换流阀用阳极饱和电抗器温升特性及优化

阳极饱和电抗器(anode saturable reactor,ASR)是换流阀的关键一次设备,其在运行中因电磁损耗引发的温升问题明显并威胁绝缘体热老化。因此,准确分析ASR温升特性并寻求优化方法,对其状态评估、产品设计具有重要意义。为此首先根据发热机理和散热路径建立等效热路模型,定性分析了ASR实际运行中的温升特性;然后,建立ASR三维等效模型,结合瞬态传热原理来设定固体传热和空气对流参数,进一步应用基于湍流和实时混合假设的水冷却简化模型来模拟水冷散热过程,在兼顾准确性和高效性下开展多物理场耦合有限元仿真,定量计算ASR温度的大小变化和空间分布;最后,结合温度分布规律,提出不同截面积铁芯组合的结构优化方案,仿真验证了在电气性能不变前提下,各铁芯之间最大温差减少了原温差的91.7%,环氧树脂的最高温度降低3℃,为ASR的性能校验和参数设计提供借鉴。

±500 kV直流换流阀用饱和电抗器温度场与电场仿真研究

高压直流换流阀饱和电抗器在工作过程中发热量大、电场分布不均匀,使其成为阀厅的安全隐患。为改善饱和电抗器的温升效应,文中以实际±500 kV直流换流阀用饱和电抗器为研究对象,建立了改进的流体场与温度场耦合模型,该仿真模型综合考虑流体传热、空气对流散热、绕组焦耳热和铁心涡流热损耗等实际因素,仿真计算电抗器各部件的温度场分布及其影响因素。现场验证表明该模型计算结果更接近实际工作状况。还建立静电场仿真模型,仿真计算电场畸变情况。温度场结果表明:饱和电抗器的铁心温度最高、环氧树脂次之、冷却水管路温度最低;铁心最高温度可达342 K。提高冷却水入口流速是降低饱和电抗器温度的有效方法,阀塔冷却系统的入水流速设置为1 m/s时可达最佳的冷却效果。环氧树脂、铁心和冷却水管的最高温度均与冷却水入口温度呈线性递增关系,实际工作中应使冷却水的初始温度越低越好。电场结果表明:环氧树脂与铁心交界面处出现明显的电场畸变现象,最大电场强度可达1.26×105 V/m。应在此处采取均压措施以防止电场集中而导致的局部温度过高。文中所得结论可为直流换流阀用饱和电抗器的设计提供参考。

±1100kV/5455A特高压直流换流阀饱和电抗器散热设计与研究

饱和电抗器是换流阀中保护晶闸管的关键部件,运行时饱和电抗器铁心产生的损耗导致铁心温度升高,严重情况下会导致饱和电抗器失效,从而威胁换流阀的安全运行。为降低饱和电抗器铁心温度,确保特高压直流工程可靠性,必须研究铁心散热性能并优化饱和电抗器结构。首先,研究了壳式饱和电抗器内部结构,分析了铁心散热的机理;然后,通过对饱和电抗器内外部结构的优化,为±1100 kV/5455 A特高压直流工程设计开发了一款螺旋结构的饱和电抗器,运行时外壳周围形成多重散热风道,优化了散热效果;最后,基于光纤测温原理,在饱和电抗器样机内部铁心表面预埋测温光纤,并在合成试验平台上对饱和电抗器进行长期连续额定负荷运行工况下的铁心测温试验。结果表明:螺旋式饱和电抗器相比于普通壳式饱和电抗器铁心温度大大降低,满足特高压直流工程对饱和电抗器运行可靠性的要求。

基于参数拟合的饱和电抗器散热模型

换流阀饱和电抗器因其封闭式的结构,铁芯热量难以高效散出。为了掌握电抗器的散热特性,预测实际运行时的温度情况,需要对其散热模型进行准确建模。对饱和电抗器的结构和散热过程进行了分析,建立并简化了铁芯散热的热路平衡方程,其中含有关键的等效热阻参数。基于该方程,提出了利用多次不同工况的试验数据,通过参数拟合获取方程中的等效热阻参数的研究思路,并利用有限元计算工具仿真电抗器散热过程,验证该研究思路。最后,设计搭建了相应的电抗器温升试验平台,利用多组试验数据拟合出了模型中的等效热阻参数。仿真和试验数据显示,拟合结果准确性较高,对铁芯温度进行预测的偏差小,对电抗器运行时温度预测和结构设计均有一定指导意义。

串联型可控饱和电抗器谐波特性分析

可控饱和电抗器在动态无功补偿、电机软启动、小电流接地选线等方面具有广阔的应用前景。针对电工硅钢片的特点,将基本磁化曲线简化为2条具有不同斜率的折线。采用傅里叶级数的分析方法对串联型可控饱和电抗器的谐波特性进行详细分析,获得了其电流谐波特性。通过定义饱和度的概念,推导出了可控饱和电抗器输出电流傅氏系数及总谐波畸变率同饱和度之间的关系。利用Matlab软件建立仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性。最后,对串联型可控饱和电抗器谐波抑制的途径进行了探讨。

基于饱和电抗器结构下的新型直流比较仪原理

在常规的可控饱和电抗器中增加检测绕组和反馈绕组构成一种新型直流比较仪,即它由4个绕组(检测绕组、激励绕组、直流绕组和反馈绕组)、环形磁心以及后续处理电路组成。利用电压源激励磁心,当直流偏磁磁势(即被测电流)不为0时,检测绕组的端电压是正负半波不对称的波形,研究得出,该电压的峰一峰值、总有效值以及正负半波有效值之差均与直流偏磁磁势(或被测电流)有关。利用正负半波有效值之差作为反馈控制的误差信号,并将该电压信号预处理之后,经过电压／电流变换,再由功率放大器扩流,最后送到反馈绕组中形成反方向直流磁势以平衡被测直流磁势,实现"零磁通状态",从而完成直流测量任务。仿真分析和实验结果均表明,该比较仪开环输出特性曲线不会出现虚假平衡点,因而控制可靠,仅含单磁心,结构简单,易于操作。

特高压换流阀阳极饱和电抗器动态铁芯损耗模拟

阳极饱和电抗器作为特高压直流输电关键装备,其铁芯损耗直接影响换流阀的安全运行。以动态铁芯损耗模型为基础,基于有限元法开展电抗器铁芯损耗计算和涡流分析。应用复合B-H传感技术搭建二维磁特性测量装置,测量超薄硅钢片在高磁通密度下的磁化曲线、比总损耗曲线等磁特性参数。基于电磁有限元仿真,建立阳极饱和电抗器铁芯均质化模型,计算实际工况下的损耗功率,分析磁场、损耗、涡流等分布规律。结果表明:换流阀开通和关断的过程中,阳极饱和电抗器在脉冲电流激励下的铁芯损耗远高于正弦激励损耗。由于漏磁场的影响,铁芯的气隙两侧存在较大涡流,沿铁芯带材边缘形成环流,漏磁场损耗主要分布在铁芯表面。通过阳极饱和电抗器温升试验测得其外壳平均温度在实际工况下可达76℃,并由此验证了铁芯损耗计算的正确性。

单磁芯式可控饱和电抗器仿真研究

为研究可控饱和电抗器的开环输出特性,分析了用于直流比较仪中单磁芯式可控饱和电抗器的结构特点、控制原理和输出特性,在该单磁芯的结构中增加了一个检测绕组,利用多项式和双曲线的混合模型对磁芯的BH磁化曲线精确拟合,并基于MATLAB6.5软件建立了仿真模型,试制了样机。仿真和实验表明,该模型可得出有关直流比较仪中单磁芯可控饱和电抗器的开环输出特性,利于研究与设计最佳结构和电磁参数的直流比较仪。

单磁芯饱和电抗器的建模与仿真

为了研究单磁芯饱和电抗器的控制输出特性,在单磁芯结构中增加一个检测绕组。利用多项式和双曲线混合模型拟合了磁芯磁化曲线,基于M ATLAB软件建立仿真模型并制成了电抗器实验装置。当交流激励使饱和电抗器处于饱和状态时,研究检测绕组感应电压峰值、有效值与直流偏磁磁势之间的关系曲线,并绘制控制输出特性。仿真和实验表明,该模型很好地反映了饱和电抗器的控制输出特性,有利于优化饱和电抗器参数,可快速设计实验方案。

单磁芯可控饱和电抗器控制量研究

提出了在常规单磁芯可控饱和电抗器的结构中增加一个检测绕组。当磁芯中存在直流偏磁磁势时,分析检测绕组输出端电压与直流偏磁磁势之间的物理关系。研究得出,当磁芯中存在正偏磁时,检测绕组输出端电压的负峰值与直流偏磁磁势是线性关系;当磁芯中存在负偏磁时,检测绕组输出端电压的正峰值与直流偏磁磁势是线性关系;且检测线圈输出端电压的峰峰值、有效值和正负半波有效值之差与直流偏磁磁势有关但均不是线性关系。试制了样机,实验结果验证了理论分析的正确性。在常规单磁芯可控饱和电抗器的结构中增加检测绕组,是可以研究当有直流偏磁磁势作用时磁芯的工作特性的,并且证明了检测绕组输出端电压的一些特征电压量如峰峰值、有效值和正负半波有效值之差均可以作为反馈控制量。

±1100 kV特高压直流换流阀用饱和电抗器的铁损及温度分布仿真

为了研究饱和电抗器内部铁芯损耗和温度分布规律,首先基于有限元分析法,在ANSYSMaxwell软件中建立了饱和电抗器的仿真模型,在保证计算精度的同时减少计算时间。然后导入5 000 A满负荷工况下的瞬时电流数据进行仿真计算,得到了整流侧换流阀用饱和电抗器铁芯损耗瞬时功率波形和损耗功率密度分布;最后,将铁损密度分布作为温度场分析的载荷,并结合ANSYSWorkbench软件建立了饱和电抗器的电磁热耦合仿真模型,对铁芯的空间温度分布规律进行了仿真。仿真结果表明：靠近气隙和两端处的铁芯损耗高于中间,左侧的铁芯损耗密度高于右侧;铁芯两端温度高,中间温度低;靠近绕组侧的铁芯温度比远离绕组侧的铁芯温度高,最热点温度为107℃。因此,贴近铁芯两端的环氧树脂为运行的绝缘薄弱点,研究结果可以为环氧树脂局部薄弱点的老化绝缘寿命评估和饱和电抗器的散热设计提供参考。

可控饱和电抗器输出特性建模与仿真研究

提出在饱和电抗器的结构中增加一个检测绕组,以直流负偏磁工作状况为例,分析了该饱和电抗器的结构特点、工作原理和输出特性,推导了检测线圈输出端电压峰峰值和有效值与直流偏磁磁势的关系.并基于MATLAB软件中SINMULINK环境建立了一套仿真系统,给出了仿真结果.仿真和实验结果均表明,获得的用于研究饱和电抗器的输出特性的分析和仿真模型是合理的,它对于分析饱和电抗器输出特性和电气参数是有益的.

开关特性饱和电抗器原理及其实验

提出一种开关特性饱和电抗器,它是变压器参数与饱和电抗器性能结合的产物。提出的开关特性饱和电抗器可作为一种交流电路无源开关使用,工作原理简单、可靠,可通过控制电压等级很低的电力电子器件,控制很高电压等级电力系统交流输电回路的开关状态。阐述了这种开关特性饱和电抗器的基本工作原理与基本结构。开关特性饱和电抗器非线性暂态过程的理论分析十分困难;设计制造了220V的实验样机,采用大量实验的方法总结开关特性饱和电抗器变化规律。实验表明,提出的开关特性饱和电抗器原理可行;暂态过程与电流大小有关;在截止过程中,开关特性饱和电抗器具有电流越大暂态过程越短的特性;该特性有利于实现短路电流限制器功能。

换流阀饱和电抗器铁芯硅钢片绝缘耐压分析

饱和电抗器是直流换流阀的关键设备之一,在晶闸管开通和关断过程中,电抗器铁芯硅钢片会感应出较大的涡流电场,直接影响硅钢片绝缘耐电强度的设计。本文基于磁准静态场,推导了铁芯硅钢片叠片之间的耐压计算公式,并通过COMSOL软件进行仿真分析,验证了公式的正确性。本文所推公式对饱和电抗器的铁芯设计具有重要的指导意义。

饱和电抗器特性单片机测试仪研究

介绍一种研究可控饱和电抗器输出特性的单片机测试仪,用于检测并处理可控饱和电抗器中的感应线圈电压波形的平均值、有效值。当交流激励直接让饱和电感处于饱和状态时,研究感应线圈电压与直流偏磁磁势之间的关系曲线,并绘制它的开环输出特性。

饱和电抗器设计与运行特性仿真

针对在需要抑制高压直流换流阀中电流变化率的问题,采用磁路法与数值仿真相结合的方法设计了一款饱和电抗器。建立了数学模型,对测试方案进行了数值仿真,并将试验和仿真结果进行了对比。

自饱和电抗器在大功率电解铝整流中的控制特性分析

从等效电路的角度分析了自饱和电抗器的工作原理,对三相自饱和电抗器二极管整流电路的工作过程及控制特性进行了理论分析,通过仿真验证了理论分析的正确性。

高压电机起动的饱和电抗器设计

介绍高压电机起动用饱和电抗器参数的选择及设计方法,并给出了具体例子。

饱和电抗器LCL补偿感应式无线电能传输系统谐波特性分析

针对LCL-S拓扑补偿的感应式无线电能传输系统,分析其频率分叉特性,获得了次谐振点频率的特点。通过设计感应耦合功率传输(ICPT)系统的参数能够消除频率分叉,提高系统的稳定性。得到了一般固有谐振点工作时,系统的输出功率较次谐振点的输出功率低的结论。为提高ICPT系统的可控能力,提出一种一次侧采用直流可控饱和电抗器的LC复合谐振网络的ICPT电路,基于互感模型和电路理论,详细分析输出电压的特点。以方波脉冲作为系统电源,饱和电抗器产生的高次谐波电流经过补偿网络能够传输到负载,提高系统传输功率。利用有限元软件建立饱和电抗器模型进行仿真,搭建实物样机系统进行实验,仿真结果和实验验证了理论分析的正确性。

换流阀饱和电抗器发热机理与燃烧仿真分析

为研究阀饱和电抗器过热机理及风险,分析了阀电抗器技术特点和工作原理,提出了铁心温升近似计算方法,采用实际运行工况温升试验数据拟合,建立了饱和电抗器铁心温升数学模型。结合故障饱和电抗器测试及解体检查结果,判断制造工艺缺陷会导致运行时铁心热量集中,加速绝缘材料老化。通过饱和电抗器燃烧仿真分析发现阀电抗器火焰、烟气、温度3种指标在电抗器起火100 s内逐渐进入稳态阶段。研究结果表明阀电抗器不易起火,即使在极端工况下起火,断电后其燃烧扩散的速度也较低。