磁控電抗器

磁控電抗器（magnetically controlled reactors)全稱是磁閥式可控電抗器，簡稱MCR，是一種容量可調的並聯電抗器，主要用於電力系統的無功補償。

基本介紹

• 中文名：磁控電抗器
• 由來：電力系統的需求
• 組成：控制部分和電抗器本體
• 作用：無功補償可以調節輸出的無功
• 套用領域：電氣化鐵路、冶金
• 國內發展時間：20世紀90年代初

可控電抗器由來

由於電力系統的需求，可控電抗器一直以來就是一個研究熱點，其中前蘇聯科學家提出的藉助直流控制的磁飽和型可控電抗器得到了推廣和套用。該類電抗器是藉助控制迴路直流控制電流的激磁改變鐵心的磁飽和度，從而達到平滑調節無功輸出的目的。它是在磁放大器的基礎上發展起來的。早在1916年就由美國的E.F.W亞歷山德遜提出了“磁放大器”的報告。到了40年代，隨著高磁感應強度及低損耗的晶粒取向矽鋼帶和高磁導、高矩形係數的坡莫合金材料的出現，將飽和電抗器的理論和套用提高到了一個新水平，1955年世界上第一台可控電抗器在英國製造成功，其額定容量為100MVA，工作電壓為6.6 ~22 。20世紀70年代以來，由於可控矽器件迅速發展及相控電抗器的出現，可控電抗器被打入“冷宮”。隨著電力工業的高速發展，人們對供電質量及可靠性的要求越來越高。由此產生了一系列問題：超(特)高壓大電網的形成及負荷變化加劇，要求大量快速回響的可調無功電源來調整電壓，維持系統無功潮流平衡，減少損耗，提高供電可靠性。20世紀70年代以來發展起來的相控電抗器（TCR）高昂的造價決定了其在電力系統中廣泛套用的不合理性。鑒於上述原因，電力專家們轉而尋求更加經濟和可靠的可調無功補償裝置。

1986年，原蘇聯學者提出了磁閥式可控電抗器的新型結構，從而使得可控電抗器的發展有的突破性進展。新型可控電抗器可以套用於直到1150KV 的任何電壓等級的電網作為連續可調的無功補償裝置，因而可直接接於超高壓線路側，同時發揮同步補償機和並聯電抗器的作用。

磁控電抗器原理

磁控電抗器由控制部分和電抗器本體組成，原理圖(單相)如下。

該電抗器的主鐵芯中間部分是長度為L的小截面段，上下兩個半芯柱上分別對稱地繞有匝數為N/2的繞組；每一鐵芯柱的上（下）繞組有一抽頭比為δ=N2/N的抽頭，它們與各自鐵芯柱的下（上）繞組的首（末）端之間接有晶閘管K1和K2，不同鐵芯的上、下兩個繞組交叉聯接後並至電網，二極體D則橫跨在交叉端點用於續流。當晶閘管K1、K2均不導通時，可控電抗器相當於空載變壓器，容量很小；若在電源電壓的正負半周內輪流觸發導通K1、K2，則可在繞組迴路中產生一定大小的直流偏磁電流，其在兩並聯繞組中自成迴路，不流向外部電路。

磁控調節的原理

該控制電流所產生的直流磁通使工作鐵芯柱飽和，可控電抗器等值容量增大。調節晶閘管觸發延遲角的大小可以改變鐵芯磁飽和度，從而達到控制電抗器容量的目的。

電抗器作用

磁控電抗器用作無功補償可以平滑的調節輸出的無功，比一般的無功補償設備具有更多的作用。

對電網

（1） 提高功率因子，降低網損，可以使功率因子達到0.9-0.99的要求

（2） 阻尼系統振盪，提高阻尼極限，提高輸電線傳輸能力

（3） 提高電網的電壓穩定能力

對用戶

（1） 穩定端點電壓（防止電壓過高或過低），提高變壓器與輸電線以及其他電器設備的壽命。

（2） 消除諧波污染，提高系統安全係數，延長設備壽命，降低系統損耗

（3） 降低異步電機啟動、電弧爐運行等本地電網衝擊，提高系統安全性，對於弱電網尤其如此。

（4） 消除電壓閃變，專門針對閃變設計的算法，將電壓閃變降至最低水平，提高用戶電能質量。

（5） 擴容。在很多場合安裝動態無功補償裝置，可以實現1.2-1.5倍的擴容，大幅節約擴容開支。

（6） 提高功率因子。可以使功率因子達到0.9-0.99的要求，降低網損，降低無功損耗，節省電費開支，適 用於電力系統龐大網損非常嚴重的用戶。

套用領域

電氣化鐵路

基於MCR的SVC裝置是電氣化鐵路牽引變電站實現對負荷的跟蹤控制、提高功率因數的最佳方案。由於電氣化鐵道牽引變電站的負荷具有瞬時性，當電力機車駛過時，負荷突然出現，列車過後，負荷消失，採用傳統的開關投切電容器將會出現一個牽引變電所每天出現上百次的開關投切動作，嚴重地縮短電氣設備的使用壽命，並且電氣化鐵道的不對稱造成其負序分量很嚴重。將基於MCR的SVC裝置用於牽引變電站供電的變電站，可有效的減小不對稱，降低負序分量，消除電網的安全隱患。

煤炭與化工

在我國的煤炭企業中存在大量的提升機等間隙性衝擊負荷，不僅無功波動較大而且諧波污染嚴重，如果不對這些問題進行處理，將會導致電能質量低下且諧波污染嚴重，並導致功率因數以及諧波超標罰款，採用電容投切時無功補償裝置時會出現兩種情況：當無功或功率因數設定過小時雖然能保證這些提升設備工作期間不頻繁投切，但會造成此時井下的電氣設備供電電壓突然降低，影響電氣設備及其保護控制設備正常工作；如果無功或功率因數設定值較高，則會出現電容器組頻繁投切現象，容易造成電氣設備的損壞，影響電氣設備的使用壽命。採用MCR型高壓動態無功補償裝置是解決這個問題的理想解決方案。

此外，在煤炭與化工企業，由於存在著一些危險因素（如煤井下的瓦斯氣體、化工廠的易爆炸性氣體），採用傳統的開關投切方式由於投切過程中機械動作時產生火花、電容器組受衝擊易損壞等諸多因素，使得在這些環境中工作時的安全性降低，而採用磁控電抗器的靜態無功補償裝置由於不進行任何的機械操作，可以在危險環境中安全工作20年以上。

冶金

冶金系統中的軋機與電弧爐負載是一種及其特殊的負荷，它能夠在極短時間（小於1s）內負荷從很小的值變化的非常大的值，並且變化頻率很快，這樣會造成這些企業內的顯示儀表在不停地高速擺動，無法讀數，而且其工廠內照明燈不停地閃動，採用傳統的電容投切式無功補償裝置無法解決這個問題，採用自耦變壓器型動態無功補償裝置也無法解決這個問題，只有採用基於磁控電抗器的靜態無功補償裝置或採用TCR型靜態無功補償裝置才能解決。基於MCR的SVC裝置是冶金系統中的軋機與電弧爐供電系統無功補償的較為理想選擇，MCR快速的回響能力為這些系統提高功率因數，改善電能質量提供了保證，高度的可靠性以及優異的工業性能，為供電系統的安全、可靠運行提供了保障，高的可利用率提高了生產效率、質量和效益，極長的設備使用壽命確保了長遠的回報。與傳統的用於軋機與電弧爐補償的其它高壓無功補償裝置比起來，MCR型SVC具有可靠性高、基建成本低、占地面積小、維護成本低、設備造價合理等明顯的優點。

風電場

基於MCR的SVC裝置套用於風電場變電站無功的連續、無觸點、動態調節，提高系統的功率因數，減少風電場電網接入點與電網的無功交換直至為0，實現系統無功動態平衡，達到風電場接入電網國家標準的要求。濾除諧波電流，使風電場諧波電流和諧波電壓達到國標要求。MCR型SVC還可起到抑制電網電壓波動，穩定電壓的作用，並降低電能質量對風力發電機組的不良影響，當系統發生電壓跌落時，快速調整無功輸出，促進電壓恢復。考慮到風電場地理位置偏僻，運行環境惡劣，維護人員很少等特點，MCR型高壓動態無功補償裝置是風電場實現動態無功補償的理想選擇。

電力變電站

對於我國大量的變電站而言，電容器利用率低，投切管理麻煩的問題廣泛存在，安裝的大量VQC裝置，雖然可以對變壓器有載調壓開關和電容器組以及電抗器投切開關進行自動控制，但是，很容易導致電容器組投切動作頻繁，有載調壓開關動作頻繁等問題，降低了設備壽命，增加了安全隱患。在現有無功補償系統的基礎上加裝MCR，將大大提高無功補償效果，減少甚至避免投切操作、節能降耗、改善電能質量。在樞紐變電站安裝MCR型動態無功補償裝置還可大幅提高電網暫態穩定能力，提高電網電壓穩定水平。

特殊工業用戶

一些紡織企業（如絲綢紡織廠）、顯像管制造廠（如安彩），其加工出的產品質量與電網的電壓質量要求很高，電壓質量突降或瞬間跌落會造成其產品中出現大量的廢品，採用MCR型靜態無功補償裝置可以在很短時間內改善其電壓質量。

國內發展

武漢大學於20世紀90年代初開展了MCR方面的研究，已成功地研究出了套用於配電網的磁閥式補償裝置和消弧線圈，並在幾個電氣化鐵道牽引站中投運（容量在4.5 Mvar以下）。上海交通大學、華北電力大學、浙江大學和華中科技大學也展開了這方面的研究，並獲得了較大進展。中國電力科學研究院聯合瀋陽變壓器廠展開了對超高壓MCR的研究，2006年研製出了500kV三相40Mvar的MCR樣機已通過廠內試驗，2007年4月運抵湖北現場。

近年來，隨著國家發展智慧型電網戰略的提出，對於MCR的需求不斷加大，MCR的發展會更加迅速。