CN101923592A - 一种换流阀用饱和电抗器机械性能设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种换流阀用饱和电抗器的机械性能设计方法。饱和电抗器的机械性能设计应考虑以下几个方面：材料选择、电动力分析、整体结构、悬吊安装及支撑、连接环节及外观、防火设计、抗震设计等。本发明针对每一个方面给出分析设计方法，兼顾其电气性能、水路性能等，最终汇总即可完成饱和电抗器最终的机械性能设计。本发明考虑因素全面，机械性能设计方法系统化，规范化。

Description

一种换流阀用饱和电抗器机械性能设计方法

技术领域

本发明涉及电力系统器件设计领域，尤其涉及一种换流阀用饱和电抗器机械性能设计方法。

背景技术

直流输电换流阀用饱和电抗器是换流阀中保护晶闸管的重要部件之一。它由铁芯和绕组组成，利用铁芯材质的饱和特性获得电气参数的饱和特点。饱和电抗器的机械性能设计是一个约束因素众多，且有时会相互矛盾的设计过程，因此设计过程需要考虑多方面的约束。

电力行业交流用常规电抗器有多种结构形式，其设计方法也有公开文献，但是并不适用于换流阀用饱和电抗器。换流阀用电抗器有公开号为CN101013623A的发明，但是它从本质上是一个线性电抗器，并不适用于饱和电抗器。另外有公开号为CN101339221A、CN201122485Y、CN2521721Y的饱和电抗器发明，但是也只是陈述了饱和电抗器的结构形式。现有公开发明并未揭示直流输电换流阀用饱和电抗器的机械性能设计方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种换流阀用饱和电抗器的机械性能设计方法。饱和电抗器的机械性能设计应考虑以下几个方面：材料选择、电动力分析、整体结构、悬吊安装及支撑、连接环节及外观、防火设计、抗震设计等。本发明针对每一个方面给出分析设计方法，兼顾其电气性能、水路性能等，最终汇总即可完成饱和电抗器最终的机械性能设计。本发明考虑因素全面，机械性能设计方法系统化，规范化。

本发明提出了一种换流阀用饱和电抗器机械性能设计方法，包括以下步骤：材料选择、电动力分析、整体结构、悬吊安装及支撑、连接环节、防火设计和抗震设计共7部分，7部分的设计互有交叉，按照每一个部分得到电抗器的设计结果后，需要校核其他部分是否满足，只要有一项不满足，则需要重新设计，直到7部分性能都满足为止；

饱和电抗器机械性能设计的输入参数为其电气性能参数、热力性能参数，设计输出参数即材料选型、结构型式，机械性能设计的结果应满足电气性能、热力性能，另外还需确保美观性、悬吊安装的便捷性、防火性能以及抗震性能，最终还需要兼顾经济特性，即在满足所有性能的前提下，体积尽可能小；

(1)材料选择

饱和电抗器中主要部分包括线圈、铁心、绝缘介质、水管，根据各部分的功能不同分别进行选材；

线圈采用中空形式，中空部分流过冷却液辅助散热，故兼顾饱和电抗器长期工作的可靠性，还需要考虑线圈材料的耐腐蚀特性，兼顾其导电特性和耐腐蚀特性，最终选择线圈的材质；

铁心的材质在满足电气特性的基础上，还需兼顾易加工、强度高、耐温高、经济性；

对于绝缘介质而言，它需经受电气性能中的雷电冲击、陡波冲击的考核，从材料选择角度看，绝缘介质应在满足电气特性的基础上，需兼顾其易加工、强度高、耐温高、经济性；

对于水管而言，一类是为线圈散热，也即电气性能参数中的欧姆损耗，一类是为铁心散热，也即电气性能参数中的铁心损耗；第一类是由线圈兼顾，即冷却液流经中空的线圈，提供散热条件；第二类水管则是单独的管路，由于是为铁心散热，故完整的管路材质不能全部选择金属，而应选择金属和塑料材质两种；金属材质的选择同线圈的选择原则，所不同的地方则是因为无需流经电流，故仅需考虑耐腐蚀特性；塑料材质的选择需要兼顾耐腐蚀特性、易加工、易弯折、耐温高的特点；

(2)电动力分析

饱和电抗器承受最强烈的机械载荷是在其承受3周波故障电流时，也即电气性能参数中的故障电流强度，所承受的电动力强度冲击，所承受电动力最大值按照f＝BIL计算，其中B为饱和电抗器线圈及铁心处的磁感应强度，可以通过有限元方法求解得到，I为3周波故障电流的峰值，L为饱和电抗器线圈及铁心的等效长度，根据电动力的计算结果，将其作为输入通过有限元方法分析饱和电抗器在此载荷下的位移，如果位移在允许的范围内，并且整体结构未受到破坏，那么饱和电抗器的机械性能设计通过此项性能的考核；如果不满足，那么需要重新设计饱和电抗器的机械特性；

(3)饱和电抗器的整体结构

饱和电抗器的整体结构的设计主要考虑线圈与铁心的装配形式，以及散热水路的设置及装配形式，另外还需考虑是否需要外壳进行封装，以及线圈的出线方式，线圈与铁心的装配形式有心式和壳式两种，两种结构的选取与饱和电抗器的电气性能参数有关，饱和电抗器参数中的空心电感占其不饱和电感百分比较大时，可以优先选择壳式结构；较小时，可以优先选择心式结构，散热水路的设置受饱和电抗器电气性能参数中的损耗影响最大，铁心损耗占欧姆损耗百分比较大时，可考虑为铁心单独设置散热水路；较小时，可以只保留线圈的水路，另外也受制于其流量压差特性。外壳的封装需要兼顾饱和电抗器的额定电流大小、重量限制、铁心的工作点、损耗量值、噪声和振动，上述各因素与电抗器的电气参数、热力参数紧密有关，同时又相互制约，因此需结合实际的量值优化确定电抗器的结构；

(4)悬吊安装及支撑

悬吊安装及支撑部分属于饱和电抗器结构中的附属部分，由于饱和电抗器在直流换流阀中不是一个孤立器件，而是与众多元器件共同装配连接发挥作用，同时它在换流阀中作为单个元器件而言也是比较重的，因此悬吊安装及支撑也是其中重要的部分；

悬吊部分考虑到饱和电抗器的重量分布，选择2点或者4点，如果重量超过一定门槛所述门槛值为200Kg～400Kg，那么优先选择4点，否则优先选择2点，悬吊点的选择应考虑到饱和电抗器中能够承重的部位，优先选择绝缘部分以及线圈，尽量避免直接悬吊铁心；

支撑部分在考虑饱和电抗器重量的基础上，还需考虑饱和电抗器的长期工况、故障工况以及地震情况所引起的振动；因此，支撑部分应优先选择柔性过渡，即在支撑部位处增设柔性件达到饱和电抗器与固定位置之间的柔性连接；支撑点的数量及部位选择与悬吊部分的设计原则相同；

从便于悬吊及支撑的角度看，饱和电抗器的结构可以选择对称式结构或不对称式结构；

(5)连接环节

饱和电抗器的连接环节是与换流阀中各元器件达到良好装配的一个关键前提，连接环节包括电路连接和水路连接；

电路连接考虑到与换流阀中元器件连接以及与最小机械单元即模块层间连接的合理性和便捷性；电路连接即是设计饱和电抗器线圈两端的空间位置及相对尺寸，优先选择其两端均在饱和电抗器的同侧，特殊情况也可选择在异侧；相对尺寸的量值应按照电压参数以及饱和电抗器的不饱和电感来选择避免产生爬电，同时又留有必要的安装和操作空间的合理距离；

水路连接即是设计饱和电抗器进出水口的空间位置及相对尺寸；水路连接应考虑饱和电抗器自身的水路设置，同时应考虑其在换流阀模块中整体水路的设置，同时又留有必要的安装和操作空间，共同考虑确定；

(6)防火设计

防火设计作为机械性能设计中的一项功能，需要考虑材料选择、连接工艺选择、热性能设计几个方面；材料选择方面对于所有暴露于空气中超过一定重量门槛的材料优先选择具有自熄和阻燃特性，达到相应的国家或者国际标准的要求；连接工艺选择方面，优先选择永久式连接如焊接，尽量减少暂时性连接如螺钉紧固连接方式；热性能设计方面优先选择在满足电气性能的基础上发热量较小的器件，饱和电抗器的发热量越小，越利于防火；

(7)抗震设计

饱和电抗器的抗震设计是设计合理的结构，具体包括安装方式、增设阻尼、降低重量几个方面；安装方式方面，优先选择柔性安装，便于消除饱和电抗器所承受的外力；增设阻尼方面，优先选择在硬连接的各部位增设柔性过渡件，便于减缓饱和电抗器所受地震的影响；降低重量方面，优先选择在满足电气、热力性能以及上述各性能基础上降低重量。

本发明的有益效果是：

1.规范化、系统化饱和电抗器的机械性能设计因素；

2.规范化饱和电抗器的机械性能设计步骤；

3.规范化饱和电抗器的机械性能设计目标。

附图说明

图1是依据本发明的设计方法的流程图。

具体实施方式

本发明通过考虑以下方面的因素完成机械性能的设计：

(1)材料选择；

饱和电抗器主要采用铝管绕制而成的线圈和取向硅钢片耦合装配而成的结构。绝缘材料主要选择环氧树脂，用于饱和电抗器的线圈的浇铸，需要满足一定的绝缘要求和热特性要求。而对于饱和电抗器的线圈而言，由于内部流经冷却液，而冷却液是水和乙二醇的混合液。为了保证在换流阀服务寿命内，饱和电抗器的可靠性，因此在选择与冷却液接触的线圈时，需要考虑到耐腐蚀特性。因此，对于线圈材料的选取，有以下几种可选择的材料：含铜量较低的铝；不锈钢316或者316L；考虑到线圈还需要流经大电流，故还需要兼顾其导电性能。

(2)电动力分析；

饱和电抗器在换流阀运行中流经短路故障电流时，较大的电流在铁芯产生的强磁场中会导致较大的电动力，在3周波故障电流受力情况应考虑。

(3)整体结构；

饱和电抗器的整体结构布局不仅考虑美观和电气设计的需要，而且仔细考虑许多相关的复杂因素，如爬电、绝缘间隙、内部干扰、杂散电感和电容、水压要求、重量分布、安装简便性、维护和试验等。同时，为了实现高可靠性和长期运行，仔细考虑了结构材料和零部件设计，减小换流阀发生火灾的风险。

(4)悬吊安装及支撑；

悬吊部分考虑到饱和电抗器的重量分布，选择了合适的位置。安装支撑部分的考虑为考虑饱和电抗器的电动力以及振动噪声的情况，设计了合理的支撑方式，这种设计使饱和电抗器达到了承受允许的静态和动态载荷条件，满足了工程抗震等级要求。

(5)连接环节和外观；

电抗器的水路连接必须与标准的冷却液水管连接。电抗器的顶部和底部不能有任何尖锐的凸起。为了降低漏磁场的效应，应该尽可能少得使用其他导电/导磁的材料(铁芯和一次导体除外)。母排和冷却液连接应该在电抗器侧面或者端部，但是优先选择在电抗器的端部连接。不能允许有悬浮的金属组件。

(6)防火设计；

饱和电抗器防火设计包括如下几个方面：

1)材料选择：饱和电抗器中所有暴露于空气中的重量超过一定重量的材料和元件都具有自熄和阻燃特性，达到Underwriters Laboratory标准UL94V-0。

2)连接工艺选择：饱和电抗器防火设计中还应考虑尽量减少电气连接点的数量，在能够采用焊接连接的地方尽量采用焊接方式，减少螺钉连接的数量，避免因螺钉连接不牢固而产生放电引起火灾。

3)热性能设计：在设计中对于引起火灾的可能性也给予了充分考虑。所有元件额定值的选择都要从热性能(减小过热的风险)和电气性能两方面考虑。

4)当阀内出现其他故障时，电抗器不能持续燃烧，这可能会导致局部火灾或者电弧击穿。

5)电抗器组装中不能包含油。

(7)抗震设计。

饱和电抗器作为换流阀中的一个部件，要满足整体的抗震特性。直流换流阀是直流输电的核心设备，它的结构抗震性能直接影响整个直流输电系统的地震安全性。为了达到防震设计要求，需要把阀塔和避雷器悬吊系统作为一个柔性系统来进行设计。换流阀防震设计综合考虑了重力加速度、频率以及位移变化的影响。采用避免发生共振和其它形式的干扰或采用分离频率来隔离共振，或增加能量消耗来减小地震的影响。而饱和电抗器自身的抗震性能设计体现在这样几个方面：

1)饱和电抗器的安装方式

饱和电抗器的安装固定是采用杆的形式固定，这样的结构是一种柔性结构，便于消除饱和电抗器所承受的外力。

2)饱和电抗器减震垫

为了进一步确保饱和电抗器的抗震性能，在饱和电抗器和GRP横梁接触的位置处增设减震垫，将电动力以及地震影响进一步达到缓冲并削弱的目的。

3)饱和电抗器的重量

饱和电抗器的设计在达到电气、热、机械特性的前提下，尽可能降低饱和电抗器的总体重量，也可以辅助达到抗震的性能。

以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种换流阀用饱和电抗器机械性能设计方法，其特征在于包括以下步骤：材料选择、电动力分析、整体结构、悬吊安装及支撑、连接环节、防火设计和抗震设计共7部分，7部分的设计互有交叉，按照每一个部分得到电抗器的设计结果后，需要校核其他部分是否满足，只要有一项不满足，则需要重新设计，直到7部分性能都满足为止；

饱和电抗器机械性能设计的输入参数为其电气性能参数、热力性能参数，设计输出参数即材料选型、结构型式，机械性能设计的结果应满足电气性能、热力性能，另外还需确保美观性、悬吊安装的便捷性、防火性能以及抗震性能，最终还需要兼顾经济特性，即在满足所有性能的前提下，体积尽可能小；

(1)材料选择

饱和电抗器中主要部分包括线圈、铁心、绝缘介质、水管，根据各部分的功能不同分别进行选材；

线圈采用中空形式，中空部分流过冷却液辅助散热，故兼顾饱和电抗器长期工作的可靠性，还需要考虑线圈材料的耐腐蚀特性，兼顾其导电特性和耐腐蚀特性，最终选择线圈的材质；

铁心的材质在满足电气特性的基础上，还需兼顾易加工、强度高、耐温高、经济性；

对于绝缘介质而言，它需经受电气性能中的雷电冲击、陡波冲击的考核，从材料选择角度看，绝缘介质应在满足电气特性的基础上，需兼顾其易加工、强度高、耐温高、经济性；

对于水管而言，一类是为线圈散热，也即电气性能参数中的欧姆损耗，一类是为铁心散热，也即电气性能参数中的铁心损耗；第一类是由线圈兼顾，即冷却液流经中空的线圈，提供散热条件；第二类水管则是单独的管路，由于是为铁心散热，故完整的管路材质不能全部选择金属，而应选择金属和塑料材质两种；金属材质的选择同线圈的选择原则，所不同的地方则是因为无需流经电流，故仅需考虑耐腐蚀特性；塑料材质的选择需要兼顾耐腐蚀特性、易加工、易弯折、耐温高的特点；

(2)电动力分析

饱和电抗器承受最强烈的机械载荷是在其承受3周波故障电流时，也即电气性能参数中的故障电流强度，所承受的电动力强度冲击，所承受电动力最大值按照f＝BIL计算，其中B为饱和电抗器线圈及铁心处的磁感应强度，可以通过有限元方法求解得到，I为3周波故障电流的峰值，L为饱和电抗器线圈及铁心的等效长度，根据电动力的计算结果，将其作为输入通过有限元方法分析饱和电抗器在此载荷下的位移，如果位移在允许的范围内，并且整体结构未受到破坏，那么饱和电抗器的机械性能设计通过此项性能的考核；如果不满足，那么需要重新设计饱和电抗器的机械特性；

(3)饱和电抗器的整体结构

饱和电抗器的整体结构的设计主要考虑线圈与铁心的装配形式，以及散热水路的设置及装配形式，另外还需考虑是否需要外壳进行封装，以及线圈的出线方式，线圈与铁心的装配形式有心式和壳式两种，两种结构的选取与饱和电抗器的电气性能参数有关，饱和电抗器参数中的空心电感占其不饱和电感百分比较大时，可以优先选择壳式结构；较小时，可以优先选择心式结构，散热水路的设置受饱和电抗器电气性能参数中的损耗影响最大，铁心损耗占欧姆损耗百分比较大时，可考虑为铁心单独设置散热水路；较小时，可以只保留线圈的水路，另外也受制于其流量压差特性。外壳的封装需要兼顾饱和电抗器的额定电流大小、重量限制、铁心的工作点、损耗量值、噪声和振动，上述各因素与电抗器的电气参数、热力参数紧密有关，同时又相互制约，因此需结合实际的量值优化确定电抗器的结构；

(4)悬吊安装及支撑

悬吊安装及支撑部分属于饱和电抗器结构中的附属部分，由于饱和电抗器在直流换流阀中不是一个孤立器件，而是与众多元器件共同装配连接发挥作用，同时它在换流阀中作为单个元器件而言也是比较重的，因此悬吊安装及支撑也是其中重要的部分；

悬吊部分考虑到饱和电抗器的重量分布，选择2点或者4点，如果重量超过一定门槛所述门槛值为200Kg～400Kg，那么优先选择4点，否则优先选择2点，悬吊点的选择应考虑到饱和电抗器中能够承重的部位，优先选择绝缘部分以及线圈，尽量避免直接悬吊铁心；

支撑部分在考虑饱和电抗器重量的基础上，还需考虑饱和电抗器的长期工况、故障工况以及地震情况所引起的振动；因此，支撑部分应优先选择柔性过渡，即在支撑部位处增设柔性件达到饱和电抗器与固定位置之间的柔性连接；支撑点的数量及部位选择与悬吊部分的设计原则相同；

从便于悬吊及支撑的角度看，饱和电抗器的结构可以选择对称式结构或不对称式结构；

(5)连接环节

饱和电抗器的连接环节是与换流阀中各元器件达到良好装配的一个关键前提，连接环节包括电路连接和水路连接；

电路连接考虑到与换流阀中元器件连接以及与最小机械单元即模块层间连接的合理性和便捷性；电路连接即是设计饱和电抗器线圈两端的空间位置及相对尺寸，优先选择其两端均在饱和电抗器的同侧，特殊情况也可选择在异侧；相对尺寸的量值应按照电压参数以及饱和电抗器的不饱和电感来选择避免产生爬电，同时又留有必要的安装和操作空间的合理距离；

水路连接即是设计饱和电抗器进出水口的空间位置及相对尺寸；水路连接应考虑饱和电抗器自身的水路设置，同时应考虑其在换流阀模块中整体水路的设置，同时又留有必要的安装和操作空间，共同考虑确定；

(6)防火设计

防火设计作为机械性能设计中的一项功能，需要考虑材料选择、连接工艺选择、热性能设计几个方面；材料选择方面对于所有暴露于空气中超过一定重量门槛的材料优先选择具有自熄和阻燃特性，达到相应的国家或者国际标准的要求；连接工艺选择方面，优先选择永久式连接如焊接，尽量减少暂时性连接如螺钉紧固连接方式；热性能设计方面优先选择在满足电气性能的基础上发热量较小的器件，饱和电抗器的发热量越小，越利于防火；

(7)抗震设计

饱和电抗器的抗震设计是设计合理的结构，具体包括安装方式、增设阻尼、降低重量几个方面；安装方式方面，优先选择柔性安装，便于消除饱和电抗器所承受的外力；增设阻尼方面，优先选择在硬连接的各部位增设柔性过渡件，便于减缓饱和电抗器所受地震的影响；降低重量方面，优先选择在满足电气、热力性能以及上述各性能基础上降低重量。