CN102033975B - 一种换流阀用饱和电抗器热力性能设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子器件领域，具体涉及一种换流阀用饱和电抗器热力性能设计方法，该方法系统揭示了饱和电抗器热力性能分析和冷却系统设计的步骤，将分析与设计的过程分为四个阶段：饱和电抗器损耗的计算、饱和电抗器温度场分析、饱和电抗器冷却系统结构型式和饱和电抗器冷却流量优化，基于理论计算或仿真分析等手段，详述了各个步骤的实现方法，并结合具体的设计实例详细阐述了本发明的方法的实施过程，并给出了设计结果。

Description

一种换流阀用饱和电抗器热力性能设计方法

技术领域

本发明属于电力电子器件领域，具体涉及一种换流阀用饱和电抗器热力性能设计方法。

背景技术

直流换流阀用饱和电抗器由金属绕制的线圈以及硅钢片叠合的铁芯交链而成，串联于换流阀电气系统对晶闸管发挥主保护作用，因此在运行工况、试验工况和故障工况中需要承受不同强度的电气应力，从而产生损耗。目前，换流阀系统的通断容量日益增大，结构布局却日益紧凑小巧，饱和电抗器产生的损耗相应增加，散热条件更为苛刻，而饱和电抗器的组部件和材料均有最佳工作温度及运行温度极限，现有商业化运行的饱和电抗器均采用了水风联合冷却方式，部分品牌采用双水内冷方式。冷却结构的设计、冷却流量的控制、冷却系统流阻特性均要综合优化，以满足饱和电抗器运行温度要求，实现换流阀冷却系统的综合匹配。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种直流换流阀用饱和电抗器热力性能的设计方法，该方法系统揭示了饱和电抗器热力性能分析和冷却系统设计的步骤，将分析与设计的过程分为四个阶段：饱和电抗器损耗的计算、饱和电抗器温度场分析、饱和电抗器冷却系统结构型式和饱和电抗器冷却流量优化，基于理论计算或仿真分析等手段，详述了各个步骤的实现方法，并结合具体的设计实例详细阐述了设计实施过程，并给出了设计结果。

本发明提出的一种饱和电抗器热力性能分析与冷却系统设计方法，分为饱印电抗器损耗的计算、饱和电抗器温度场分析、饱和电抗器冷却系统结构型式和饱和电抗器冷却流量优化四个阶段，具体包括以下步骤：

(1)饱和电抗器损耗计算

依据饱和电抗器在换流阀中承受的典型电压、电流波形以及功率的定义式(1)，可计算得出饱和电抗器的总损耗，以此作为热力性能分析的激励源：

$P=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)\·i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

(2)饱和电抗器温度场分析

饱和电抗器运行中需要满足下面的热平衡约束：

$-k\▿T\·n=h{|T-T_a|}^{\mathrm{\α}-1}(T-T_a)+E\·B(T^4-T_r^4)---\left(2\right)$

其中，k导热系数W/mK，T发热体的表面温度，T_a为环境温度，T_r辐射参考温度，n为单位法向，h为对流换热系数，α为对流指数，B为斯忒潘-玻耳兹曼常数，E为发射率；采用有限元方法，建立饱和电抗器模型，施加激励源，忽略空间热辐射带走的热量，假定冷却液的散热比例，根据上式确定边界条件，即可获得饱和电抗器的温度场分布，其中，最高温度称为热点温度，以热点温度作为冷却系统设计的控制条件；

(3)饱和电抗器冷却结构型式设计

饱和电抗器线圈的中空部分为饱和电抗器的冷却液流经路径，一定流速的冷却液流经线圈后，将线圈产生的热量带走，C型铁芯之间设置散热片，散热片经冷却水管与冷却水路相连接，接合处采用水接头进行连接，对铁芯进行冷却，此外饱和电抗器一部分热量向空气辐射；

(4)饱和电抗器冷却流量优化控制

流体冷却效果主要通过控制冷却液的流量来加以限制，根据步骤(2)中确定的散热比例，通过仿真计算可以得到饱和电抗器热点温度与流量的关系曲线。

其中，所述线圈材料为中空铝管，绕制成椭圆形跑道结构，C型铁芯以成对扣接的型式装配在椭圆跑道的直臂上，每两片铁芯之间装配一个铁芯散热器，散热器与对侧直臂上的散热器通过水管相连接。

本发明的有益效果是：

1.确定了完备的饱和电抗器热力性能分析与冷却系统设计方法；

2.提出了饱和电抗器冷却系统结构型式。

附图说明

图1是本发明饱和电抗器热力性能分析与冷却系统设计的流程图。

图2示出了饱和电抗器在换流阀中承受的典型电压、电流波形。

图3示出了饱和电抗器温度最高位置。

图4示出了冷却系统结构型式结构设计。

图5示出了饱和电抗器热点温度与流量的关系曲线。

具体实施方式

饱和电抗器热力性能分析与冷却系统设计分为饱和电抗器损耗的计算、饱和电抗器温度场分析、饱和电抗器冷却系统结构型式和饱和电抗器冷却流量优化四个阶段，设计流程图见附图1。

1.饱和电抗器损耗计算

饱和电抗器在换流阀中承受的典型电压、电流波形如附图2所示，其中，在本阀开通和关断期间，饱和电抗器承受电压值最为严酷。依据功率的定义式，可计算得出饱和电抗器的总损耗，以此作为热力性能分析的激励源。

$P=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)\·i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

2.饱和电抗器温度场分析

饱和电抗器运行中需要满足下面的热平衡约束：

$-k\▿T\·n=h{|T-T_a|}^{\mathrm{\α}-1}(T-T_a)+E\·B(T^4-T_r^4)---\left(2\right)$

其中，k导热系数(W/mK)，T发热体的表面温度，T_a为环境温度，T_r辐射参考温度，n为单位法向，h为对流换热系数，α为对流指数，B为斯忒潘-玻耳兹曼常数，E为发射率。采用有限元方法，建立饱和电抗器模型，施加激励源，忽略空间热辐射带走的热量，假定冷却液的散热比例，根据上式确定边界条件，即可获得饱和电抗器的温度场分布，其中，最高温度称为热点温度，饱和电抗器温度最高位置如附图3所示，由图可知，饱和电抗器温度最高位置出现在内侧沟道位置，此处散热条件最差，以热点温度作为冷却系统设计的控制条件。

3.饱和电抗器冷却结构型式设计

饱和电抗器线圈的中空部分为饱和电抗器的冷却液流经路径。一定流速的冷却液流经线圈后，将线圈产生的热量带走，冷却系统结构型式结构设计如附图4所示。线圈材料为中空铝管，绕制成椭圆形跑道结构，C型铁芯以成对扣接的型式装配在椭圆跑道的直臂上，每两片铁芯之间装配一个铁芯散热器，散热器与对侧直臂上的散热器通过水管相连接。。

4.饱和电抗器冷却流量优化控制

流体冷却效果主要通过控制冷却液的流量来加以限制。根据步骤2中确定的散热比例，通过仿真计算可以得到饱和电抗器热点温度与流量的关系曲线，如附图5所示。

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 (2)

1.一种饱和电抗器热力性能分析与冷却系统设计方法，分为饱和电抗器损耗的计算、饱和电抗器温度场分析、饱和电抗器冷却系统结构型式和饱和电抗器冷却流量优化四个阶段，具体包括以下步骤：

（1）饱和电抗器损耗计算

依据饱和电抗器在换流阀中承受的典型电压、电流波形以及功率的定义式（1），可计算得出饱和电抗器的总损耗，以此作为热力性能分析的激励源：

$P=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)\·i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，T为工作周期，u(t)为饱和电抗器两端电压，i(t)为饱和电抗器两端电流

（2）饱和电抗器温度场分析

饱和电抗器运行中需要满足下面的热平衡约束：

-k▽T·n＝h|T-T_a|^α-1(T-Ta)+E·B(T⁴-T_r ⁴)(2)

其中，k为导热系数，T发热体的表面温度，T_a为环境温度，T_r辐射参考温度，n为单位法向，h为对流换热系数，α为对流指数，B为斯忒潘-玻耳兹曼常数，E为发射率；采用有限元方法，建立饱和电抗器模型，施加激励源，忽略空间热辐射带走的热量，假定冷却液的散热比例，根据公式（2）确定边界条件，即可获得饱和电抗器的温度场分布，其中，最高温度称为热点温度，以热点温度作为冷却系统设计的控制条件；

（3）饱和电抗器冷却结构型式设计

饱和电抗器线圈的中空部分为饱和电抗器的冷却液流经路径，一定流速的冷却液流经线圈后，将线圈产生的热量带走，C型铁芯之间设置散热片，散热片经冷却水管与冷却水路相连接，接合处采用水接头进行连接，对铁芯进行冷却，此外饱和电抗器一部分热量向空气辐射；

（4）饱和电抗器冷却流量优化控制

流体冷却效果主要通过控制冷却液的流量来加以限制，根据步骤（2）中假定的散热比例，通过仿真计算可以得到饱和电抗器热点温度与流量的关系曲线。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述线圈材料为中空铝管，绕制成椭圆形跑道结构，C型铁芯以成对扣接的型式装配在椭圆跑道的直臂上，每两片铁芯之间装配一个铁芯散热器，散热器与对侧直臂上的散热器通过水管相连接。

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