劉士利,劉慶達,孫 剛,蔡國偉,宋卓然
(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,沈陽 110015)
換流閥飽和電抗器鐵芯硅鋼片絕緣耐壓分析
劉士利1,劉慶達1,孫剛2,蔡國偉1,宋卓然2
(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,沈陽 110015)
摘要:飽和電抗器是直流換流閥的關(guān)鍵設(shè)備之一,在晶閘管開通和關(guān)斷過程中,電抗器鐵芯硅鋼片會感應(yīng)出較大的渦流電場,直接影響硅鋼片絕緣耐電強度的設(shè)計。本文基于磁準靜態(tài)場,推導了鐵芯硅鋼片疊片之間的耐壓計算公式,并通過COMSOL軟件進行仿真分析,驗證了公式的正確性。本文所推公式對飽和電抗器的鐵芯設(shè)計具有重要的指導意義。
關(guān)鍵詞:飽和電抗器;硅鋼片;耐壓;換流閥
我國發(fā)電能源和用電負荷分布極不均衡,西部地區(qū)經(jīng)濟落后,用電需求小,能源資源卻相當豐富;而東部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達,電力需求量大,能源卻最為匱乏;這種能源和負荷中心的分布特點使得跨區(qū)域、大規(guī)模的電能輸送成為必然[1-2]。高壓直流輸電(high voltage direct current,HVDC)以其輸送容量大、輸送距離長、系統(tǒng)穩(wěn)定性強等優(yōu)勢成為大容量、遠距離電能傳輸?shù)淖罴鸭夹g(shù)方案[3-6]。
換流閥實現(xiàn)交直流能量轉(zhuǎn)換,是高壓直流輸電系統(tǒng)的核心裝備之一,通常由飽和電抗器、晶閘管、阻尼電阻、阻尼電容等關(guān)鍵零部件構(gòu)成[7-9]。其中飽和電抗器起關(guān)鍵保護作用[10-13]:(1)晶閘管開通瞬間,飽和電抗器呈現(xiàn)大阻抗,抑制開通浪涌電流的過快增長;(2)晶閘管開通初期,飽和電抗器鐵芯渦流電阻發(fā)揮阻尼作用,阻止高頻振蕩電流的第1波谷電流過零;(3)雷電沖擊下,飽和電抗器承擔大部分電壓應(yīng)力,保護晶閘管安全運行。
飽和電抗器由鐵芯和線圈構(gòu)成,相當于一臺空載變壓器,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,兩個C型鐵芯對接構(gòu)成完整的磁路,其中C型鐵芯由很薄的硅鋼片疊加而成,如2所示。
圖1 飽和電抗器結(jié)構(gòu)示意圖圖2 硅鋼片疊片結(jié)構(gòu)
在晶閘管開通和關(guān)斷過程中,由回路電流激發(fā)的磁場劇烈變化,鐵芯硅鋼片中會感應(yīng)出較大的渦流電場和渦流電動勢,從而使得硅鋼片之間的絕緣承受一定的電壓應(yīng)力,所以兩疊片之間絕緣必須有足夠的絕緣強度,否則將發(fā)生擊穿放電,損壞飽和電抗器,甚至會造成換流閥停運,引起電力傳輸?shù)闹袛啵虼?,研究飽和電抗器鐵芯硅鋼片之間的絕緣耐壓,具有重要的工程意義。本文推導了鐵芯硅鋼片疊片之間的耐壓計算公式,并通過COMSOL軟件仿真驗證了公式的正確性,該公式對飽和電抗器的鐵芯設(shè)計具有一定的指導意義。
1硅鋼片耐壓理論分析
根據(jù)激勵源頻率的不同,時變電磁場可分為高頻電磁場和低頻電磁場,對于低頻電磁場,由于電磁場量隨時間t變化緩慢,在工程計算中通常忽略二次源的影響,即忽略?B/?t或者?D/?t,從而將時變電磁場簡化為電準靜態(tài)場或者磁準靜態(tài)場。變壓器和電抗器鐵芯中的渦流問題即屬于典型的磁準靜態(tài)場,忽略了位移電流的影響,而僅考慮傳導電流,此時磁場和電場分別滿足如下方程
(1)
(2)
式中:H為磁場強度,Jc為傳導電流,B為磁感應(yīng)強度,E為電場強度,D為電位移矢量,ρ為電荷體密度。渦流問題可通過求解上述矢量方程得到解決,為簡化計算也可以引入位函數(shù)進行求解[14]。
高頻下硅鋼片中的渦流電流會出現(xiàn)嚴重的肌膚效應(yīng),大部分渦流電流沿著硅鋼片的外表層流動,如圖3a)所示。為便于分析,忽略電磁波的透入深度,即認為電流僅沿硅鋼片表面流動,從而將渦流體電流Je等效為線電流ie,見圖3b),兩疊片之間的電場如圖3c)所示。
圖3 硅鋼片渦流和電場
假設(shè)單片硅鋼片的渦流電動勢為u1,等效渦流電阻為Re,則渦流等效電路分析模型如圖4a)所示,該電路模型可進一步等效簡化,如圖4b)所示,此時絕緣兩側(cè)承受的電壓應(yīng)力最為嚴酷。
圖4 硅鋼片耐壓計算模型
對于單片硅鋼片,其截面上的感應(yīng)電勢可按下式計算
(3)
式(3)中,S為單片硅鋼片的導磁截面積,Bn為磁通密度在S截面上的法向分量。
設(shè)飽和電抗器線圈的勵磁端電壓為u2,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,u2應(yīng)等于所有硅鋼片產(chǎn)生的感應(yīng)電勢之和,即:
(4)
上式中,n為鐵芯對數(shù),N2為線圈匝數(shù),N1為硅鋼疊片數(shù)。聯(lián)立(3)和(4)可知,單片硅鋼片內(nèi)感應(yīng)電勢u1與線圈端電壓u2的關(guān)系為
(5)
假設(shè)絕緣層厚度為δ,則絕緣層內(nèi)平均電場強度大小為
(6)
2仿真計算
基于COMSOL軟件對飽和電抗器進行仿真分析,模型如圖5所示,為便于分析,設(shè)定鐵芯對數(shù)n= 1,硅鋼片疊片數(shù)N2=2,絕緣層厚度δ=0.01m。
圖5 飽和電抗器仿真模型圖6 鐵芯磁通密度
在線圈中施加電流激勵,鐵芯中的磁通分布如圖6所示,鐵芯的渦流電流分布如圖7所示;單片硅鋼片截面上的渦流電流如圖8所示,計算得到的硅鋼片絕緣中電場強度為0.06 V/m。
圖7 鐵芯感應(yīng)電流密度圖8 硅鋼片渦流分布
將仿真模型參數(shù)帶入公式(6)進行計算,其中u2=1V,N1=1 000,計算結(jié)果如下
(7)
可以看出,公式計算結(jié)果與仿真計算結(jié)果基本相符,從而驗證了公式推導的正確性。
3結(jié)論
本文推導了飽和電抗器鐵芯硅鋼片絕緣的電場計算公式,得出了絕緣層電場強度與鐵芯對數(shù)、硅鋼片疊數(shù)、線圈匝數(shù)、絕緣層厚度及線圈端電壓之間的關(guān)系,并基于COMSOL軟件進行了仿真驗證,公式計算結(jié)果和仿真計算結(jié)果基本一致,從而驗證了所推公式的正確性。本文公式可以指導飽和電抗器的鐵芯設(shè)計,具有重要的工程意義。
參考文獻
[1]湯廣福.2004年國際大電網(wǎng)會議系列報道:高壓直流輸電和電力電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].電力系統(tǒng)自動化,2005,29(7):1-5.
[2]袁清云.特高壓直流輸電技術(shù)現(xiàn)狀及在我國的應(yīng)用前景[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(14):1-3.
[3]張文亮,于永清,李光苑,等.特高壓直流技術(shù)研究[J].中國電機工程學報,2007,27(22):1-7.
[4]劉澤洪,高理迎,余軍.±800kV特高壓直流輸電技術(shù)研究[J].電力建設(shè),2007,28(10):17-23.
[5]張文亮,湯涌,曾南超.多端高壓直流輸電技術(shù)及應(yīng)用前景[J].電網(wǎng)技術(shù),2010,34(9):1-6.
[6]田偉達.直流系統(tǒng)接地故障檢測方法的研究[J].東北電力大學學報,2011,31(1):65-68.
[7]劉士利,魏曉光,曹均正,等.應(yīng)用混合權(quán)函數(shù)邊界元法的特高壓換流閥屏蔽罩表面電場計算[J].中國電機工程學報,2013,33(25):180-186+26.
[8]劉士利,魏曉光,曹均正,等.±1100kV特高壓直流換流閥沖擊電壓試驗能力研究[J].中國電機工程學報,2013,33(28):161-167+24.
[9]孫海峰,劉磊.高壓直流換流站換流系統(tǒng)寬頻建模研究[J].中國電機工程學報,2009,29(12):24-29.
[10] 紀鋒,曹均正,陳鵬,等.HVDC整流側(cè)閥飽和電抗器鐵損仿真研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(10):2680-2684.
[11] 紀鋒,陳鵬,魏曉光,等.HVDC換流閥用飽和電抗器的建模及仿真[J].智能電網(wǎng),2013,40(2): 65-69.
[12] 陳鵬,曹均正,魏曉光,等.高壓直流換流閥用飽和電抗器的暫態(tài)電路仿真模型[J].高電壓技術(shù),2014,40(1):288-293.
[13] 紀鋒,曹均正,陳鵬,等.高壓直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)閥飽和電抗器電氣應(yīng)力研究[J].高電壓技術(shù),2014,40(8):2579-2585.
[14] 潘超,王夢純,楊德友,等.變壓器三維電磁場有限元計算問題的研究[J].東北電力大學學報,2014,34(2):21-25.
Analysis of Voltage Stress on Silicon-steel Sheets of Saturable Reactor for HVDC Converter Valves
LIU Shi-li1,LIU Qing-da1,SUN Gang2,CAI Guo-wei1,SONG Zhuo-ran2
(1.Electrical Engineering College,Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012;2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co.,Ltd,Liaoning Shenyang 110015)
Abstract:Saturable reactor is one of the essential equipments of the DC converter valves.The core silicon-steel sheets will induce high electric field in the process of turning-on and turning-off of the thyristor,which will have a dramatic impact on the voltage stress between the silicon steels-sheets.Based on the quasi-static magnetic field,the calculation formula of withstanding voltage between the silicon steels-sheets is derived,and it is verified by comparing the formula calculation and the simulation result which is obtained by the COMSOL software.The formula proposed in this paper has a guiding significance for the saturable reactor core design.
Key words:Saturable reactor;Silicon-steel sheets;Withstand voltage;Converter valves
中圖分類號:TM41
文獻標識碼:A
文章編號:1005-2992(2015)06-0008-04
作者簡介:劉士利(1981-) ,男,河北省邢臺市人,東北電力大學電氣工程學院副教授,博士,主要研究方向:特高壓直流輸電、電磁場理論及應(yīng)用.
基金項目:東北電力大學博士科研啟動基金項目(BSJXM201301)
收稿日期:2015-09-12