降低变电站无功补偿装置损耗的研究

摘  要：目前，变电站内10 kV线路上出现了磁控电抗器+电容器补偿装置+固定电抗器进行无功补偿、平衡电压的方式。但在实际运行中，磁控电抗器自动投切的模式中出现了谐波含量大、损耗偏高和响应时间长等现象，降低了系统运行的可靠性。因此，应改变磁控电抗器本身相序的排列结构，并结合电抗器的工作原理，达到降低无功补偿装置损耗含量的目的，从而提高设备运行的稳定性。

关键词：无功补偿装置;磁控电抗器;损耗含量;直流磁通回路

中图分类号：TM761+.1          文献标识码：A               文章编号：2095-6835（2014）23-0026-02

目前，电力系统正在提高配网运行的可靠性、功率因数和能源利用率。因此，如何解决10 kV配网中动态无功补偿装置投入时产生的损耗是变电站一直关注的问题。大部分变电站采用了固定电容器串联固定电抗平衡母线电压、实现无功补偿，但是实际效果较差，且自身的损耗造成大部分装置处于热备用状态。采用磁阀式可控电抗器与电容器组配合使用，可解决固定电容器、可投切电容器组容量无法调节或无法连续调节的问题。磁阀式可控电抗器可平滑地调节输出容量，它与电容器配合后，无功从容性到感性连续可调，灵活性高。从磁控电抗器装置的数据看，磁控电抗器运行在半饱和状态和饱和状态时，本身的损耗含量、谐波含量较大，易造成电抗器温度过高，这会造成电网电压不稳定。因此，如何解决磁控电抗器运行时的损耗是无功补偿装置研究中的热点问题。

1  变电站无功补偿的工作原理

当电容器投入时，通过调节磁控电抗器的容量，可实现母线上的无功平衡，并保证功率因数>0.95;当馈线运行结构发生变化时，感性无功增大，此时可切除一组电容组，并调节磁控电抗器的容量，以保证电压平衡。变电站内电抗器和固定电容器的一次原理如图1所示。单相磁控电抗器的内部结构如图2所示。

图1  磁控电抗器与固定电容器的一次接线

图2  可控电抗器的结构和电气连接

从图中2可以看出，磁控电抗器为三相六柱结构，每相一

柱铁芯分裂为每相由两柱铁芯并列，且每个铁芯的绕组又分为上、下2个相同匝数（N/2）的绕组，并将不同铁芯柱上的上、下绕组交叉连接，最后并联至电网电源e（t）=sin（ωt）。为了获得直流偏磁的电源，该结构在同一铁芯的柱上、下绕组中引出了抽头比为δ/2（δ=N2/N，一般取1%～5%）的抽头。当晶闸管导通时，短路对应δ匝数的绕组（控制绕组）。续流二极管VD横跨于交叉端点上，并通过该变晶闸管的导通角，可改变电抗器直流偏磁的大小，即调节电抗器的容量，从而达到动态平滑调节电抗器容量的目的。

2  磁控电抗器的损耗分析

目前，某110 kV变电站10 kV母线并联无功补偿装置（电抗器容量为500 kVar）可控制电抗器运行在额定状态下，实际额定电流为28.7 A，测量损耗为10.75 kW（仪器参数设置的容量为500 kVar，电压为10 kV），损耗达到了2.15%，大大超过了规定的0.99%.电抗器的损耗将导致其铁芯损耗和涡流损耗，投入后还会产生相应的电网损耗。因此，我们在检修状态下分析了电抗器的内部结构，具体如图3所示。

1—铁芯;2—磁阀;3—铁轭;4—A相直流磁通;

5—B相直流磁通;6—C相直流磁通;7—线圈绕组

图3  可控电抗器三相六柱的排列结构

从图3中可以看出，A1，B1，C1三柱电流的方向相同，各自产生的直流磁通的方向也相同;A2，B2，C2的直流磁通方向相同，且与A1，B1，C1相等，但方向相反。A1柱的直流磁通大部分从A2柱流回，两柱之间形成了直流磁通回路，类推B1与B2、C1与C2也会形成同样的直流磁通回路。因此，在A1与B1、B2与C2之间的铁轭与其中一柱的直流磁通相等，而在B1与C1、A2与B2之间的铁轭将与2倍柱的直流磁通相等，在C1与A2两柱之间的铁轭则将流过3倍。这样的设计会增加材料的使用量，并增加加工的复杂程度。若要求铁轭的截面均匀分布，C1与A2之间铁轭的铁耗将是A1与B1两柱间的3倍，B1与C1、A2与B2之间为2倍。但这样的铁轭具有损耗过大的缺点，且各铁轭段上的磁感应强度超过某一值后，磁导率会随其增大而减小，磁阻和直流励磁电流会随其增大而增大，进而增加了负载损耗。

分析后得出，为了使磁通流过铁轭的电流保持平衡，就要改变电抗器的排列顺序，将原来的A1B1C1-A2B2C2改变成A1B2C1-C2B1A2.在电抗器的排列顺序改变后，因B2与C1、C2与B1之间铁轭直流磁通的大小接近，导致相反方向的直流磁通相互抵消，最终接近0.由此可见，因铁轭上的磁感应强度与磁通量成正比例关系，因此，只有A1与B1、C1与C2、B2与A2之间的铁轭磁感应强度与铁芯柱的相同，B2与C1、C2与B1之间的铁轭磁感应强度接近0.这种排列顺序相对于原先的顺序而言，交流磁通的回路没有改变，不会引起电网电压的波动。改变排列顺序后电抗器的内部结构图如图4所示。

1—铁芯;2—磁阀;3—铁轭;4—C相直流磁通;

5—B相直流磁通;6—A相直流磁通;7—线圈绕组

图4  改变后的可控电抗器三相六柱的排列顺序结构图

从图4中可以看出，无论采用任何排列顺序方式，A1与A2、B1与B2、C1与C2会分别流过相同的交流磁通，且三者互差120°。但直流磁通回路得到了改善，缩短了等效磁路，节省了部分材料，且铁轭上的损耗也降低了。

对改进后电抗器的损耗测量进行了对比，通过交叉排列三相六柱，在微机控制晶闸管触发角为0°、电抗器在额定状态运行时，测得的能耗为4.8 kW，比以往降低了5.95 kW，小于总容量的0.99%，达到了预计目标。

3  结束语

本文通过分析磁控电抗器在运行中存在的损耗过大、温度过高等问题，提出了改变电抗器内部排列结构的研究方法。试验证明，改变排列结构能降低电抗器的损耗和谐波含量，同时，不会改变调节范围和调节方式，也不会引发电网电压波动，达到了预期目的。但仅改变电抗器的排列顺序无法从根本上解决10 kV配网的无功补偿问题，因此，如何提高电能的利用率，保证配网的可靠运行仍然是重要的研究课题。

参考文献

[1]王子强.磁阀式可控电抗器磁路结构研究及应用[D].北京：华北电力大学，2010.

[2]高冬梅，袁海文，张永斌.基于分级磁阀结构的三相磁控电抗器谐波抑制研究[J].高压电器，2008（05）.

[3]陈伯超.新型可控饱和电抗器理论及应用[M].武汉：武汉水利电力大学出版社，1999.

[4]陈柏超，陈维贤.磁阀式可控电抗器的数学模型及特性[J].武汉水利电力大学学报，1995，28（03）： 293-298.

[5]周勤勇，郭强，卜广全.可控电抗器在我国超/特高压电网中的应用[J].电机工程学报，2007，27（07）：l-6.

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作者简介：何绍洋（1985—），男，硕士研究生，现工作于河源供电局继保班，从事电力系统设备二次回路的相关工作。

〔编辑：张思楠〕

Reduce the Loss of Transformer Substation Reactive Power Compensation Device

He Shaoyang

Abstract： At present， within the substation appeared on the 10 kV line of magnetic control reactor + + fixed reactor for reactive power compensation capacitor compensation devices， balancing voltage. But in actual operation， the magnetic control reactor automatically cutting patterns in the large harmonic content， loss on the high side and the response time， reduce the reliability of the system is running. Therefore， we should change the sequence of the magnetic control reactor itself arrangement structure， and connecting with the working principle of reactor， reach the purpose of reduce the loss of reactive power compensation device content， so as to improve the stability of equipment operation.

Key words： reactive power compensation device; magnetic control reactor; loss of content; Dc magnetic flux loop

分析后得出，为了使磁通流过铁轭的电流保持平衡，就要改变电抗器的排列顺序，将原来的A1B1C1-A2B2C2改变成A1B2C1-C2B1A2.在电抗器的排列顺序改变后，因B2与C1、C2与B1之间铁轭直流磁通的大小接近，导致相反方向的直流磁通相互抵消，最终接近0.由此可见，因铁轭上的磁感应强度与磁通量成正比例关系，因此，只有A1与B1、C1与C2、B2与A2之间的铁轭磁感应强度与铁芯柱的相同，B2与C1、C2与B1之间的铁轭磁感应强度接近0.这种排列顺序相对于原先的顺序而言，交流磁通的回路没有改变，不会引起电网电压的波动。改变排列顺序后电抗器的内部结构图如图4所示。

1—铁芯;2—磁阀;3—铁轭;4—C相直流磁通;

5—B相直流磁通;6—A相直流磁通;7—线圈绕组

图4  改变后的可控电抗器三相六柱的排列顺序结构图

从图4中可以看出，无论采用任何排列顺序方式，A1与A2、B1与B2、C1与C2会分别流过相同的交流磁通，且三者互差120°。但直流磁通回路得到了改善，缩短了等效磁路，节省了部分材料，且铁轭上的损耗也降低了。

对改进后电抗器的损耗测量进行了对比，通过交叉排列三相六柱，在微机控制晶闸管触发角为0°、电抗器在额定状态运行时，测得的能耗为4.8 kW，比以往降低了5.95 kW，小于总容量的0.99%，达到了预计目标。

3  结束语

本文通过分析磁控电抗器在运行中存在的损耗过大、温度过高等问题，提出了改变电抗器内部排列结构的研究方法。试验证明，改变排列结构能降低电抗器的损耗和谐波含量，同时，不会改变调节范围和调节方式，也不会引发电网电压波动，达到了预期目的。但仅改变电抗器的排列顺序无法从根本上解决10 kV配网的无功补偿问题，因此，如何提高电能的利用率，保证配网的可靠运行仍然是重要的研究课题。

参考文献

[1]王子强.磁阀式可控电抗器磁路结构研究及应用[D].北京：华北电力大学，2010.

[2]高冬梅，袁海文，张永斌.基于分级磁阀结构的三相磁控电抗器谐波抑制研究[J].高压电器，2008（05）.

[3]陈伯超.新型可控饱和电抗器理论及应用[M].武汉：武汉水利电力大学出版社，1999.

[4]陈柏超，陈维贤.磁阀式可控电抗器的数学模型及特性[J].武汉水利电力大学学报，1995，28（03）： 293-298.

[5]周勤勇，郭强，卜广全.可控电抗器在我国超/特高压电网中的应用[J].电机工程学报，2007，27（07）：l-6.

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作者简介：何绍洋（1985—），男，硕士研究生，现工作于河源供电局继保班，从事电力系统设备二次回路的相关工作。

〔编辑：张思楠〕

Reduce the Loss of Transformer Substation Reactive Power Compensation Device

He Shaoyang

Abstract： At present， within the substation appeared on the 10 kV line of magnetic control reactor + + fixed reactor for reactive power compensation capacitor compensation devices， balancing voltage. But in actual operation， the magnetic control reactor automatically cutting patterns in the large harmonic content， loss on the high side and the response time， reduce the reliability of the system is running. Therefore， we should change the sequence of the magnetic control reactor itself arrangement structure， and connecting with the working principle of reactor， reach the purpose of reduce the loss of reactive power compensation device content， so as to improve the stability of equipment operation.

Key words： reactive power compensation device; magnetic control reactor; loss of content; Dc magnetic flux loop

分析后得出，为了使磁通流过铁轭的电流保持平衡，就要改变电抗器的排列顺序，将原来的A1B1C1-A2B2C2改变成A1B2C1-C2B1A2.在电抗器的排列顺序改变后，因B2与C1、C2与B1之间铁轭直流磁通的大小接近，导致相反方向的直流磁通相互抵消，最终接近0.由此可见，因铁轭上的磁感应强度与磁通量成正比例关系，因此，只有A1与B1、C1与C2、B2与A2之间的铁轭磁感应强度与铁芯柱的相同，B2与C1、C2与B1之间的铁轭磁感应强度接近0.这种排列顺序相对于原先的顺序而言，交流磁通的回路没有改变，不会引起电网电压的波动。改变排列顺序后电抗器的内部结构图如图4所示。

1—铁芯;2—磁阀;3—铁轭;4—C相直流磁通;

5—B相直流磁通;6—A相直流磁通;7—线圈绕组

图4  改变后的可控电抗器三相六柱的排列顺序结构图

从图4中可以看出，无论采用任何排列顺序方式，A1与A2、B1与B2、C1与C2会分别流过相同的交流磁通，且三者互差120°。但直流磁通回路得到了改善，缩短了等效磁路，节省了部分材料，且铁轭上的损耗也降低了。

对改进后电抗器的损耗测量进行了对比，通过交叉排列三相六柱，在微机控制晶闸管触发角为0°、电抗器在额定状态运行时，测得的能耗为4.8 kW，比以往降低了5.95 kW，小于总容量的0.99%，达到了预计目标。

3  结束语

本文通过分析磁控电抗器在运行中存在的损耗过大、温度过高等问题，提出了改变电抗器内部排列结构的研究方法。试验证明，改变排列结构能降低电抗器的损耗和谐波含量，同时，不会改变调节范围和调节方式，也不会引发电网电压波动，达到了预期目的。但仅改变电抗器的排列顺序无法从根本上解决10 kV配网的无功补偿问题，因此，如何提高电能的利用率，保证配网的可靠运行仍然是重要的研究课题。

参考文献

[1]王子强.磁阀式可控电抗器磁路结构研究及应用[D].北京：华北电力大学，2010.

[2]高冬梅，袁海文，张永斌.基于分级磁阀结构的三相磁控电抗器谐波抑制研究[J].高压电器，2008（05）.

[3]陈伯超.新型可控饱和电抗器理论及应用[M].武汉：武汉水利电力大学出版社，1999.

[4]陈柏超，陈维贤.磁阀式可控电抗器的数学模型及特性[J].武汉水利电力大学学报，1995，28（03）： 293-298.

[5]周勤勇，郭强，卜广全.可控电抗器在我国超/特高压电网中的应用[J].电机工程学报，2007，27（07）：l-6.

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作者简介：何绍洋（1985—），男，硕士研究生，现工作于河源供电局继保班，从事电力系统设备二次回路的相关工作。

〔编辑：张思楠〕

Reduce the Loss of Transformer Substation Reactive Power Compensation Device

He Shaoyang

Abstract： At present， within the substation appeared on the 10 kV line of magnetic control reactor + + fixed reactor for reactive power compensation capacitor compensation devices， balancing voltage. But in actual operation， the magnetic control reactor automatically cutting patterns in the large harmonic content， loss on the high side and the response time， reduce the reliability of the system is running. Therefore， we should change the sequence of the magnetic control reactor itself arrangement structure， and connecting with the working principle of reactor， reach the purpose of reduce the loss of reactive power compensation device content， so as to improve the stability of equipment operation.

Key words： reactive power compensation device; magnetic control reactor; loss of content; Dc magnetic flux loop