高壓直流換流閥飽和電抗器基本原理研究

艾亮

摘? ?要：隨著高壓直流輸電系統(tǒng)的不斷完善，高壓直流換流閥得到了不斷的發(fā)展，國內(nèi)的換流閥飽和電抗器發(fā)展也逐漸實現(xiàn)了自主研發(fā)和國產(chǎn)化。要進行換流閥飽和電抗器的性能研究，就需要結(jié)合實際案例分別對飽和電抗器的水壓耐受能力、直流損耗以及飽和特性等進行研究，尤其是針對國內(nèi)換流閥飽和電抗器的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀進行探討。文章將進行高壓直流換流閥飽和電抗器基本原理研究，以期能夠為自主化換流閥的整體水平提高提供參考。

關(guān)鍵詞：高壓直流;換流閥;飽和電抗器;原理

高壓直流換流閥在高壓直流輸電工程中扮演著重要角色，換流閥的制造水平和質(zhì)量是直流輸電系統(tǒng)的重要保障，決定著直流輸電系統(tǒng)的安全運行，是國際電力設(shè)備發(fā)展水平的重要體現(xiàn)。飽和電抗器是換流閥的重要組成部分，承擔著同流的作用，在換流閥設(shè)備制造中占據(jù)了很大一部分。在國際飽和電抗器的技術(shù)發(fā)展過程中，外商技術(shù)一直處于壟斷地位，雖然我國的高壓直流換流閥設(shè)備研究不斷深入，但是大多數(shù)的飽和電抗器還是采用外商的產(chǎn)品。國內(nèi)在生產(chǎn)和使用過程中，通過技術(shù)引進ABB和西門子等技術(shù)，實現(xiàn)了技術(shù)合作并且逐漸掌握了（±500） kV/（±800） kV直流輸電工程的換流閥及其關(guān)鍵件的設(shè)計、制造技術(shù)，在研究和開發(fā)過程中我國的高壓直流工程換流閥飽和電抗器產(chǎn)品也逐漸被投產(chǎn)使用。

1? ? 飽和電抗器原理及特點

1.1? 飽和電抗器原理

高壓直流輸電換流閥在高壓直流輸電過程中保證直流交換，主要包括飽和電抗器、晶閘管和阻尼電容等多元器件，而飽和電抗器是直流輸電換流閥的核心部件。從電抗器的構(gòu)造來看，其構(gòu)造和變壓器的構(gòu)造有很多相同的地方，主要構(gòu)造是鐵芯和線圈，結(jié)構(gòu)相對簡單。其工作特性符合鐵磁質(zhì)磁化曲線和非特性曲線，工作過程中會在電抗器內(nèi)部形成完整磁通路，主要部件包括C型鐵芯、線圈、散熱器、端子構(gòu)成，而鐵芯的主要組成部分是薄硅鋼片。圖1為電抗器實物及簡化示意。

1.2? 飽和電抗器的作用及特點

換流閥飽和電抗器在使用過程中，需要和硅碓串聯(lián)使用，電流應(yīng)力的大小和晶閘管的相同，主要起保護晶閘管的作用，而且能夠限制晶閘管開通時的電流上升率。

換流閥使用飽和電抗器之后，能夠提高換流閥的通流能力，加快換流閥的冷卻速度，所以在冷卻方式上通常采用直接冷卻的方式。所以，要進行飽和電抗器的設(shè)計，還需要綜合換流閥的整體技術(shù)路線。

1.3? 飽和電抗器的水壓耐受能力分析

正如上文所提，換流閥飽和電抗器采用的冷卻方式是直接冷卻，所以要保證其具有很好的水壓耐受能力。因此，在飽和電抗器水壓耐受能力的設(shè)計過程中，要充分考慮工程換流閥水路運行的水壓壓強，保證能夠在使用中承受住1.5倍的壓力。

較大的水壓設(shè)計裕度能夠在換流閥飽和電抗器的使用過程中，保證其具有很好的耐受特性，滿足直流工程的運行要求。當然，在我國的飽和電壓器研制過程中，初期的換流閥飽和電抗器的水壓耐受特性研究一直是國內(nèi)研究的重難點，但是隨著近些年研究的不斷深入，國內(nèi)的飽和電抗器的水路零部件研發(fā)技術(shù)不斷深入和完善，目前國內(nèi)的制造水平也得到了不斷地提高，其生產(chǎn)已經(jīng)達到了國際水平。

2? ? 飽和電抗器的特性分析

2.1? 伏安特性

飽和電抗器在工作中的重要特性就是伏安特性（曲線見圖2），特性曲線的橫坐標是磁場強度，縱坐標是磁感應(yīng)強度。其中，交流電流的有效值就是磁場強度，交流電壓的有效值用磁感應(yīng)強度表示，因此，伏安特性曲線也被稱作交直流同時磁化曲線。

如圖2所示，在保證電流恒定的過程中，在電源電壓較低的時候，曲線的趨勢首先會隨著電流的增長而增長，此時的磁路磁通工作區(qū)域是磁激點附近，主要是直流激磁。隨著電壓的不斷升高，曲線的趨勢進入了第二階段，也就是恒流控制區(qū)，電抗器在工作過程中的交流工作電流和直流控制電流的關(guān)系是安匝關(guān)系，其變化受到電壓的影響較小。隨著電壓的不斷增大，電抗器逐漸達到了飽和狀態(tài)。

從伏安特性曲線來看，在交流電壓有效值保持在特定的范圍內(nèi)，飽和電抗器具有良好的線性控制特性。

2.2? 輸入輸出特性

結(jié)合電抗器的工作原理來看，要保證飽和電抗器的正常工作，就需要保證電抗器的電感極限變化保持在特定的范圍內(nèi)，鐵磁材料的磁導(dǎo)率是非線性的，所以飽和電抗器電感值的特性也是非線性變化。當鐵磁材料的磁導(dǎo)率達到了磁飽和時，電抗器的輸入和輸出特性開始接近線性。橫軸是勵磁電流值，縱軸是電抗標幺值和輸出工作電流標幺值。一旦勵磁電源接入，會使直流繞組勵磁電流逐漸增大，電抗器輸入、輸出特性表示的就是電感器電抗值和輸出工作電流的曲線。并且隨著電流的逐漸增加，會使電抗器的鐵芯逐漸趨于飽和狀態(tài)。同時，工作繞組的電抗值不斷變小，電流逐漸變大。當勵磁電超增達到SA之后，輸出電流的上升變化不再明顯，開始逐漸趨向于穩(wěn)定，這時電抗器處于深度飽和狀態(tài)。

2.3? 諧波分析

諧波分量是供電質(zhì)量評價的重要指標，但是在電力系統(tǒng)中要保證系統(tǒng)的正常運行，需要注入高次諧波電流，同時會給電壓波形造成很大的影響，甚至會出現(xiàn)電壓波形畸變。高次諧波對電力系統(tǒng)的影響很大，會嚴重影響電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟性，所以，要想辦法對其進行合理抑制。

工作過程中，飽和電抗器的交流電流主要有奇次諧波和偶次諧波，而且飽和電抗器的工作狀態(tài)是非線性狀態(tài)。從交流電流形式來看，最多的是奇次諧波，而偶次諧波僅占到其中一小部分。但是，其中的偶次諧波是飽和電抗器通路必不可少的一部分。正是由于電抗器采用的是鐵磁材料，通過實驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，材料本身特性使得其奇次諧波占到了大多數(shù)。

在電力系統(tǒng)中要考慮通過合理措施進行濾波，盡可能減少諧波對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，所以要合理使用LC濾波進行濾波處理。因此要保證電抗器設(shè)計的合理性和使用的科學性，可以采用三角形連接和外延三角形連接等電抗器繞組方式，使其能夠從結(jié)構(gòu)和設(shè)計上盡量減少自身的諧波分量。此外，要減少諧波的影響，還可以通過合理增大控制電流、增加電抗器飽和程度等方式減少諧波對電力系統(tǒng)的影響。

3? ? 仿真實驗及分析

針對以上特性分析，進行科學仿真試驗，結(jié)果顯示換流閥在晶閘管開通的時候，和晶閘管關(guān)斷狀態(tài)相比較，飽和電抗器鐵損的瞬時功率會增大很多，逆變側(cè)飽和電抗器的磁滯回線的主要分布區(qū)域是一、三象限。逆變側(cè)飽和電抗器的磁滯回線分布情況說明整流側(cè)的開通消耗較小，而關(guān)斷消耗更大。如果直流換流閥關(guān)斷，直流換流閥承受電壓跳變的過程中會產(chǎn)生較多的電流脈沖，這也是導(dǎo)致電抗器鐵芯產(chǎn)生磁滯回線的重要原因。

4? ? 結(jié)語

隨著電力系統(tǒng)的不斷完善，近年來我國的換流閥和飽和電抗器的研究、開發(fā)不斷深入，制造能力不斷提高，但是和國際水平還是有一定的差距，因此，筆者希望能夠為高壓直流換流閥和電抗器研究貢獻一份力，助推我國高端電力設(shè)備發(fā)展。

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