【专题】磁控电抗器

概述
磁控电抗器(magnetically controlled reactors)全称是磁阀式可控电抗器,简称MCR,是一种容量可调的并联电抗器,主要用于电力系统的无功补偿。
目录
目的和意义
国内外发展状况
应用前景
应用研究
关键词
电抗器 可控电抗器 无功补偿器 变压器 电容器 放大器 软起动器 电动机
目的和意义
根据电机学原理我们可以知道,异步电机的起动转矩与其端电压平方成正比,而异步电动机起动电流则和电压成正比。所以,三相异步电动机直接起动时,由于起动电流很大,会对电网造成较大的冲击,影响电动机及周围负载。而在实际生产中,电动机起动时刻出现的起动电流最高可达电动机额定电流的倍,这样大的电流不仅加重了进线、供电电网以及接在电动机前面的开关电器的负荷,而且同时出现的巨大转矩又会使电动机发生猛烈的冲振,并且也给用作动力传输的辅助设备例如三角皮带、变速机构和做功的机械设备带来不可避免的机械冲击。所以,这种“硬起动”不仅会缩短传动单元和做功机械设备的使用寿命,而且过高的起动电流还会引起供电电网的电压骤然跌落,致使那些对电压敏感的用电设备产生负面的影响。因此,对其实施软起动是有实际意义的。
所谓电机软起动,就是在电动机起动过程中,在电动机主回路串接变频变压器件或分压器件,使电动机端电压从某一设定值自动无级上升至全压,电动机转速平稳上升至全速的一种电动机起动方式。软起动应该有以下两个基本特点一是在整个起动过程中电动机平稳加速,无机械冲击二是尽可能降低起动电流,切换时没有电流冲击。
电机软起动可分为有级和无级两类,前者的调节是分档的,后者的调节是连续的。传统的软起动均是有极的,包括定子串电抗或串电阻起动、Y一△起动、自耦变压器起动、延边三角形起动等方法。所有这些方法都有同样的缺点运行参数不易修改,效率低,并且起动时间长,异步电动机温度上升速度过快,会加速异步电动机绝缘的老化。无级类中的液阻软起动和晶闸管软起动,均是在电动机定子回路串入有限流作用的电力器件实现软起动。液阻软起动虽然造价低廉,不产生高次谐波,但其液阻箱体积大、极板移动慢,很难实现起动方式多样化,定期维护工作量大且不适合置于易结冰或颠簸的现场晶闸管软起动虽然结构紧凑,功能齐全但高压产品的造价太高、晶闸管引起的高次谐波较严重并且对于绕线式异步电动机无所作为。
磁控软起动是从电抗器软起动衍生出来的,用电抗器串在电动机定子侧实现降压是两者的共同点,磁控软起动的主要特点是用可控制的饱和电抗器取代电抗器。在电动机起动过程中,通过反馈自动控制饱和电抗器直流绕组电流,改变铁芯的饱和程度,调节交流绕组的电抗,实现异步电动机恒流软起动。与软起动装置不同,在这里耐高压和流通大电流都由饱和电抗器完成。磁控软起动的技术优势是可靠,便宜,对环境要求不高。
磁控软起动中所应用的磁控电抗器是通过改变铁芯的磁阻大小来实现的。显然,磁阻大,电感小反之,磁阻小,电感大。随着技术的发展,磁控电抗器在电力系统中的应用前景和潜力日益增大,例如可在超高压电网中作调相调压设备,在输电系统中可以抑制系统过电压提高系统稳定性,抑制功率振荡,平衡负载,无功补偿,提高功率因数及抑制谐波。
国内外发展状况
早在年美国学者就已经提出了磁放大器的概念,主要应用于自动化系统中作为控制元件。世纪年代,俄罗斯的科技工作者将磁放大理论引入电力系统中,对饱和式可控电抗器进行了深入的研究。年世界上第一台可控电抗器在英国制造成功。随着年代晶闸管的发展,晶闸管控制电抗器以其控制灵活的特点成为了研究热点。年,原苏联的学者以提出了新型的可控电抗器结构,使直流饱和式可控电抗器有了突破性的进展。近些年来,基于高频控制的可控电抗器也在研究之中。与此同时,一些日本的研究人员提出的基于控制磁通原理正交磁芯的可控电抗器也日趋走向实用。
目前,国内外对可控电抗器的研究主要集中在磁阀式可控电抗器和交流可控电抗器上,俄罗斯学者在这方面进行了深入的研究,取得了显著的进展。俄罗斯的磁阀式可控电抗器己经大面积地推向了市场。国内武汉大学对磁阀式可控电抗器的研究开展得较早,成功地研制出磁阀式动态无功补偿装置和消弧线圈,运行效果良好。国内的电气厂商现在已开始生产基于磁阀式可控电抗器的动态无功补偿装置和消弧线圈。上海交大,华北电力,西安交大等大学对直流可控电抗器进行了研究浙江大学等对交流可控电抗器进行了较为细致的研究。
目前,磁控软起动方面的研究正逐步走向成熟,但是在磁控电抗器的优化设计、磁控软起动系统的软硬件优化设计以及软起动电流的控制方面还有很大的改进空间。磁控软起动器的工作原理与普通电子式、液体电阻等软起动器的原理一样,都是通过降压限流作用,达到软起动的目的。磁控软起动技术更为先进的地方是高压执行气件的优越特性。基本原理是在异步电动机一次回路中串接一个可以自由改变阻抗值大小的饱和电抗器。通过改变饱和电抗器的饱和程度,从而改变饱和电抗器阻抗值大小,使异步电动机的端电压匀速延缓上升到额定电压,降低了起动电流,达到软起动的目的。磁控电动机软起动装置包括高压隔离开关、真空断路器、饱和电抗器。在该装置里,饱和电抗器有个作用,即实现电流反馈和实现高、低压隔离。磁控电抗器的交流绕组串连在电动机的定子回路里,实现电动机的降压或限流。交流绕组阻抗的调节是通过控制铁芯饱和度实现的,铁芯饱和度由直流绕组控制。磁控软起动装置的控制装置接收反馈信号,输出触发脉冲,通过三相全控桥式整流电路为直流绕组供电,实现闭环控制。在软起动临近结束时,交流绕组阻抗值趋于它的最小值,即空心交流绕组的阻抗值。磁控电抗器的应用解决了异步电动机起动中遇到的主要问题,给我们的生产的安全性、经济性带来了保证,但是也存在一些问题如容量较小、反应速度较慢、装置体积庞大等,以上问题还有待研究解决。
应用前景
借助直流控制的铁磁可控电抗器制造工艺简单、成本低廉,对于提高电网的输电能力,调整电网电压,补偿无功功率,以及限制过电压都具有非常大的应用潜力。
在电网中作调相调压设备
可控电抗器由于可做成任何电压等级并入电网,因此具有显著的技术经济性。目前我国缺少的调相容量相当大,今后在更多的地区兴建坑口电站和大型水电站以后,为了改善系统的稳定性能和减少输电损耗,有功电源侧一般很少输出无功,使得受端所需无功必须自行补偿,所以调相容量将更为缺乏。因此可控电抗器将为我国今后解决这个矛盾提供一个很好的途径。
在远距离输电系统中的应用
1.抑制系统过电压
远距离输电线在轻载时,线路末端会产生电压升高现象,假如送端系统较弱,则送端电压也会有所升高。由于特高压系统的绝缘水平只有很少裕度,所以此种稳态工频过电爪就成了安全运行的严重威胁。以往是靠装设固定联接的并联电抗器来吸收过剩无功,以抑制工频过电压。可是固接的大容量并联电抗器带来了以下不良影响增大等效波阻抗,减少自然功率值和线路传输能力在重载输电时,仍需给电抗器提供大量无功,这就要求受端系统增大补偿无功和相应投资因电抗器有持续的有功损耗而增大输电成本。磁阀式可控电抗器能直接接在特高压线路侧,同时发挥同步补偿机和并联电抗器的作用。
讨论了可控电抗器的大幅度限压特性,计算证明可控电抗器的限压能力受控制电压减少的影响甚微,其在全部容量调节范围内均具有大幅度的限压能力。通常人们希望可控电抗器注入系统的谐波量越小越好,而可控电抗器所产生的谐波与所选定的电磁特性参数密切相关。另一方面,可控电抗器暂态功率越大,限压效果应越好,但暂态功率越大的可控电抗器所产生的谐波亦大,所以应进一步分析可控电抗器谐波与限压特性的关系。
磁阀式可控电抗器可以快速、准确、平滑、合理地调节系统的无功功率,满足超高压、长距离输电和冲击性负荷供电要求。通过胆仿真,证明其具有良好的伏安特性和控制特性。
磁阀式可控电抗器在电气化铁路无功补偿应用方面具有可行性和优越性,并利用单片机技术开发出了电抗器控制系统中最关键的控制装置。提出了一种带磁分路的变压器式可控电抗器的静止动态无功补偿器的新模型。在该可控电抗器次级侧设置若干组绕组,每组绕组用反并联晶闸管控制其导通程度,可连续调节可控电抗器的感性无功功率,配合滤波兼补偿的滤波支路,从而实现无功功率的动态补偿。该方法能使可控电抗器产生的谐波电流小,次级侧的电压低,有利于应用电力电子器件的工程实施等。实验表明,设计出的可控电抗器具有良好的动态无功功率补偿性能。
2.提高系统稳定性,增大输电能力
可控电抗器可用于保持母线电压。由于它有快速的动态响应能力(调节时间小于0.3秒),可以在系统受到某种大的扰动发生短路事故、切机、拉开线路、投入重载线路等情况下,自动保持甚至提高端点电压,这就大大有利于系统的稳定运行。
3.抑制系统功率振荡
在系统间的联络线上,当地区系统出现短路、切机、拉开重要线路等重大扰动时,往往产生按系统自然频率波动的功率振荡因为大系统的阻尼相当弱,所以一旦出现振荡后便难以抑制。为了避免此种危害,一般被迫减少联络线的传输功率。磁阀式可控电抗器由于能快速补偿无功,稳定电压,因此它是抑制系统功率振荡的有效设备。
在直流输电中的应用
高压直流输电往往需要解决如下几个重要问题:1.补偿无功(整流站及送变站各需提供直流输电功率的50%-60%的补偿无功)2.调整电压3.抑制过电压,降低绝缘要求。磁阀式可控电抗器配合电容器可解决上述问题。
在有冲击负荷的电力用户和变电站的应用
1.抑制电压闪变
电弧炉,大型轧钢机,加速器,电气机车等都属于大功率无功冲击负荷。其特点是变动周期短,变化速度快。通常用具有快速调节能力的静止补偿器进行补偿,抑制电压闪变,改善电压质量。由于无功冲击负荷的补偿要求快速的补偿装置,常规的可控电抗器达不到要求。研究表明,磁阀式可控电抗器的调节时间可以缩短到一个工频周期内,从而为可控电抗器在抑制电压闪变方面应用打下良好的基础。
2.补偿用户无功,提高功率因数
磁阀式可控电抗器配合电容器组可以大大提高用电企业的功率因数。
3.平衡负载
磁阀式可控电抗器可用来消除负荷的不平衡运行给电网带来的影响,从而使不平衡负荷处的供电电压平衡化。
在谐振接地配电网中的应用
磁阀式可控电抗器作为消弧线圈用于电容电流自动补偿,可以解决补偿电网正常运行时的谐振过电压和单相接地后最佳补偿之间的矛盾,即不需任何附加设备如为增大电网不对称度增加的偏移电容器,为限制中性点位移增设的串连电阻等,使供电可靠性大大增强。
提出将磁阀式可控电抗器用作消弧线圈,提出了单相接地电容电流实时检测方法。由于电抗器本身的优良特性,该补偿方法较好地解决了补偿电网运行时谐振过电压与单相接地后最佳补偿之间的矛盾。用额定电压为磁阀式可控电抗器模型及控制装置进行试验,试验结果表明控制灵活可靠,可自动测量电容参数,不会发生常规消弧线圈在正常运行和异常运行情况下的串联谐振现象。
应用研究
在超高压输电线路中,由于电压高,线路长,并且大多都采用分裂导线,故它所产生的无功功率相当大,线路在实际运行中一般都达不到自然功率。所以500kV及以上的输电线路一般都有多余的无功功率向线路的两端传送。如果不进行电抗补偿,流向电源侧的无功功率可进入发电机,造成发电机调压困难、静态稳定度降低;流向负荷侧的,经变电站主变压器进入低压电网(相对500kV超高压而言),造成无功损耗大、变电站调压困难、供电电压合格率降低等诸多弊端。要控制过多的充电功率不向发电机或低压电网流入,就需要在超高压输电线路的中间或两端安装并联补偿电抗器,将其无功功率就地平衡,不再向线路两端流动。                                       
容量能够平滑调节的磁阀式可控电抗器配合电容器组组成的无功补偿装置,既可以发出感性无功,又可以发出容性无功,并能依靠自动装置实现快速调节,从而可以作为系统的一种动态无功电源。
同时,磁阀式可控电抗器在抑制工频电压升高方面也具有显著的效果。空载线路为容性负载,容性电流在导线电感和电源漏抗上的压降使得线路电压高于电源电势,而且愈靠近空载线路末端,电压愈高。因此,空载长线中的电容效应是产生工频电压升高的主要原因。限制工频电压升高的主要措施是在线路中设置并联电抗器,借以补偿导线电容和削弱长线的电容效应,磁阀式可控电抗器无疑会在抑制工频电压升高中发挥很好的作用。
谐波是影响电能质量的一个重要因素。随着大量的负序、零序和谐波电流注入电网,对电力系统的安全可靠运行和用电设备的正常稳定工作构成威胁,对谐波无功进行滤波和补偿已成为电力电子技术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域中的重要研究课题。使用无源滤波器和有源滤波器来解决无功和谐波问题是应用较多的解决方案。
传统的无源滤波器结构简单、运行费用较低并且既可以补偿谐波也可以补偿无功,在电力系统中广泛应用。但是它也存在许多缺点,比如:滤波器的补偿特性受电网和负载运行参数的影响;LC参数的漂移会导致滤波器偏离谐振状态,滤波效果变差;谐波补偿频带窄,只能消除特定的几次谐波;可能与系统发生谐振,产生谐波的放大;装置笨重,体积大,损耗大等。并且滤波器的LC参数易受外界因素的影响而发生变化。
有源电力滤波器( APF)是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置,它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿,克服了LC滤波器等传统谐波抑制方法的缺点,获得比无源滤波器更好的补偿特性,成为抑制谐波的主要发展方向,但其投资较高,控制复杂。因此,研究一种新型动态自动跟踪调谐滤波装置也就尤为必要。
我们可以用磁阀式可控电抗器代替传统无源滤波器中的电感,通过改变可控电抗器中直流激磁的大小来控制铁心的饱和度以改变其电感值,使滤波器在电容变化后重新回到谐振状态,由于磁阀式可控电抗器的电抗值是可以平滑改变的,这就弥补了传统无源滤波器一旦去选择固定的话只能消除特定次谐波的缺点。
另一方面,在理想情况下,调谐频次的谐波电流将主要通过低值电阻来分流,而很少流入系统中,因而系统中的该次谐波电压大为降低。但实际上,滤波器在运行过程中往往会产生失谐问题,影响到滤波器的滤波效果。失谐问题主要由系统频率偏差、电感值偏差4L和电容值偏差4C引起。由于此时电感是可调的,所以在此只考虑由频率偏差和电容值偏差引起的失谐,这种情况下,可以通过调整磁阀式可控电抗器的直流激磁使其电感由去变为L',使滤波器再次达到谐振,从而实现无源滤波器的自动跟踪调谐。
相对有源滤波器来说,基于可控电抗器的自动跟踪调谐滤波装置价格低廉,控制简单,并且工作可靠,具有很大的实用意义。
磁阀式可控电抗器在异步电动机的软启动方面也具有很大的应用潜力。工业企业中大量使用的机械负荷驱动电机为异步电动机,电动机在启动瞬间,转子电流比正常运行时要大许多倍,因而,功率较大且频繁启动的电动机必然会给系统造成很大的冲击。
基于磁阀式可控电抗器的高压电机软启动实际上是用三相可控电抗器串联在电动机定子侧实现降压启动,调压电路如图1所示。
图1可控电抗器星接调压电路
以可控电抗器构成三相交流调压电路,整个装置能自动根据电动机的负载变化而改变电动机的工作电压,自动调节功率因数,使电动机始终在高效率下运行。特别是在电动机空载、轻载时,可使电动机铁损和铜损大幅度下降,节能效果非常明显。同时,由于可控电抗器可以做成任何电压等级接入超高压、特高压电网,在高压电机的软启动中有着广阔的应用前景。
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相关词汇:低压电器高压电器电子元器件仪器仪表电子电器 
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