概述

电抗器也叫电感器，一个导体通电时就会在其所占据的一定空间范围产生磁场，所以所有能载流的电导体都有一般意义上的感性。然而通电长直导体的电感较小，所产生的磁场不强，因此实际的电抗器是导线绕成螺线管形式，称空心电抗器；有时为了让这只螺线管具有更大的电感，便在螺线管中插入铁心，称铁心电抗器。电抗分为感抗和容抗，比较科学的归类是感抗器（电感器）和容抗器（电容器）统称为电抗器，然而由于过去先有了电感器，并且被称为电抗器，所以现在人们所说的电容器就是容抗器，而电抗器专指电感器。

 

背景与意义

电能是当今最重要的能源形式,随着我国经济的飞速发展和人民生活水平的迅速提高,对电力的需求也正在高速增长,目前,我国已成为世界第二大电力消耗国。根据我国的国情,发展大电网互联和大容量远距离输电是必然趋势,近年来,超高压、特高压电网在我国很多地区相继投入运行。因此,对电网的安全稳定运行及电能质量提出了更高的要求,电能质量的好坏将直接关系到国民经济的总体效益。提高电网的安全运行水平和电能质量,除电网结构本身要合理外,还必须要有先进的调节控制手段。特高压或超高压大电网的形成及负荷变化加剧,要求大量可调的无功功率源以调整电压,维持系统无功潮流平衡,减少损耗,提高供电可靠性。

传统的无功功率补偿装置有同步调相机、并联电容器、静止无功发生器和并联电抗器等。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率,对变化的无功功率也能进行动态补偿,但是由于同步调相机是旋转电机,因其损耗和噪音都较大,运行维护复杂,而且响应速度慢,在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求,目前应用很少。并联电容器与同步调相机相比,调节效果相近,成本较低,但由于受电容器分组数量的限制,无功补偿只能实现有级调整,更多地与电抗器或电阻器一起应用在电力系统中,作为某次谐波的无功补偿和滤波装置。静止无功发生器是一种现代电力电子无功补偿装置,它既可以发出无功功率,又可以吸收无功功率,但其只能补偿无功功率,功能较为单一。并联电抗器是目前我国在特高压或超高压长距离输电系统中普遍采用的无功功率补偿装置,并联电抗器的结构十分复杂,价格要比同级功率的电力变压器高得多,且其容量不能做成连续可调,即不能对无功功率进行自动连续平滑调节。因此上述各种无功功率补偿装置都不能很好地满足特高压或超高压远距离输电网无功平衡的需要。

可控电抗器是一种特殊的特高压或超高压并联电抗器,它能够随着传输功率的变化而自动平滑地调节本身的容量。但早期的可控电抗器因其调节速度慢、损耗较大及其他无功补偿装置的迅速发展等原因并没有受到人们的重视。1986年,原苏联科学家АМБранцев提出了可控电抗器的一种新型结构,从而使可控电抗器的发展有了突破性进展。新型可控电抗器可直接用于直到1150V的任何电压等级的电网作为连续可调的无功补偿装置,因而可直接连接于特高压或超高压线路侧,同时发挥同步补偿机和并联电抗器的作用。可控电抗器在电力系统中,特别是特高压或超高压电力系统中的应用前景和潜力是十分广阔的。

并联电抗器补偿装置的缺陷

当前,在电力系统中应用最为广泛的无功补偿装置是并联补偿设备,它包括并联电容器、并联饱和电抗器-、晶闸管控制投切电抗器和晶闸管投切电容器等。在超高压、长距离输电系统中,我国目前普遍采用超高压并联电抗器。

并联电抗器的结构十分复杂,价格要比同功率级的电力变压器高得多,且其容量不能做成连续可调。我们知道,特高压或超高压线路的最大传输功率通常接近于线路的自然功率。当传输小功率时例如在水电站的枯水季节,并联电抗器起到充分补偿线路容性无功的作用。但是,当传输功率接近于自然功率时,线路中的容性和感性恰好自我补偿,并联电抗器就将成为多余的装置,它不仅使得线路电压过分降低,且其无功电流会在电网中造成附加的有功损耗,也就降低了电网的经济效益。故在传输大功率时,特高压或超高压并联电抗器应该从线路中切除。然而,如果此时发生线路的故障切除和重合闸,并在此过程中造成短时间的单向供电方式,那么空载线路会因失去补偿而产生不能容许的工频和操作过电压,这是常规电抗器的固有缺点。随着电力工业的飞速发展,特高压或超高压电网相继投入运行,人们对电网的安全稳定运行及电能质量提出了更高的要求。特高压或超高压大电网的形成及负荷变化加剧,要求大量可调的无功功率源以调整电压,维持系统无功潮流平衡,减少损耗,提高供电可靠性。因此,在特高压或超高压、远距离输电系统中,普通并联电抗器由于功率不能自动连续平滑调节,不能很好地满足特高压或超高压、远距离输电网无功平衡的需要。

可控电抗器在特高压或超高压输电中的地位

基于上述原因,专家们纷纷转而寻求更加经济和可靠的无功补偿装置。

1986年,原苏联科学家АМБранцев提出了可控电抗器的一种新型结构,从而使可控电抗器的发展有了突破性进展。

可控电抗器是一种特殊的特高压或超高压并联电抗器,它不仅能随着传输功率的变化而自动平滑地调节本身的容量,而且当并联电抗器在小容量的范围运行时线路传输大功率,一旦发生暂态过程,它会急剧地增大容量而呈现出深度的强补效应,即仍能起到降低操作过电压的作用。数值计算表明,在瞬间过电压作用下,某些形式的可控电抗器的强补倍数相当于补偿度达到十倍以上,而且能持续几十个工频周期，这就使得长线中的强制(工频)电压分量在此持续时间内降低到极低数值，操作过电压也就被大幅度地抑制下来。在特高压或超高压长线中，可控电抗器可轻易地将操作过电压限制至2倍以下，因而可以取代现有的常规限压措施。可控电抗器能在短时间内从空载调节到额定值，在特高压或超高压、远距离输电网中广泛使用能显著减少线路空载(轻载)损耗，提高电网可靠性和优化电网运行状况。

另外，可控电抗器还可在中点绝缘系统中(U_N <_ 72. 5KV)用作消弧线圈。随着配电网的迅速发展，系统运行方式的多变，采用固定消弧线圈的补偿方式已不能适应要求。因此近几年来自动调谐补偿技术的研究和应用得到了广泛的重视。应用可控电抗器原理制作的可调消弧线圈具有结构简单、伏安特性好、谐波小、可靠性高、响应速度快等一系列优点，可利用调谐原理快速寻找接地故障点。

可控电抗器制造工艺简单、成本低廉,因此对于提高电网的输电能力、调节电网电压、补偿无功功率以及限制操作过电压,可控电抗器都具有广阔和巨大的应用潜力。

可控电抗器的功能与应用范围

在特高压或超高压、大容量的电网中，须安装一定容量的无功补偿装置(包括并联电抗器和静止无功补偿器)，其主要目的一是补偿容性充电功率，二是在轻负荷时吸收无功功率，控制无功潮流，稳定网络的运行电压。理论研究和实践证明，调节电抗对于提高电力系统运行性能有显著作用，特别是可控电抗器的应用，其容量随跟踪传输功率的大小而自动变化，防止了线路一侧开关切合所产生的过高的工频操作过电压及相应的暂态振荡过电压，从而可减少电网损耗、提高供电质量，带来巨大的经济效益和社会效益。

可控电抗器在电力系统中的应用前景是十分广阔和巨大的，它的功能及应用范围如下：

1.在特高压或超高压电网中用作调相调压设备

可控电抗器可做成任意电压等级直接接入特高压或超高压电网，因此具有显著的技术、经济性。目前，我国电网缺少的调相容量相当大，今后随着更多的大型水电站的投运，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送出无功，受电端所需无功功率必须自行补偿，所以调相容量将更加缺乏。因此可控电抗器将为我国今后解决这个矛盾提供了一个理想的途径。

2.抑制系统过电压

在电网正常运行时，可控电抗器容量可根据线路传输的功率自动平滑调节，以稳定其电压水平。在线路传输大功率时，若出现末端三相跳闸甩负荷工况，处于接近空载状态的可控电抗器可通过快速励磁系统迅速将电抗器容量调整到所需值，以抑制工频过电压。可控电抗器除了可抑制工频过电压外，还能大幅度地抑制因线路开关操作而产生的操作过电压，从而可望取代现有的限压装置(如合闸并联电阻等)。

3.消除发电机自励磁

发电机带空载线路运行时，有可能产生自励磁。可控电抗器的自动平滑补偿作用，能有效地消除产生自励磁的条件和现象。

4.限制操作过电压

由于可控电抗器的补偿作用，空载线路的工频电压得以抑制，从而降低了系统的操作过电压水平。特别是裂芯式可控电抗器具有容量无惯性强制增长的特性，可大幅度限制线路计划性合闸、重合闸、故障解列等操作过电压，其过电压水平不超过额定电压的1.6倍。同样地，采用调磁路式可控电抗器补偿方案也是一种经济合理的途径。

5.线路容性功率补偿

对于500kV及以上特高压或超高压线路，当传输自然功率时，其容性和感性无功自我补偿，应将可控电抗器容量调至空载(接近零);相反，在线路空载或轻载时，可控电抗器容量应增至额定值，以充分吸收线路的剩余容性无功，避免空载或轻载长线终端的容升。特高压或超高压可控电抗器可快速灵活地平滑调节自身无功出力，是特高压或超高压电网理想的无功补偿设备。

6.潜供电流抑制

降低线路单相接地时的潜供电流以提高单相重合闸的成功率是改善系统可靠性和稳定性的一个重要环节。模拟实验和理论分析表明，可控电抗器配合中性点小电抗和一定的控制方式，可大大减小线路单相接地时的潜供电流，有效地促使电弧熄灭。

7.限制短路电流和平波

串联在电力系统中的高温超导故障电流限制器(High  Temperature  Super-Conducting Fault Current Limner-HTSCFCR)具有超导时无电抗、出现短路电流后失去超导作用而呈阻性或感性的特征。晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor-TCR)，正常时电流由晶闸管导通，电抗器被短接，一次侧阻抗很小;当一次侧流过短路电流时晶闸管开断接入可控或非可控电抗器，则可加大一次阻抗，从而大幅度地限制短路电流。同时，平波电抗器可以使整流后的脉波电流接近直流，具有优良的平波功能。

8.用作消弧线圈

应用可控电抗器原理制作的可调消弧线圈具有可靠性高、响应速度快、谐波小等一系列优点，可快速准确寻找故障点，提高供电可靠性。

9.在直流输电系统中的应用

高压直流输电往往要解决如下几个重要问题:(a)补偿无功;(b)调整电压;(c)抑制过电压，降低绝缘要求。可控电抗器配合电容器可解决上述问题。

10.可控电抗器在有冲击负荷的电力用户和变电站应用可达到的效果

(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。研究表明，可控电抗器的调节时间可以缩短到一个工频周期以内，从而在抑制电压闪变方面的应用有良好基础。

(2)补偿用户无功，提高功率因数: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。避免用户因功率因数低而承受的罚款损失。

(3)平衡负荷: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。

可控电抗器的分类

可控电抗器在电网中调节无功是通过改变其电感值实现的，根据电路原理，铁芯式电抗器的自感L为:

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式中μ为铁磁材料的导磁率;N为电抗器绕组的匝数;A为铁芯截面积;σ为磁路的气隙长度。

从式可知，可控电抗器的电感值可以通过调节上述几个参量而改变，据此，可控电抗器可以分为以下几种类型。

调磁路式可控电抗器

由式可知,改变电抗器铁磁材料的导磁率μ,可以改变电抗器的电抗值。这种形式的可控电抗器是借助控制回路直流控制电流的激磁改变铁芯的磁饱和度（即工作点）以调节电抗器绕组的电感值。同时,这种形式的可控电抗器的铁芯结构中可以不设气隙,工艺简单,制造方便,更多地在世界各国电力系统中得到采用,是最有发展潜力的可控电抗器之一。调磁路式可控电抗器又可分为磁阀式和裂芯式两种。

充分利用电力电子技术和微机控制技术开发成功的铁芯式可控电抗器有直流助磁式可控饱和型、自饱和磁阀式及裂芯式晶闸管控制型等形式的电抗器。

调电路式可控电抗器

从式可以发现,改变电抗器绕组的匝数N是一种最有效的改变电感的方法,匝数的很小改变可导致电抗值较大的改变,这种方法可用于调节线路的最大无功功率和最高电压。随着电力电子技术的飞速发展,通过改变晶闸管的导通角,从而改变线路的电流,等效调节电抗器绕组匝数,即调节电抗器等效电感,这就是所描述的调电路式可控电抗器的基本原理。

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图1无功功率QlQ₀与电抗器匝数N丨N₀的关系曲线

工程实际中，利用变压器的有载调压分接开关来改变匝数，从而调节无功功率。电抗器部分绕组的联接和切断过程与变压器的基本相同，不同之处在于变压器的分接开关仅改变绕组比，而电抗器的无功功率受绕组匝数比的影响很大。如果忽略绕组区域内漏磁通的影响，无功功率在恒定电压下将间接与匝数平方成正比。这就意味着在相等匝数下功率随断开级数的上升而上升。如图1所示，无功功率标么值从1.0到0.4 p.u.，相应的匝数范围从N₀到16 N₀(N₀为对应额定无功功率时的绕组匝数)。通过调节不同级的不等匝数，可以近似获得相等的无功功率。

另一种调电路式可控电抗器是晶闸管控制变压器型(Thyristor Controlled Transformer Type-TCT)电抗器。如图1.2所示，其中高压工作绕组1和低压控制绕组2之间的阻抗电压为100%，K为双向晶闸管，改变它们的导通角，可使电抗器在极小的励磁容量到全容量之间平滑变动，电抗值可在开路电抗与短路电抗间连续调节。绕组2的电压很低，故晶闸管的选择比较容易。图2中绕组3为补偿绕组，它与其他两相的相应绕组接成三角形，以便为3及3的奇数倍次谐波电流提供通道而不使其注入电网。这种电抗器的特点是其响应时间极短，只有0.01s，可在特高压或超高压电网中成功应用。但由于必须采用滤波装置，且损耗很大(达到2%）故其使用范围受到一定的限制。

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图2  TCT型可控电抗器接线图

调气隙式可控电抗器

图3为用作连续调节式消弧线圈的调气隙式可控电抗器结构简图。中心部分的铁芯柱呈圆柱形，分割为上、下两部分。用电机带动传动轴来控制其上、下运动，从而调整磁路的气隙尺寸，导致铁芯内的磁通改变，达到连续改变消弧线圈电抗值的目的，同时使调节范围也大为增加。铁扼呈放射状布置在圆柱形铁芯的四周。

调气隙式可控电抗器目前主要用作消弧线圈，由于它不需要象“TCT"那样切换分接抽头，所以不会在油箱内产生电弧，造成油的污染，使运行维护大大简化，且整个外形尺寸小。

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图3动铁芯式可调电抗器结构简图

超导型可控电抗器

它是利用超导体的超导态(S)/正常态(N)转变特性。线路正常时，超导体处于超导态，具有零电阻和完全排磁通效应(迈斯纳效应)，装置阻抗很低;在发生短路故障时，它转为正常态，具有一定的电阻，失去完全排磁通效应，使装置阻抗迅速增大以限制短路电流。

超导型可控电抗器(Super-Conducting Type Controlled Reactor-SCTCR)同样也有饱和铁芯电抗器型、磁通锁型、变压器型、三相电抗器型、混合型、磁屏蔽感应型以及桥路型等结构形式。SCTCR集检测、转换和限流于一体，响应速度快，且具有自恢复功能，与其它装置相比具有无可比拟的优越性，是一种理想的限流装置，具有广阔的应用前景。但由于受到超导体材料和制造工艺的限制，这种形式的可控电抗器仍停留在研究室，没有真正在电力系统中应用。

参考文献：

1.何仰赞，温增银，汪馥瑛.电力系统分析.武汉:华中理工大学出版社，1996,25-27

2.刘振亚.特高压交流输电技术研究成果专辑(2005年).北京:中国电力出版社，2006,6一9

3.陈柏超.新型可控饱和电抗器理论及应用.武汉:武汉水利电力大学出版社，1999,35一37

4.舒印彪.1000kV交流特高压输电技术的研究与应用.电网技术，2005,29(19):1一6

5.陈亮.超高压输电在输变电工程中的应用探讨.西安交通大学学报自然科学版，2001,20(4):26一30

6.彭铃.特高压输电在我国的应用前景.水电能源科学，1998,16(3):68-72

7.万启发.二十一世纪我国的特高压输电.高电压工程，2000,26(6):12-13

中国高压电器网 http://www.zgdqjy.com/sell/list.php?catid=3439

中国低压电器网 http://www.zgdqjy.com/sell/list.php?catid=3365

中国仪器仪表网 http://www.zgdqjy.com/sell/list.php?catid=3452

中国建筑工程电器网 http://www.zgdqjy.com/sell/list.php?catid=3474