基于磁控电抗器的工业应用与经济社会效益分析

基于磁控电抗器的静态无功补偿装置的 工业应用及项目经济社会效益分析 基于磁控电抗器的静态无功补偿装置的工业应用领域 一、动态无功补偿装置与静态无功补偿装置 目前在工业领域中应用较多的无功补偿装置有两大类，动态无功补偿装置与静态无功补偿装置，动态无功补偿装置目前的主要类型有开关分组投切电容器类动态无功补偿装置、采用自耦变压器调整电容器组端电压改变无功的自耦调压型动态无功补偿装置，静态无功补偿装置主要有晶闸管控制电抗器型静态无功补偿装置（TCR）、磁控电抗器型静态无功补偿装置（MCR），无论是动态无功补偿装置还是静态无功补偿装置，其作用主要为提高电气设备供电电压的稳定性、减小输电线路无功损耗（节能）、保障电气设备稳定可靠地工作，静态无功补偿装置与动态无功补偿装置的主要区别就像采用齿轮变速箱调速与现在的采用变频调速区别一样，动态无功补偿是采用机械设备分级动作，时间非常慢，而静态补偿装置采用电气控制、速度极快。 当前的静态无功补偿装置的两大类的区别在于：晶闸管控制电抗器型静态无功补偿装置（TCR）动作时间非常快，但产生的谐波非常大（必须配备滤波装置）；磁控电抗器型静态无功补偿装置（MCR）动作稍慢，产生的谐波很小（不需要加滤波装置）；晶闸管控制电抗器型静态无功补偿装置（TCR）的安全性较差，而磁控电抗器型静态无功补偿装置（MCR）安全性较高；两者的制造成本相差不多。 二、MCR 与TCR 无功补偿装置装置的比较 由于MCR 具有高度的可靠性及对恶劣环境的极强适应能力，很好地克服了TCR 晶闸管投切的电抗型无功静止补偿装置) 的可靠性偏低、维护工作量大、对环境要求高，以及基建投入大等缺点。磁控电抗器在可行性、效益和损耗方面都优于晶闸管控制电抗器。磁控电抗器避免了晶闸管的串联使用，在晶闸管的串联使用场合，晶闸管损坏率很高。该产品受到了俄罗斯、美国等国家的高度重视。 MCR 与TCR 无功补偿装置的性能比较见表1。 表1 MCR 与TCR 无功补偿装置的性能比较 型式 TCR MCR 最快响应速度 约10 ms 约10 ms 抑制过电压 好 很好 抑制闪变 可以 可以 分相调节 可以 可以 无功输出 连续 连续 感性/ 容性 感性/ 容性 自身谐波 有（约6%） 较小（约3%） 损耗 1. 2～2. 0 0. 8～1. 2 噪声 小 小于75 dB 控制难度 较大 较小 控制灵活性 好 好 线性度 好 好 运行维护 较复杂 简单 成本 较高 较低 可靠性 低 高 占地面积 大 小 环境要求 高 无 电磁污染 重 小

三、磁控电抗器型静态无功补偿装置（MCR）的电路结构 基于磁控电抗器的静态无功补偿装置的电路结构如下图

图中，左边为传统的开关投切电容器组，右边为磁控电抗器本体及其补偿装置控制屏。

四、磁控电抗器型静态无功补偿装置（MCR）的应用领域 A.电气化铁路 基于MCR的SVC装置是电气化铁路牵引变电站实现对负荷的跟踪控制、提高功率因数的最佳方案。由于电气化铁道牵引变电站的负荷具有瞬时性，当电力机车驶过时，负荷突然出现，列车过后，负荷消失，采用传统的开关投切电容器将会出现一个牵引变电所每天出现上百次的开关投切动作，严重地缩短电气设备的使用寿命，并且电气化铁道的不对称造成其负序分量很严重。将基于MCR的SVC装置用于牵引变电站供电的变电站，可有效的减小不对称，降低负序分量，消除电网的安全隐患。 B.煤炭与化工 在我国的煤炭企业中存在大量的提升机等间隙性冲击负荷，不仅无功波动较大而且谐波污染严重，如果不对这些问题进行处理，将会导致电能质量低下且谐波污染严重，并导致功率因数以及谐波超标罚款，采用电容投切时无功补偿装置时会出现两种情况：当无功或功率因数设置过小时虽然能保证这些提升设备工作期间不频繁投切，但会造成此时井下的电气设备供电电压突然降低，影响电气设备及其保护控制设备正常工作；如果无功或功率因数设定值较高，则会出现电容器组频繁投切现象，容易造成电气设备的损坏，影响电气设备的使用寿命。采用MCR型高压动态无功补偿装置是解决这个问题的理想解决方案。 此外，在煤炭与化工企业，由于存在着一些危险因素（如煤井下的瓦斯气体、化工厂的易爆炸性气体），采用传统的开关投切方式由于投切过程中机械动作时产生火花、电容器组受冲击易损坏等诸多因素，使得在这些环境中工作时的安全性降低，而采用磁控电抗器的静态无功补偿装置由于不进行任何的机械操作，可以在危险环境中安全工作20年以上。 C.冶金 冶金系统中的轧机与电弧炉负载是一种及其特殊的负荷，它能够在极短时间（小于1s）内负荷从很小的值变化的非常大的值，并且变化频率很快，这样会造成这些企业内的显示仪表在不停地高速摆动，无法读数，而且其工厂内照明灯不停地闪动，采用传统的电容投切式无功补偿装置无法解决这个问题，采用自耦变压器型动态无功补偿装置也无法解决这个问题，只有采用基于磁控电抗器的静态无功补偿装置或采用TCR型静态无功补偿装置才能解决。基于MCR的SVC装置是冶金系统中的轧机与电弧炉供电系统无功补偿的较为理想选择，MCR快速的响应能力为这些系统提高功率因数，改善电能质量提供了保证，高度的可靠性以及优异的工业性能，为供电系统的安全、可靠运行提供了保障，高的可利用率提高了生产效率、质量和效益，极长的设备使用寿命确保了长远的回报。与传统的用于轧机与电弧炉补偿的其它高压无功补偿装置比起来，MCR型SVC具有可靠性高、基建成本低、占地面积小、维护成本低、设备造价合理等明显的优点。 D.风电场 基于MCR的SVC装置应用于风电场变电站无功的连续、无触点、动态调节，提高系统的功率因数，减少风电场电网接入点与电网的无功交换直至为0，实现系统无功动态平衡，达到风电场接入电网国家标准的要求。滤除谐波电流，使风电场谐波电流和谐波电压达到国标要求。MCR型SVC还可起到抑制电网电压波动，稳定电压的作用，并降低电能质量对风力发电机组的不良影响，当系统发生电压跌落时，快速调整无功输出，促进电压恢复。考虑到风电场地理位置偏僻，运行环境恶劣，维护人员很少等特点，MCR型高压动态无功补偿装置是风电场实现动态无功补偿的理想选择。 E.电力变电站 对于我国大量的变电站而言，电容器利用率低，投切管理麻烦的问题广泛存在，现在安装的大量VQC装置，虽然可以对变压器有载调压开关和电容器组以及电抗器投切开关进行自动控制，但是，很容易导致电容器组投切动作频繁，有载调压开关动作频繁等问题，降低了设备寿命，增加了安全隐患。在现有无功补偿系统的基础上加装MCR，将大大提高无功补偿效果，减少甚至避免投切操作、节能降耗、改善电能质量。在枢纽变电站安装MCR型动态无功补偿装置还可大幅提高电网暂态稳定能力，提高电网电压稳定水平。 F.特殊工业用户 一些纺织企业（如丝绸纺织厂）、显像管制造厂（如安彩），其加工出的产品质量与电网的电压质量要求很高，电压质量突降或瞬间跌落会造成其产品中出现大量的废品，采用MCR型静态无功补偿装置可以在很短时间内改善其电压质量。 基于磁控电抗器的静态无功补偿装置的经济与社会效益分析 基于磁控电抗器的静态无功补偿装置的经济与社会效益分析还主要从其延长电气设备使用寿命、调节速度快且无级平滑调节、安全稳定运行时间长、产生谐波含量很小这几方面来分析。 一、经济效益分析 （1）延长设备使用寿命的经济效益分析 基于磁控电抗器的静态无功补偿装置的特点是延长电气设备的使用寿命，采用开关分组投切电容器的动态无功补偿装置，在负荷变化比较频繁的场合，需要不断地进行电容器组的投切，由于电容器组投入时冲击电流很大、电容器组切除时会产生很高的过电压，故每次投切过程都会对电容器组产生较大的危害，大大地缩短电容器组的使用寿命，工程中的电容器组的损坏绝大部分是投切过程对其损害造成的，而不是长期安全稳定运行时间较长造成的，并且电容器组切除后是不能马上投入运行的，一般需要五分钟以上的安全放电后才能运行，否则过压冲击会出现造成电容器组爆炸的可能性。而进行投切的开关或真空接触器的使用寿命是根据其动作次数来确定的，过度的频繁投切会大大缩短其使用寿命。而采用基于磁控电抗器的静态无功补偿装置由于不进行机械动作，可以克服上述缺陷。 因此，从延长设备使用寿命角度出发，采用基于磁控电抗器的静态无功补偿装置可以每年为国家节约数亿元的设备投资。并且电气设备损坏时还会带来次生的一些危害，如电容爆炸时造成了人员的伤亡或引起了煤矿井下瓦斯气体爆炸，其带来的间接危害损失甚至会高于设备本身损坏的损失。 （2）快速无级平滑调节经济效益分析 基于磁控电抗器的静态无功补偿装置的另一个特点是能够快速无级平滑调节，由于快速无级平滑调节，可以保证供电电压始终在一个设定值的微小波动范围内变化，众所周知，电气设备的最佳工作点在其额定电压附近，电压过高不能长期运行，电压过低会使电机不能带动重负载工作或重载启动，这样会造成企业的产品质量不合格或出现次品，安彩出现的因电压质量突降一次造成了数百万元的经济损失。快速无级平滑调节还可以解决供电电压波动造成的数字及模拟仪表无法正常读数问题，如北京电力设备总厂几年前出现的电弧炉工作时电气试验室必须休息，电气实验室试验时电弧炉必须停止工作的现象就是电压快速波动带来的危害之一。电气化铁道的牵引变电所由于电力机车负荷的随机性与严重不对称，其产生大量的负序电流分量，这些负序电流分量直接进入电网，进而侵入发电厂的发电机组，造成发电机组的轴系扭振甚至损害，而采用基于磁控电抗器的静态无功补偿装置可以解决这个问题。 因此，可以说从快速平滑调节电能质量角度出发，采用基于磁控电抗器的静态无功补偿装置带来的经济效益是无法精确地以节省多少钱或带来多大经济效应来计算的。它为社会带来经济效益的同时，也取得了巨大的社会效益。 （3）长时间安全稳定运行带来的经济效益分析 基于磁控电抗器的静态无功补偿装置的另一个特点是能够长期安全稳定的运行，它的使用寿命与一般的电力变压器和电抗器一样，可以安全稳定运行20年以上而不损坏。而同样为静态无功补偿装置的TCR型静态补偿装置则无此特点，据俄罗斯的一份调查资料数据披露，采用TCR型静态无功补偿装置运行三年后便会出现晶闸管损坏问题，很多设备运行五年后需要更换晶闸管。虽然更换晶闸管的费用可能不是太高，但更换时设备停电带来的损失缺很大，像宝钢、武钢这样的企业，停电一个小时带来的损失可能上亿元。 因此，从减少企业维修与更换设备器件造成的停电损失角度出发，基于磁控电抗器的静态无功补偿装置的长期安全稳定运行带来的经济效益也是非常显著而且是非常大的。 （4）产生谐波量小带来的经济效益分析 设备自身产生的谐波量很小也是基于磁控电抗器的静态无功补偿装置的一个显著特点，由于国家对电气设备产生的谐波有明确的国家标准限制，谐波超标时电力部门会下达整改措施或进行罚款，这样使得TCR型静态无功补偿装置必须加装滤波器才能在现场运行，而在用户设备产生的谐波量较小的场合，基于磁控电抗器的静态无功补偿装置根本不需要加装滤波器，这就大大地减低了磁控电抗器的静态无功补偿装置的制造成本，为企业带来设备制造成本减低的投资。此外，由于谐波是造成电气设备铁磁谐振现象的主要原因，而铁磁谐振每年会造成电力部门大量地电气设备的损坏，减小谐波排放可以减小电力设备因铁磁谐振造成的损失。 （5）为基于磁控电抗器的静态无功补偿装置制造厂家带来的经济效益分析