CN101802939B - 用于电压源换流器的高电压干式电抗器 - Google Patents

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Abstract

一种高电压干式电抗器，经由第一端子(A)串联连接至AC供电电压并经由第二端子(B)串联连接至高电压换流器(1)的AC相位端子，该电抗器包括由绝缘导线制成的圆柱形线圈(14)。为了保护电抗器(5)免遭DC电场破坏，电抗器(5)还包括金属或者抗静电屏蔽罩，其连接至与换流器(1)相同的DC电位。

Description

用于电压源换流器的高电压干式电抗器
本发明涉及高电压干式电抗器，该高电压干式电抗器经由第一端子串联连接至AC供电电压并经由第二端子串联连接至高电压AC/DC或DC/AC换流器的AC相位端子，并且该高电压干式电抗器包括绝缘导线制成的圆柱形线圈。优选地，该换流器是用在高电压直流(HVDC)电力传输系统中的电压源换流器。
在当今的电力传输和分配系统中，电抗器用于将感抗引入到相应的电路中。电抗器也可以称作感应器。其主要部件是绝缘导线制成的线圈，绝缘导线可以围绕磁性材料的磁心(即，铁芯)缠绕，或者可以构造为空心体的形式，即，内部没有磁性材料的中空圆柱体或中空长方体。后一类电抗器称作空心电抗器。
在电力系统中，电抗器例如用作滤波电抗器以滤除传输到电力网络的电流中的不期望的谐波，用作分路电抗器以补偿电容性的无功功率，用作中性点接地电抗器以限制直接接地网络的线路对地电流，或者用作限流电抗器以限制短路电流。
在电力系统的高电压和大电流条件下使用的电抗器的绕组产生相当多的热量。因此，为了使损耗最小并避免绝缘材料的热老化，必须进行适当的冷却以降低电抗器线圈中的温度。可以通过在冷却流中使电抗器线圈绝热或者通过让空气沿着线圈绕组流动来提供空心电抗器的冷却。用空气冷却的电抗器也称作干式电抗器。
在高电压直流(HVDC)电力传输系统中，电力在经由DC环节(link)连接的两个AC电力网络之间传输。因此，AC/DC换流器和DC/AC换流器分别安装在DC环节的一侧。换流器可以是电网换相换流器(linecommutated converter)类型的或者电压源换流器类型的。在电网换相换流器的情况中，电抗器用于去除换流器的DC侧上的电流纹波。这种电抗器称作平滑电抗器。当在HVDC系统中使用电压源换流器时，在换流器的AC侧上附加地使用被称作换流电抗器或相电抗器(phase reactor)的电抗器，以主要阻止由换流器的切换引起的谐波电流。除了阻止谐波电流之外，换流电抗器还达到了提供有功功率和无功功率控制以及限制短路电流的目的。例如，从简介材料“it’s time to connect”(ABB PowerTechnologies AB，Grid System-HVDC，SE-77180Ludvika，Sweden，www.abb.com/hvdc)中可以知道这两种电抗器类型以及它们在HVDC系统中的配置。
本发明涉及换流电抗器，即串联连接至高电压AC/DC或DC/AC换流器(优选地，电压源换流器)的AC侧的电抗器。这样的换流电抗器通常是干式电抗器，即，不使用绝缘油。
在图1的单线图中示出了一种常见的带有电压源换流器的HVDC系统的AC/DC或者DC/AC部分。通常，HVDC系统的AC部分包含三相。电压源换流器(VSC)1包括以已知的桥配置连接的换流阀2，其中换流阀2各包括与续流二极管(free-wheeling diode)4反并联连接的IGBT 3(绝缘栅双极型晶体管)。VSC 1在其AC侧上连接至换流电抗器5，其后跟随有谐波滤波器6和变压器7。变压器7耦合至AC电力网络8。两个相同的串联连接的电容器单元9连接在VSC 1的DC侧的第一极12和第二极13之间，并且在此实例中HVDC系统的DC环节由两个DC电缆10组成。DC电缆被绝缘并且它们的屏蔽罩接地。代替DC电缆，也可以使用架空线。两个电容器单元9之间的连接点11(也称为VSC 1的DC侧的中点或等电位点)接地，使得在两极12和13之间出现对称的DC电压。因而，连接至第一极12的DC电缆10具有正电压电位+UDC，1，而连接至第二极13的DC电缆10具有负电压电位-UDC，1，其中负电压电位与正电压电位具有相同的绝对值。
HVDC技术的新发展提出了一种非对称系统，其中电容器单元9之间的中点不接地，而是极12或13接地。在图2中，示出了这样的非对称系统，其中第一极12连接至地，第二极13连接至DC电缆10。DC电缆10上的电压电位是负的(-UDC，2)，并通常具有与图1的对称配置中的负电压电位(-UDC，1)不同的值。由于DC电缆在HVDC系统中构成相当大的成本因素，因而从两根电缆减少到一根电缆导致成本显著降低。可以建立只使用一根架空线而不是两根架空线的类似的非对称配置，而将剩下的一极连接至地。这种解决方案不仅意味着需要更少的材料用于架空线，而且还导致降低传输损耗，这是因为大地具有比架空线更小的阻抗。
本发明的目的是提供适于用在HVDC系统的非对称配置中的换流电抗器。
该目的是通过权利要求1的技术特征来实现的。
本发明基于对非对称配置中产生的基本问题的认识。该问题由以下事实引起：HVDC系统的非对称配置导致VSC 1的AC侧上的DC偏差，这和对称情况相反，对称情况没有DC偏差发生。DC偏差导致产生换流电抗器5和地之间的DC电场，该电场引致电抗器5的绝缘外表面和内表面上的电荷积累。在图3a中示出了这种情况，其中示意性地示出了换流电抗器5，包括由绝缘导线14制成的圆柱形线圈，圆柱形线圈被绝缘圆柱体15包围。绝缘圆柱体15放置在两个站立于地17上的绝缘体上。线圈14的绕组在一侧上经由第一端子A电连接至变压器7的次级侧上的连接点(见图2)，并且在另一侧上经由第二端子B电连接至换流器1的AC相位端子35。因此，端子A具有DC偏差电位加次级变压器侧的AC电压，而端子B具有DC偏差电位加换流器1的切换电压。由于在图2的实例中DC电位为负值，因而绝缘圆柱体15的表面上所产生的电荷18是正的。电荷18不仅在如图3a中的绝缘圆柱体15的外表面上累积，还在内表面上积累，从那儿它们可能影响线圈14的绕组。图3b示出了线圈14的导线19的一些线圈匝数(turns)的截面。导线19被绝缘材料的薄层20所包围。绝缘层20通常足够厚以承受对称HVDC系统的常规AC电场，但在非对称情况下，提高的电场强度可能导致击穿，即穿透绝缘层20的火花会破坏绝缘材料。电荷18可能在绕组之间传播，并最终导致电抗器毁坏或者甚至起火。
为了避免DC电场损坏换流电抗器，本发明提出了在电抗器处安装金属的或者电阻式的(resistive)静电屏蔽罩，其中该屏蔽罩连接至与换流器相同的DC电位。可以连接至换流器的DC侧或AC侧。在AC侧，选择端子A或者B，这是因为它们具有如上所述的换流器DC电位。该屏蔽罩消除了围绕换流电抗器的DC电场，从而避免了在电抗器绕组表面上出现危险电荷。因而可以有效避免换流电抗器的击穿和破坏。
现在通过参考附图以实例的方式描述本发明。在附图中：
图1示出了已知的对称HVDC系统；
图2示出了已知的非对称HVDC系统；
图3a示出了非对称HVDC系统中的换流电抗器的充电；
图3b示出了图3a的换流器线圈的线圈匝数的充电；
图4示出了具有连接至换流器的DC侧上的DC电位的金属罩(metallic cage)的换流电抗器；
图5示出了具有经由第一端子连接至换流器的AC侧上的DC电位的金属罩的换流电抗器；
图6示出了具有经由第二端子连接至换流器的AC侧上的DC电位的金属罩的换流电抗器；
图7示出了具有高频接地的金属罩的换流电抗器；
图8示出了具有电晕环的换流电抗器。
在图4中示出了本发明的第一实施例。其中，图3a的换流电抗器5被封在金属罩21中，该金属罩经由绝缘体22举到地面17之上。金属罩21是中空体，其可以是圆柱体形状的或任意其他三维形状的，并且具有底和顶。例如，罩21可以由片状金属或网状金属构成或者由具有不同轮廓的导线构成。套管23和24被引导穿过罩21的壁，以从外侧分别将线圈14的两端连接至对应于端子A或B的连接点。罩21电连接至换流器的DC侧上的DC电位，在这个特殊的实施例中它是在中点C处的等电位点。从可能的射电干扰的角度看，连接至DC电位是有益的。电阻器25并联连接至换流器1的DC侧上的电容器9，并且电阻器串联连接的中点连接至中点C以使DC电压分配稳定。在本发明的另一实施例中，金属罩21等同于换流电抗器5的磁屏蔽罩，即，罩21同时满足两项功能：它既消除电抗器线圈14上的DC电场，又减轻或消除电抗器外部的磁场。
在图5中，图3a的电抗器5再次被封在图4的金属罩21中。不将罩21连接至换流器DC侧上的DC电位，而是将罩21直接连接至电抗器的端子A，并从而连接至图2中的变压器7的次级侧上的连接点。从而省略了套管23以及至C点的连接(图4)。图6与图5中的实施例的区别仅在于，罩21连接至端子B而非端子A，从而连接至换流器1的AC相位端子(图4)。在该实施例中，省略了套管24以及至C点的连接(图4)。
图7示出了本发明的另一实施例。该配置和图5的配置几乎相同。唯一的区别在于，罩21经由电阻器36连接至电抗器5的端子A的电位，以及经由电容器26连接至地17。优选地，阻容连接(resistive-capacitiveconnection)的时间常数在秒或更大的范围内，并且它建立了罩至地的强高频耦合以减轻由换流器阀2的切换所引起的高频电压扰动。可替换地，图7的高频耦合也可以应用于图4或6的实施例。
根据图8的又一实施例不基于金属罩，而是两个第一电晕环27和33各围绕在线圈14的圆柱体的两端之一放置。另外，两个第二电晕环28和34各平行于线圈14的圆柱体的两个端面29之一放置。电晕环33和34电连接至电抗器5的第一端子A，而线圈14的相对端上的另外的电晕环27和28电连接至电抗器5的第二端子B。这四个电晕环27、28、33和34全部被放置为使线圈14的圆柱体的纵轴30和这些环的中心轴彼此成一直线。第一电晕环27和33中的每一个都以距相应的端面29de1或de2的距离围绕线圈14的圆柱体的壳31，这两个距离比各自距线圈圆柱体的横向中轴32的距离dm1或dm2短。通过将四个电晕环27、28、33和34放置在线圈14的顶侧和外侧上(从而放置在电抗器5上)，避免了任何电荷流进电抗器5的内部。在特殊的实施例中，为了避免过分的磁加热，布置电晕环以减小感生电流在环内的流动。这可以通过使用高阻抗材料和/或通过为电晕环选择封入尽可能小的磁场的截面来实现。

Claims (11)

1.一种高电压干式电抗器(5)，所述电抗器经由第一端子(A)串联连接至AC供电电压并经由第二端子(B)串联连接至高电压换流器(1)的AC相位端子(35)，所述高电压换流器是高电压直流(HVDC)系统的非对称配置的一部分，其中所述电抗器包括由绝缘导线(19)制成的圆柱形线圈(14)，其特征在于，所述电抗器(5)还包括：
金属的或者电阻式的静电屏蔽罩，所述屏蔽罩连接至与所述换流器(1)的AC侧上的DC偏差电位相同的DC电位。
2.根据权利要求1所述的电抗器，其中所述静电屏蔽罩包括两个第一电晕环(27，33)，各围绕所述线圈(14)的圆柱体的两端之一放置，使得所述圆柱体的纵轴(30)和所述环(27，33)的中心轴彼此成一直线，并且使得所述环(27，33)中的每一个围绕所述圆柱体的壳(31)，所述环(27，33)中的每一个距相应的圆柱体端面(29)的距离(de1，de2)比距所述圆柱体的横向中轴(32)的距离(dm1，dm2)短，其中所述两个第一电晕环中的一个(33)电连接至所述电抗器(5)的第一端子(A)，并且其中所述两个第一电晕环中的另一个(27)电连接至所述电抗器(5)的第二端子(B)。
3.根据权利要求2所述的电抗器，其中所述静电屏蔽罩还包括两个第二电晕环(28，34)，各平行于所述线圈(14)的圆柱体的两个端面(29)之一放置，使得所述圆柱体的纵轴(30)和所述环(28，34)的中心轴彼此成一直线，其中所述两个第二电晕环中的一个(34)电连接至所述电抗器(5)的所述第一端子(A)，并且其中所述两个第二电晕环中的另一个(28)电连接至所述电抗器(5)的第二端子(B)。
4.根据权利要求2或3所述的电抗器，其中通过为所述环选择封入尽可能小的磁场的截面和/或通过使用高阻抗材料，来布置所述电晕环(27，28)以减小所述环内的感生电流的流动。
5.根据权利要求1所述的电抗器，其中所述静电屏蔽罩包括金属罩(21)，所述金属罩包围所述线圈(14)并连接至所述换流器(1)的DC侧上的DC电位。
6.根据权利要求5所述的电抗器，其中所述DC电位是所述换流器(1)的DC侧上的等电位点(C)。
7.根据权利要求1所述的电抗器，其中所述静电屏蔽罩包括金属罩(21)，所述金属罩围绕所述线圈(14)并连接至所述电抗器(5)的第一端子(A)。
8.根据权利要求1所述的电抗器，其中所述静电屏蔽罩包括金属罩(21)，所述金属罩围绕所述线圈(14)并连接至所述电抗器(5)的第二端子(B)。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的电抗器，其中所述罩(21)经由高电压电阻器(36)耦合至所述电抗器(5)的第一端子(A)或第二端子(B)并高频耦合至地(17)。
10.根据权利要求9所述的电抗器，其中所述高频耦合包括所述高电压电阻器(36)和高电压电容器(26)的串联连接，所述电阻器(36)连接在所述罩(21)和所述电抗器(5)之间，而所述电容器(26)连接在所述罩(21)和地(17)之间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电抗器，其中所述换流器(1)是用于非对称配置的高电压直流电力传输系统中的电压源换流器。
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