趙國生，俎帥杰

（鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州，450001）

三相磁閥式可控電抗器研究及展望

趙國生，俎帥杰

（鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州，450001）

本文介紹了三相磁控電抗器的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，分析了不同種類的三相磁控電抗器的工作原理和電磁特性，結合其優(yōu)缺點對未來的研究做出展望。

磁閥式可控電抗器；三相；電磁特性

0 引言

無功功率平衡對提高電網(wǎng)的經(jīng)濟效益和改善供電質量至關重要。電力系統(tǒng)在運行過程中，存在著大量的感性和容性負載，以及單相負載和非線性負載。感性和容性負載產生無功電流；單相負載使三相電壓和電流不平衡并產生負序無功電流；非線性負載產生大量諧波，嚴重影響電力系統(tǒng)及用電設備的正常運行。及時對電力系統(tǒng)的無功功率進行補償，不但能夠提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，在增大輸電線路的輸電能力的同時減小線路的損耗，而且能抑制電網(wǎng)的工頻過電壓和功率振蕩。目前，在電力系統(tǒng)中常用的無功補償設備有：靜態(tài)無功補償轉置（SVC），開關投切的電容器（TSC），靜止調相機（STATCON），磁閥式可控電抗器（MCR）[1]。磁閥式可控電抗器利用直流激磁來控制鐵芯的飽和程度，從而控制和改變交流繞組的電感值，對電力系統(tǒng)進行無功功率補償。磁閥式可控電抗器按照相數(shù)可以分為單相磁閥式可控電抗器和三相磁閥式可控電抗器。三相磁閥式可控電抗器在大型電機軟啟動、電力系統(tǒng)過電壓控制和無功補償領域應用廣泛，國內外相關學者對三相磁閥式可控電抗器做出很多研究。本文首先介紹三相磁控電抗器的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，然后分析不同種類的三相磁閥式可控電抗器的工作原理和電磁特性，針對當前的研究進展對其做出展望。

1 三相磁閥式可控電抗器的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀

磁閥式可控電抗器利用控制回路直流的激磁來改變鐵芯的飽和度，從而平滑調節(jié)無功輸出。俄羅斯國立圣彼得堡技術大學的專家首先提出可控電抗器磁閥的概念，并且實現(xiàn)了繞組布置的全新結構設計和樣品研制，使可控電抗器的研究工作得到了突破性的進展。三相磁閥式可控電抗器理論基礎建立在單相磁閥式可控電抗器上。2005年俄羅斯研制成1800Mvar/500kv三相磁控電抗器。2006年沈陽變壓器廠研制的40Mvar/500kv三相MCR樣機（裂芯式）通過廠內實驗[2]。武漢大學于20世紀90年代開始對磁控電抗器進行研究，已成功研究出應用于配電網(wǎng)的磁閥式無功補償裝置和消弧線圈，并在電氣化鐵道牽引站中運行。由三個相同的單相磁閥式可控電抗器并聯(lián)或者按照首尾連接的方式組成的三相磁控電抗器占地面積大，成本較大，一旦其中一相電抗器發(fā)生故障將直接影響三相磁控電抗器的正常運行。三相六柱式磁控電抗器與三個單相組合式三相磁控電抗器相比減少了鐵芯材料的使用，減少了占地面積和制造成本，因而更加經(jīng)濟適用。正交鐵芯三相磁控電抗器將交直流鐵芯磁路分離，通過控制正交鐵芯的直流偏磁場可以間接控制交流磁場[3]。

2 三相磁閥式可控電抗器工作原理及其電磁特性

2.1 三相組合式磁控電抗器

單相磁閥式可控電抗器的電路接線原理圖如圖1（a）所示，三角形接法的三相對稱磁控電抗器接線原理如圖1（b）所示，其將三個相同的單相磁控電抗器按照首位連接的方式組合在一起構成三相磁控電抗器。

由于三個單相磁控電抗器完全相同，下面將針對單相磁控電抗器的工作原理做出說明。

如圖2所示，單相磁閥式可控電抗器的主鐵心分裂為兩半,截面積為A ,每一半鐵心具有截面積較小的一段,四個匝數(shù)為N/2的線圈分別對稱地繞在兩個半鐵心柱上(半鐵心柱上的線圈總匝數(shù)為N,每一半鐵心柱的上下兩繞組各有一抽頭比為δ=N2/N的抽頭,它們之間接有晶閘管KP1(KP2),不同鐵心上的上下兩個繞組交叉連接后,然后并聯(lián)至電網(wǎng)電源,續(xù)流二極管則橫跨在交叉端點上。在整個容量調節(jié)范圍內，只有較小面積段的鐵芯磁路飽和，其余段鐵芯均處于未飽和的線性狀態(tài)，通過改變小截面段磁路的飽和程度來改變電抗器的容量[4]。

圖1 磁控電抗器的原理接線圖

圖2 單相磁閥式可控電抗器的結構電路

由圖一可以看出,若KP1、KP2不導通,根據(jù)繞組結構的對稱性可知,磁閥式可控電抗器相當少一個空載變壓器。假設電源e處于正半周,晶閘管KP1承受正向電壓,KP2承受反向電壓。若KP1被觸發(fā)導通,即a、b兩點等電位,電源e經(jīng)變比為δ的線圈自耦變壓后由匝數(shù)為N2的線圈向電路提供直流控制電壓和電流。容易得出KP1導通時的等效電路如圖3（a）所示。同理,若KP2在電源的負半周導通，即c、d兩點等電位,則可以得出如圖3（b）所示的等效電路。

KP2觸發(fā)導通所產生的控制電流的方向與KP1觸發(fā)導通時所產生的一致,也就是說在電源的一個工頻周期內,晶閘管KP1、KP2的輪流導通起了全波整流的作用，二極管起著續(xù)流作用。改變KP1、KP2的觸發(fā)角便可改變控制電流的大小，從而改變電抗器鐵心的飽和度，以平滑連續(xù)地調節(jié)電抗器的容量。顯然，磁閥式可控電抗器的工作繞組與控制繞組合并為一個，有利于減少損耗、簡化結構。

圖3 晶閘管導通的等值電路圖

2.2 三相六柱式磁控電抗器

文獻【2】首次提出三相六柱式磁控電抗器的結構及其工作原理。其鐵芯結構為三相六柱式鐵芯，每相的主鐵芯由兩個鐵芯柱組成，每柱的鐵芯柱包含一個面積為Ab,長度為l的鐵芯；一個長度為lt面積為Ab1的小截面段，稱為磁閥。每相主鐵芯的兩個鐵芯柱上分別對稱地繞有兩個匝數(shù)為N2的繞組，其中單個半鐵芯柱上的線圈總匝數(shù)為N。每個鐵芯柱的上下兩繞組各有一抽頭比為δ=N2/N的抽頭，它們之間接有可控硅，不同鐵芯柱的上下兩個繞組交叉連接后，并聯(lián)至電網(wǎng)電源，二極管D則橫跨在交叉端點。

圖4 三相六柱式磁閥式可控電抗器結構原理圖

三相的每相的工作原理同單相一樣基于直流偏磁可調，通過改變晶閘管的導通角可以改變直流控制電流的大小，進而改變鐵芯的磁導率，從而使通過其工作繞組的電流發(fā)生改變,最終達到平滑調節(jié)電抗的目的。每相的交流工作繞組產生的交流工作磁通與三相工作繞組中其它兩相交流電流所產生的交流工作磁通在鐵扼上相加為零，所以不需要為交流磁路再提供旁柱鐵芯,所以每相的交流工作繞組產生的交流工作磁通都與通過其它兩相的鐵芯柱形成回路。這樣，相較于三相組合式磁控電抗器，三相六柱式磁控電抗器不但結構簡單，而且節(jié)約材料，經(jīng)濟性更好。

2.3 正交鐵芯三相磁控電抗器

前述兩種三相磁控電抗器的鐵芯柱與磁軛中的交直流磁通相互疊加，在空載時(不加直流控制電流)，其電流波形為間斷的尖峰狀，諧波含量很大，隨著晶閘管觸發(fā)角的減小(直流控制電流增大)，其工作電流波形的導通寬度逐漸變大，諧波電流含量逐漸減小。正交鐵芯可控電抗器由于其交直流鐵芯磁路相分離，控制繞組產生的直流偏磁磁場可以間接控制交流磁場，使電抗器的空載電流接近標準正弦電流波形，諧波含量極小，同時噪音水平也相對較低?；谡淮呕?，在單相正交鐵芯磁控電抗器的基礎上，文獻【3】對傳統(tǒng)的三相六柱式磁閥式可控電抗器進行改進，提出了一種新的三相正交鐵芯磁閥式可控電抗器模型。

圖5 三相正交鐵芯磁閥式可控電抗器結構

正交鐵芯三相磁控電抗器的鐵芯結構為兩個三相三柱式鐵芯前后并列放置，前面三柱鐵芯的左邊柱與后面三柱鐵芯的左邊柱通過側視圖中兩個截面積相等的磁軛構成A相鐵芯柱，兩個鐵芯柱上的繞組結構與晶閘管連接方式與單相四柱磁閥式可控電抗器的中間兩柱連接方式完全相同。同樣的，前后兩個三柱鐵芯的中柱通過它們之間的連接磁軛構成B相鐵芯柱，前后兩個三柱鐵芯的右邊柱鐵芯通過它們之間的連接磁軛構成C相鐵芯柱，B、C兩相繞組結構與連接方式的側視圖與A相相同。直流控制電流產生的磁通沿著圖5側視圖所示的鐵芯回路構成閉合路經(jīng)，而其他兩個鐵芯柱上的交流磁通并不沿該側視圖所示的閉合磁路流過，而是沿正視圖中的閉合鐵芯磁路流通。

三個鐵芯柱產生的交流磁通仍然在正視圖所構成的鐵芯回路中流通，側視圖中的磁軛無交流磁通流過，因此A、B、C三相三個鐵芯柱的交流磁通的瞬時值相加為零，所以磁軛中磁感應強度很小。在三相結構的正交鐵芯磁閥式可控電抗器中，直流控制電流產生的直流控制磁通在每相兩個鐵芯柱的磁軛(圖5側視圖所示)內形成回路，而每相的交流工作繞組產生的交流工作磁通與其它兩相交流電流所產生的交流工作磁通在正視圖所示的磁軛上相加為零，這與傳統(tǒng)的三相磁閥式可控電抗器有一定的區(qū)別。

3 三相磁閥式可控電抗器的優(yōu)缺點比較

與傳統(tǒng)的無功補償裝置相比，三相磁閥式可控電抗器不僅具有容量可連續(xù)平滑調節(jié)、響應速度快、控制靈活、可靠性高等性能，而且還具有造價低、運行維護簡單等顯著的經(jīng)濟性優(yōu)勢；與3個單相組合式的三相磁閥式可控電抗器相比，三相六柱式磁閥式可控電抗器體積占地面積小、鐵心材料使用少、制造成本低、諧波含量小。

三相六柱磁閥式可控電抗器，也有自身的缺陷：電抗器的鐵芯柱與磁軛中的交直流磁通相互疊加，在空載(不加觸發(fā)角)時其電流波形為間斷的尖峰形狀、諧波含量很大，隨著觸發(fā)角的減小，其電流波形的導通寬度逐漸變大，諧波電流成分逐漸減小。針對此缺陷，正交鐵芯三相磁閥式可控電抗器被提出。正交鐵芯三相磁閥式可控電抗器主要利用其交直流鐵芯磁路相分離，通過控制正交鐵芯上的直流偏磁場可以間接控制交流磁場，它的空載電流接近標準正弦電流波形，諧波成分極小。

4 結語

在工程實際中，三相六柱式磁閥式可控電抗器正在逐步取代3個單相組合式磁閥式可控電抗器及傳統(tǒng)無功補償裝。針對三相六柱式磁控電抗器鐵芯柱與磁軛中的交直流磁通相互疊加的缺點，正交鐵芯三相磁控電抗器將交直流鐵芯磁路相分離，通過控制正交鐵芯上的直流偏磁場可以間接控制交流磁場。與此同時，由于磁控電抗器的鐵芯大多采用硅鋼片堆疊而成，正交鐵芯三相磁控電抗器在生產過程中的復雜度要大于三相六柱式磁控電抗器。三相磁閥式可控電抗鐵心柱及磁閥制造復雜、運行中噪音較大及磁閥的磁通極限飽和下引起的發(fā)熱等問題，相關學者陸續(xù)提出的不同的磁閥結構以及非晶合金材料的研究都將進一步給出相應的解決方案。

[1]王子強.磁閥式可控電抗器磁路結構研究及應用[D].華北電力大學（北京）,2010.

[2]劉仁,趙國生,王歡等.三相磁閥式可控電抗器的特性仿真分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,(07): 110-114.

[3]趙國生,程子霞,孫可欽.新型正交鐵芯三相磁控電抗器的研究[J].鄭州大學學報(工學版),2014,(01): 15-19.

[4]陳柏超,田翠華,梁柏華等.單相可控電抗器的一種諧波抑制原理及實現(xiàn)[J].中國電機工程學報,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

趙國生(1965 －) 男，河南南陽人，鄭州大學副教授，主要從事電力電子、濾波器、磁控電抗器等方面的研究。