存在严重的安全问题。基于当前的无功补偿系统使用磁控电抗器，可以提高无功补偿效率、避免投切，起到节能降耗作用，提高电能质量。在变电站内安装磁控电控器能够增加电网暂态稳定性，稳定电网电压。

2.4 高压线路过电压操作限制应用

超高压输电线路在系统空载、轻载或是单向供电时，线路末端因为电容效应导致工频电压上升，基于此与高频振荡重叠后持续各种操作过电压。当前我国一般在线路侧安装高压并联电抗器使沿线电压分布能够改善。因为常规高压并联电抗器容量无法调节，一旦线路传输功率与自然功率相近，线路容性无功及感性无功二者可以自我补偿，系统处于平衡状态，并联电抗器此时提供的感性无功让线路过分可以下降，而在电网中过多无功电流会导致有功损耗增加，影响电网传输效率[5]。对于上述问题，采用磁控电抗器可以解决，这种新型的可控电抗器可以作为超高压可控补偿设备使用，其顺着线路传送效率能够自动平滑调节容量，进而防止过电压。与此同时，与中性点小电抗搭配使用，能够限制由于单相接地故障而导致的潜供电流。在超高压输电线路中应用磁控电抗器具有可行性。

2.5 无功补偿应用

电子供电系统过程中，无功功率补偿装置可以提升电网功率因数，减少变压器和输电线路损耗，优化供电效率和环境。因此，对于供电系统而言，无功功率补偿装置在其中占据重要地位。通过选择合适的补偿装置能够尽量降低网络损耗，提高电网质量。磁控电抗器控制作为一项无功补偿技术，其核心在于磁控电抗器，通过对电抗器工作铁芯磁饱和度进行调节来改变输出容量，进而动态调节无功功率。当前，在电气化铁路中大范围应用磁控式动态无功补偿，此外还可以在配电电网、变频驱动等无功电流补偿以及谐波抑制中应用。当前，我国可控电抗器主要起到优化电网供电质量的作用，这种新型的无功补偿装置是电力系统重点需要解决的技术。

3 磁控电抗器效益

3.1 经济效益

（1）延长设备使用寿命。磁控电抗器可以延长电气设备使用时间，利用开关分组投切电容器在频繁变化负荷的情况下需要实现电容器组投切，因为电容器组在投入运行时过大冲击电流、切除电容器组会出现较高过电压，因此每次投切时会威胁电容器组，导致其使用寿命缩短。电容器组损坏一般不是由于长期运行导致的，更多是由频繁投切造成的，同时电容器组在切除后不可立即投运，需要暂停不低于5min等待安全放电之后才能够投入运行，否则会导致过压冲击，进而引发电容器损坏甚至爆炸。根据动作次数确定投切开关、接触器使用寿命，过多的投切会缩短使用时间；而磁控电抗器可克服上述问题。因此，为了延长设备使用时间，利用磁控电抗器来节省设备投资成本，避免电气设备损坏，保障电气设备和电网运行安全。

（2）实现无级平滑调节。磁控电控器能够实现快速无级平滑调节，规避固定补偿的电抗器过度补偿导致电压质量下降，起到稳定供电电压、提高供电传输效率的作用，降低电网能耗。

（3）减少重复投资，确保长期稳定运行。磁控电抗器使用寿命可以长达30年以上，其稳定运行可以大大降低由于设备更换导致的停电经济损失以及设备更换等相关费用的重复性投资，具有明显的经济效益。

（4）谐波控制及治理。磁控电抗器所产生的谐波量比较小，在谐波量小场所无需加装滤波器，在系统谐波大时可通过加装滤波器抑制系统谐波，可以减少系统对于滤波系统的重复投资，降低制造成本。另外，谐波会导致电气设备出现铁磁谐振，每年会损坏大量电气设备，降低谐波排放量能够大幅度减少这一损失，具有明显的经济效益。

3.2 社会效益

磁控电抗器具有较大的社会效益，一方面，该设备可以确保企业用电电压稳定，降低输电线路功率损耗度，减少发电机能耗，符合国家节能减排政策，成为当前电力部门的主要节能措施之一。另一方面，磁控电抗器原理和结构先进，技术含量高，开发研制该设施能够提高企业市场竞争力。此外，磁控电抗器具有较好的安全稳定性，无需使用机械调节，可以降低电气设备损害，防止电气设备受损后导致停电损失，也能够避免由于电气设备操作不当导致的次生灾害，保障用户安全，降低设备事故发生率，有利于社会安全稳定发展。

4 结语

综上所述，磁控电抗器具有噪音小、损耗低、谐波小、占地面积小、维护简单的特点，随着国家高压、超高压输电建设的不断深入，新能源建设的增长、智能电网的发展以及国家工业化进程的不断推进，出于可靠性、控制灵活性和维护成本的考虑，磁控电抗器将广泛应用于输变电网络、新能源发电、煤矿、电气化铁路等领域，起到补偿线路容性充电功率、降低线路损耗提高功率因数、削弱空载或轻载时长线的容升效应、稳定系统电压的作用，能够优化无功控制策略，减少有功损耗量，具有经济效益和社会效益。