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。     

巴西美丽山Ⅱ期直流工程用饱和电抗器铁心损耗优化与特性分析

巴西美丽山II期直流工程在工作频率、换流器拓扑、环境温度等方面与国内直流工程存在较大差异,若直接套用国内工程用饱和电抗器存在铁心损耗大、温升过高等问题。此外,饱和电抗器运行时温度较高一直是影响换流阀可靠性的潜在隐患。因此,亟需开展饱和电抗器的损耗优化研究,保证工程长期运行的可靠性。以巴西直流工程为切入点,开展了饱和电抗器铁心损耗研究,给出了一种通过调整铁心气隙减小铁心损耗的优化方法,分析了损耗降低机理,研制了饱和电抗器样机,结合仿真和试验分析手段,研究了调整电感值后饱和电抗器电气特性,验证了该方法的有效性。该优化方法不会影响饱和电抗器的外部结构和阀塔的整体结构设计,因此具有工程兼容性高、成本低的优点。同时,提供的优化思路不仅适用于巴西直流工程,也为不同直流工程用饱和电抗器的可行性分析提供理论指导,支持特高压直流工程换流阀前期设计以及技术改造。     

±1100kV特高压直流换流阀饱和电抗器样机的失效模式与加速寿命试验方法

饱和电抗器是保护晶闸管的重要设备,其失效将威胁换流阀的安全运行。为提高特高压直流换流阀的可靠性,必须研究饱和电抗器的失效模式及其平均使用寿命。首先,研究了特高压直流换流阀饱和电抗器在额定运行工况下承受的电气和热应力;然后,分析了饱和电抗器在各种应力条件下的失效模式,并且找出了决定饱和电抗器失效的主要应力形式和部件;最后,基于环氧树脂的热加速寿命试验预计了饱和电抗器的平均使用寿命。结果表明:环氧树脂是饱和电抗器的薄弱环节,铁芯发热造成环氧树脂的温升是限制饱和电抗器寿命的主要因素;±1 100 k V换流阀饱和电抗器的平均使用寿命约为48 a,满足国家电网公司对饱和电抗器产品的可靠性要求。     

特高压干式平波电抗器损耗与热点温升计算及试验研究

为综合分析特高压直流输电用干式平波电抗器的损耗与温升,获得其热点位置与热点温升,文中推导了平波电抗器各个包封中直流电流损耗与谐波电流损耗分布的计算方法。针对一台±800 kV/4 000 A特高压干式平波电抗器,分析了加载等效直流电流的温升试验工况下电抗器的损耗分布与实际运行中包含谐波损耗的损耗分布的差异。对温升试验工况下特高压干式平波电抗器的温度场进行了计算,获得其温升分布,通过相应的温升试验,验证了仿真计算结果的可靠性;最后,比较了运行工况与温升试验工况下特高压干式平波电抗器的温升分布的差异。结果表明:简单地应用等效直流温升试验来研究平波电抗器热点温升的方法是不合理的;应该大力研究混频电流的加载,提高温升试验的精确度。     

高压直流输电系统逆变侧阀饱和电抗器电气应力研究

为分析特高压直流输电工程中,逆变侧换流阀饱和电抗器的电气应力及损耗特性,建立了带反向恢复特性晶闸管模型和非线性饱和电抗器模型的高压直流输电逆变侧12脉动换流阀仿真模型。以锦屏—苏南±800kV/4 750 A直流输电工程使用的A5000换流阀为基础,计算了A5000换流阀工作在逆变状态时的电气应力和饱和电抗器损耗。结果表明,逆变侧换流阀承受较高的开通电压,电抗器的开通损耗远高于整流侧。但由于逆变侧换流阀承受较低的关断应力与断态应力,逆变侧的饱和电抗器损耗与整流侧总体相当。A5000换流阀可以在逆变状态下安全运行。     

±1100 kV/5455 A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±1 100 kV/5 455 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。     

高压直流换流阀用饱和电抗器性能研究

随着高压直流输电换流阀自主化的推进,换流阀饱和电抗器逐步实现了国产化并在工程中应用。为了进一步研究换流阀饱和电抗器的性能,文中结合某型式的±500 kV换流阀饱和电抗器,对饱和电抗器的水压耐受能力、直流损耗、饱和特性、温升水平、故障电流耐受能力及冲击电压下的阻抗特性等进行了研究,并将国产和进口饱和电抗器的各项性能进行了对比。结果显示,目前国产饱和电抗器的性能与进口电抗器并无差异,且部分性能指标优于进口电抗器,这既是国内厂家依托工程逐步提高的结果,也表明该型式的国产饱和电抗器的整体性能已达到国际先进水平,研究结果对后续特高压换流阀饱和电抗器的研制具有指导和借鉴意义。     

高压直流输电用阀电抗器铁芯损耗试验研究

换流阀运行时,阀电抗器仅在换流阀开通和关断的暂态过程中承受电压,且交替工作于不饱和、饱和两种状态,因此无法直接引用传统的铁芯损耗计算公式进行铁芯损耗计算,也就无法对阀电抗器的铁芯设计进行校核。基于铁芯损耗发热引起的温升等效原则,在相同的电抗器进水温度和相近的环境温度下,分别设计了高频和工频工况下的铁芯测温试验,根据工频工况下测得的铁芯温升(对环温),并利用高频工况下试验得到的铁芯损耗和铁芯温升(对环温)的关系曲线,得到工频工况下的铁芯损耗实际值,从而对阀电抗器铁芯设计进行校核,确保在换流阀长期运行时不会阀电抗器出现异常发热。     

±800 kV特高压复龙换流站西门子大组件换流阀饱和电抗器陷分析与改造

±800 kV复龙换流站双极四阀组换流器采用西门子技术大组件换流阀,其饱和电抗器结构复杂、可靠性低,运行时冷却管路极易漏水,多次导致阀组闭锁。文中在分析西门子阀电抗器典型缺陷的基础上,结合特高压直流输电工程实际,设计研制了一种西门子换流阀用新型一体式饱和电抗器,并成功应用于复龙站换流阀电抗器改造。试验结果表明：新型饱和电抗器采用的单线圈和单管路设计,既保持了电抗器外部电气性能、冷却水流量特性、安装结构尺寸及重量等基本不变,还显著提高了电抗器冷却水路的可靠性,也降低了运行振动受力及噪声水平,可满足特高压直流工程技术与应用需要;对于提高换流阀设备本质安全、保障直流系统能量可用率具有重要的工程价值。     

换流阀阻尼电容器等效温升试验及寿命评估

阻尼电容器是换流阀内核心元件,有效评估其运行寿命,对换流阀状态评估及阻尼电容器国产化研究具有重要意义。首先,文中结合换流阀阻尼电容器应用原理,提出多频率点等效温升试验方法,通过等效计算阻尼电容器实际工作时的损耗、灵活选择试验时的频率和电流,准确评估阻尼电容器实际运行时内部温度及热阻。然后,综合考虑换流阀阻尼电容器实际运行环境及工作温度,分析寿命影响因子,并在经典寿命预测模型基础上,提出老化试验与曲线拟合相结合的改进寿命预测方法,该方法能够缩短试验时长、节约试验成本。最后,结合实际工程参数分析电容器运行时的内部温升及热阻,进一步在寿命预测试验中评估试品阻尼电容器的预期寿命,所得结果满足特高压直流工程要求。     

特高压直流换流阀非周期触发暂态特性分析

±800 kV/4 750 A特高压直流(ultra high voltage direct current,UHVDC)换流阀通过了型式试验。饱和电抗器是换流阀中晶闸管的串联保护元件,深入研究其电气特性对于提高换流阀的可靠性有重要意义。分析了特高压换流阀在非周期触发工况下,晶闸管开通物理过程及电气应力;分析了饱和电抗器各电气参数、铁芯电感和铁芯等值电阻动态过程对开通应力的影响。研究了饱和电抗器与晶闸管协调配合工作的原则,提出了饱和电抗器电气参数设计方法。仿真结果显示,饱和电抗器在非周期开通过程中起到了很好的保护作用,浪涌电流峰值及电流变化率均在晶闸管耐受范围内。     

±800kV/6250A特高压直流换流阀的研制

随着我国东部地区用电负荷进一步增大,迫切需要开发10000MW以上特高压直流输电技术。针对直流工程核心装备,系统地介绍了6250A/±800k V特高压直流换流阀的研究工作。通过结构参数、电子辐照能量等参量的调整,开发了具有超大通流能力的晶闸管,提出了晶闸管电气特性优化方法。分析了晶闸管关断过冲电压及关断损耗的影响因素,确定了阻尼电阻、阻尼电容值,关断过冲安全情况下使晶闸管关断损耗最优化。建立了饱和电抗器等效电路模型,对优质低损耗铁心的热特性开展了仿真分析,分析结果表明电流大幅提升并未明显提高饱和电抗器铁心损耗及热点温升。建立了流体-固体耦合模型,开展了电接头热特性分析,通过巧妙设计含水路的母排,在有限空间内解决了大电流下电接头发热的问题。最后对研制的6250A/±800k V特高压直流换流阀开展了型式试验,试验结果表明换流阀各项指标优良,完全满足工程应用要求。     

考虑谐波损耗特性的干式平波电抗器热效应模拟与验证

为研究谐波电流损耗特性对特高压干式平波电抗器热效应的影响,文中分析了干式平波电抗器的损耗机理,提出了其包封绕组直流损耗、交流损耗及涡流损耗和结构件涡流损耗的计算方法。通过将电磁损耗密度添加至温度场作为热源,建立了电磁—热多物理场映射关系,较准确地模拟了对流换热过程并实现了温升计算,最后开展了干式平波电抗器温升试验。研究结果表明:采用考虑谐波损耗特性的计算方法,计算值与试验值最大误差为9.1%,平均误差为4.34%,温升分布规律吻合较好,满足工程精度要求,为工程设计人员提供了相应的理论依据。     

HVDC整流侧阀饱和电抗器铁损仿真研究

建立了用以研究直流输送电流对饱和电抗器铁心损耗影响的,包含带反向恢复特性的晶闸管模型与非线性饱和电抗器模型的12脉动高压直流输电换流阀仿真模型,其中饱和电抗器模型是由非线性电阻模型与受控电流源并联构成的。以锦屏—苏南±800 kV/4 750 A高压直流输电工程整流侧使用的A5000换流阀为例,仿真了3组不同直流线路电流条件下饱和电抗器铁心损耗,仿真结果与现场实测数据相符。饱和电抗器的铁损不仅包括换流阀开通时产生的铁损,在换流阀关断以及断态时也会产生铁损。饱和电抗器铁损随直流电流的升高而增加。     

一种方形壳体式新型饱和电抗器研制与工程应用

饱和电抗器作为晶闸管换流阀的核心部件，主要用于抑制电流变化率、在高频电压冲击下分摊硅堆电压以及均衡换流阀电压分布的作用。西门子技术饱和电抗器结构复杂、水路接口多，随运行时间增加，工程中已多次出现漏水、二次电缆磨损、铁心硅钢片脱落、母排发热等问题，严重影响了直流系统安全稳定运行。文中以解决上述问题为目标，提出了一种用于工程改造替换进口电抗器的方形壳体式饱和电抗器设计方案，从饱和电抗器的关键参数设计、结构设计、水路设计和试验4方面，介绍了新型饱和电抗器的技术特点、性能指标和试验情况。该型饱和电抗器已在中国贵广和向上等直流工程中实现进口电抗器的批量替换，性能稳定，运行情况良好。同时也为后续新的高压直流工程换流阀设计提供了一种新的电抗器方案。     

直流输电阀电抗器绝缘耐受试验的研究

通过对阳极饱和电抗器的绝缘耐受试验回路和试验方法进行研究,精确、可靠地对ETT（电触发晶闸管）、LTT（光触发晶闸管）换流阀用阳极饱和电抗器进行了以1次/s的速率持续8 h施加冲击电压的绝缘耐受试验。试验结果为超、特高压直流工程换流阀的设计提供了可靠的计算数据和设计依据,供工程技术人员参考。     

特高压直流输电换流阀运行试验的预期参数

在直流输电工程中换流阀作为核心设备至关重要,目前在特高压直流输电领域针对换流阀的试验标准有待制定,对其特性考核还缺乏依据。特高压直流输电集成了当今世界先进技术,随着特高压直流输电电网在中国的建设,面临大量新的课题和研究工作。为此,依照向家坝-上海、云南-广东特高压直流工程的系统设计,参照现有高压直流输电标准,对换流阀在特高压直流输电系统运行状态下的各种特性、各种运行工况进行分析计算,提出运行试验的预期参数。与±500 kV工程参数进行对比,为特高压直流输电换流阀运行试验系统的建设提供参考。     

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。     

变压器铁芯磁场分布规律研究及温升精确计算

利用有限元分析软件模拟变压器铁芯内部的磁场分布规律,计算出变压器铁芯损耗及温升。通过对比试验值,验证了铁芯损耗及温升仿真的稳定性和准确性。     

±800 kV特高压柔性直流桥臂电抗器设计方法

依据大型干式空心电抗器设计理论,结合±800 kV特高压柔性直流桥臂电抗器运行工况和结构参数,计算得到了桥臂电抗器导线参数和包封分配电流参数。根据导线参数和包封分配电流参数计算结果,反复调试绕制工艺,控制制造工艺偏差,研制了桥臂电抗器样机,并对桥臂电抗器样机开展了分配电流试验验证和温升试验验证。分配电流试验结果表明,各包封分配电流实测值和理论计算值较为吻合,偏差率最大为48.5%,位于第7包封;偏差率最小为7.4%,位于最外层的第14包封。温升试验结果表明,各包封温升较为平衡,平均温升33.6 K、热点温升55.6 K,远小于工程允许值。该特高压柔性直流桥臂电抗器为行业内首次研发,型式试验合格,投运后运行状态良好,取得了良好的工程效果。