CN102723879B - 一种换流阀组件均压电容设计方法 - Google Patents

一种换流阀组件均压电容设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种换流阀组件均压电容设计方法。该方法包括下述步骤：确定冲击电压激励源类型；设定组件均压电容初值；建立换流阀冲击电路模型；分析换流阀承受的电压峰值；判断均压系数是否达到要求；确定组件均压电容值；确定所述组件均压电容的冲击电流。该方法建立换流阀冲击电路模型，作为组件均压电容分析和设计工具；以实际运行工况和试验工况，换流阀系统承受的不同形式冲击电压作为设计输入条件，分析了不同容值组件均压电容作用下换流阀系统各个位置的电气应力；从换流阀各阀层电压均匀分布和抑制晶闸管开通电流应力两个角度，分别建立了组件均压电容的上下边界条件，构建夹逼准则，从而使电容值准确确定，精确nF级，满足工程设计要求。

Description

一种换流阀组件均压电容设计方法
技术领域
本发明涉及一种设计方法，具体涉及一种换流阀组件均压电容设计方法。
背景技术
换流阀是实现交直流转换的电力设备，其核心部件的晶闸管。由于单只晶闸管电压耐受能力有一定限制，因此在实际工程中往往需要多只晶闸管串联使用，以提高其电压耐受能力。在具体的应用中，换流阀拓扑单位保护晶闸管级，阀组件，阀模块，阀塔等，如附图1所示，分别表示了换流阀各级结构单元及其连接关系。换流阀包括若干个阀模块和冲击发生器，若干个阀模块按一条龙方式依次串联形成换流阀阀层；冲击发生器两端分别与首端的阀模块及地连接；尾端的阀模块接地。阀模块由阀组件和晶闸管压装单元TCA组成。
其中，阀组件是换流阀设计和生产的基本单元，如图2所示，换流阀系统中阀组件的结构示意图，阀组件装配在阀塔之中，各个阀组件在冲击激励下，承受的电压不均匀，部分阀组件由于承受电压过高大于其耐受极限可能造成设备损坏。究其原因，主要是在冲击电压作用下，换流阀系统呈现电容特性，由于空间位置的不同，各个阀层间的分布电容可能不同，从而引起电压分布不均匀。如果在每个阀组件两端并联一个集中参数的大电容，可以弱化分散电容的影响，间接促使各个阀层承受的电压相同或相近。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种换流阀组件均压电容设计方法，该方法建立了换流阀在冲击电压工况下，计及换流阀杂散参数时的精确的换流阀冲击电路模型，作为组件均压电容分析和设计工具；以实际运行工况和试验工况，换流阀系统承受的不同形式冲击电压作为设计输入条件，分析了不同容值组件均压电容作用下换流阀系统各个位置的电气应力；从换流阀各阀层电压均匀分布和抑制晶闸管开通电流应力两个角度，分别建立了组件均压电容的上下边界条件，构建夹逼准则，从而使电容值准确确定，精确nF级，满足工程设计要求。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种换流阀组件均压电容设计方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
A、确定冲击电压激励源类型；
B、设定组件均压电容初值；
C、建立换流阀冲击电路模型；
D、分析换流阀承受的电压峰值；
E、判断均压系数是否达到要求；
F、确定组件均压电容值；
G、确定所述组件均压电容的冲击电流。
优选的，所述步骤A中，所述冲击电压激励源类型包括操作冲击电压、雷电冲击电压和陡波冲击电压。
优选的，所述步骤B中，组件均压电容初值为1nF或2nF。
优选的，所述步骤C中，在冲击电压作用下，换流阀不同阀层间，以及各个阀层与大地之间的耦合关系用等值电容来表征；所述等值电容包括邻阀层间不同屏蔽罩的电容、阀层屏蔽罩对地电容、顶部屏蔽罩对地电容和同一阀层两个屏蔽罩之间的电容；将所述等值电容根据电气关系串并联连接，得到换流阀冲击电路模型。
较优选的，所述换流阀冲击电路模型包括至少一个的阀层；每个阀层之间按一条龙形状串联；
每个阀层包括两个饱和电抗器SR、两个晶闸管压装单元TCA、两个组件均压电容CT，五个各屏蔽罩对地杂散电容CG和五个阀层屏蔽罩之间杂散电容CL；
在阀层的顶端连接有四个阀层屏蔽罩与顶屏蔽罩杂散电容CLP；四个阀层屏蔽罩与顶屏蔽罩杂散电容CLP两两之间并联；在阀层的最底端连接有四个阀层屏蔽罩与底屏蔽罩杂散电容CLG；四个阀层屏蔽罩与底屏蔽罩杂散电容CLG两两之间并联。
较优选的，所述两个晶闸管压装单元串联，所述两个饱和电抗器分别串联在两个晶闸管压装单元的两端；所述两个组件均压电容串联后与串联的饱和电抗器以及晶闸管压装单元并联；
在其中一个饱和电抗器的输入端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL1和各屏蔽罩对地杂散电容CG1；
在其中一个饱和电抗器SR的输出端和其中一个晶闸管压装单元TCA的输入端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL2和各屏蔽罩对地杂散电容CG2；
在其中一个晶闸管压装单元TCA的输出端和另一个晶闸管压装单元TCA输入端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL3和各屏蔽罩对地杂散电容CG3；
在另一个晶闸管压装单元TCA的输出端和另一个饱和电抗器SR的输入端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL4和各屏蔽罩对地杂散电容CG4；
在另一个饱和电抗器SR的输出端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL5和各屏蔽罩对地杂散电容CG5；
所述阀层屏蔽罩之间杂散电容CL两两之间并联；所述各屏蔽罩对地杂散电容CG两两之间并联。
优选的，所述步骤D中，所述换流阀不同阀层间组件均压电容增大，则换流阀承受的电压峰值降低。
优选的，所述步骤E中，不同阀层间组件均压电容的均压系数k不超过1.2；
若符合均压系数k不超过1.2，则进行步骤F；否则，修正所述换流阀组件均压电容并返回步骤C。
优选的，所述步骤F中，根据均压系数k不超过1.2来确定组件均压电容值；所述均压系数k用下述①式表示：
k = u r u a ①；
式中：ur表示各阀层承受的实际电压；ua表示各阀层的平均电压。
优选的，所述步骤G中，确定所述组件均压电容的冲击电流所述用下述②式表示：
i C T = C T du C T dt ②；
式中：表示组件均压电容的冲击电流；CT表示组件均压电容，表示组件均压电容两端电压。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明提供的换流阀组件均压电容设计方法，建立了换流阀计及分布参数影响的冲击电路模型，从而使分析计算准确严密；
2、本发明提供的换流阀组件均压电容设计方法，从换流阀各组部件稳定可靠运行角度分别提出了换流阀组件均压电容设计的两个边界条件，构建夹逼准则，由两个矛盾性边界条件的优化，确定组件均压电容的具体数值。
附图说明
图1是现有技术的换流阀系统的结构示意图；
图2是本发明提供的换流阀冲击电路模型的电气连接关系图；
图3是本发明提供的换流阀承受的电压峰值波形图；
图4是本发明提供的换流阀组件均压电容冲击电流波形图；
图5是本发明提供的换流阀组件均压电容设计方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图5所示，图5是本发明提供的换流阀组件均压电容设计方法的流程图，该方法包括下述步骤：
A、确定冲击电压激励源类型：换流阀承受的冲击电压主要有操作、雷电、陡波三种类型，其中，雷电和陡波的频率较高，在这两种激励源作用下，杂散电容的作用较为明显，对换流阀不同阀层间电压分布的影响开始显现。
B、设定组件均压电容初值：组件均压电容初值为1nF或2nF。
C、建立换流阀冲击电路模型：在冲击电压作用下，换流阀不同阀层间，以及各个阀层与大地之间的耦合关系可以用等值电容来表征，等值电容存在四种类型的电容，即相邻阀层间不同屏蔽罩的电容，阀层屏蔽罩对地电容，顶部屏蔽罩对地电容，同一阀层两个屏蔽罩之间的电容，将这些电容根据电气关系串并联连接，即可形成换流阀冲击电路模型。
如图2所示，图2是本发明提供的换流阀冲击电路模型的电气连接关系图，换流阀冲击电路模型包括至少一个的阀层；每个阀层之间按一条龙形状串联；
每个阀层包括两个饱和电抗器SR（Satural Reactor,SR）、两个晶闸管压装单元TCA（Thyristor ClampedAssembly，TCA）、两个组件均压电容CT，五个各屏蔽罩对地杂散电容CG和五个阀层屏蔽罩之间杂散电容CL；
在阀层的顶端连接有四个阀层屏蔽罩与顶屏蔽罩杂散电容CLP；四个阀层屏蔽罩与顶屏蔽罩杂散电容CLP两两之间并联；在阀层的最底端连接有四个阀层屏蔽罩与底屏蔽罩杂散电容CLG；四个阀层屏蔽罩与底屏蔽罩杂散电容CLG两两之间并联。
所述两个晶闸管压装单元串联，所述两个饱和电抗器分别串联在两个晶闸管压装单元的两端；所述两个组件均压电容串联后与串联的饱和电抗器以及晶闸管压装单元并联；
在其中一个饱和电抗器的输入端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL1和各屏蔽罩对地杂散电容CG1；
在其中一个饱和电抗器SR的输出端和其中一个晶闸管压装单元TCA的输入端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL2和各屏蔽罩对地杂散电容CG2；
在其中一个晶闸管压装单元TCA的输出端和另一个晶闸管压装单元TCA输入端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL3和各屏蔽罩对地杂散电容CG3；
在另一个晶闸管压装单元TCA的输出端和另一个饱和电抗器SR的输入端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL4和各屏蔽罩对地杂散电容CG4；
在另一个饱和电抗器SR的输出端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL5和各屏蔽罩对地杂散电容CG5；
所述阀层屏蔽罩之间杂散电容CL两两之间并联；所述各屏蔽罩对地杂散电容CG两两之间并联。
D、分析换流阀承受的电压峰值：对换流阀分别施加雷电和陡波激励，不同的组件均压电容的作用下，换流阀电压峰值不同，以最靠近入射端阀组件为例，随着组件均匀电容的增大，其承受的电压峰值逐渐降低，如图3所示，表示了不同组件均压电容与换流阀阀模块峰值电压对应关系。由此可见，组件均压电容越大，对抑制换流阀过电压，均匀阀层间电压分布越有利。
E、判断均压系数是否达到要求：在保证换流阀各个阀层均压系数不超过1.2的情况下，组件均压电容尽可能小。
F、确定组件均压电容值：尽管在冲击电压作用下，组件均压电容有很好的均压作用，但其电容值也需要加以限制，这是因为在额定运行工况下，换流阀在阻断状态下，电压作用在电容两端会储存一定的能量，电容值越大，储存能量越高；在晶闸管导通瞬间，组件均压电容被短路，从而向晶闸管泄放电流，而晶闸管在导通初期其电流耐受能力较差，因此晶闸管泄放电流必须加以限制，组件均压电容值不能过高，从这个角度分析，要求组件均压电容越小越好，
G、确定所述组件均压电容的冲击电流：根据晶闸管泄放电流必须加以限制，组件均压电容值不能过高的准则来确定组件均压电容的冲击电流；换流阀组件均压电容电流波形如图4所示，图4表示了不同组件均压电容值与冲击电流的对应关系，图4中从上到下的先依次为组件均压电容9nF、7nF、4nF和1nF时冲击电流的波形。
实施例
以±800kV特高压换流阀组件均压电容设计为例进行说明。
在雷电冲击下进行分析，组件均压电容取1nF，建立冲击模型，确定图2中所示的各电容参数，计算各阀层电压，计算均压系数，判断均压系数是否满足要求，增大组件均压电容，重复上述过程；当组件均压电容取5nF时，均压系数满足要求，计算冲击电流。为了进行更多的研究工作，将组件均压电容增大至10nF，重复上述过程。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种换流阀组件均压电容设计方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
A、确定冲击电压激励源类型；
B、设定组件均压电容初值；
C、建立换流阀冲击电路模型；
D、分析换流阀承受的电压峰值；
E、判断均压系数是否达到要求；
F、确定组件均压电容值；
G、确定所述组件均压电容的冲击电流；
所述步骤C中，在冲击电压作用下，换流阀不同阀层间，以及各个阀层与大地之间的耦合关系用等值电容来表征；所述等值电容包括邻阀层间不同屏蔽罩的电容、阀层屏蔽罩对地电容、顶部屏蔽罩对地电容和同一阀层两个屏蔽罩之间的电容；将所述等值电容根据电气关系串并联连接，得到换流阀冲击电路模型；
所述换流阀冲击电路模型包括至少一个的阀层；每个阀层之间按一条龙形状串联；
每个阀层包括两个饱和电抗器SR、两个晶闸管压装单元TCA、两个组件均压电容CT，五个各屏蔽罩对地杂散电容CG和五个阀层屏蔽罩之间杂散电容CL；
在阀层的顶端连接有四个阀层屏蔽罩与顶屏蔽罩杂散电容CLP；四个阀层屏蔽罩与顶屏蔽罩杂散电容CLP两两之间并联；在阀层的最底端连接有四个阀层屏蔽罩与底屏蔽罩杂散电容CLG；四个阀层屏蔽罩与底屏蔽罩杂散电容CLG两两之间并联；
所述两个晶闸管压装单元串联，所述两个饱和电抗器分别串联在两个晶闸管压装单元的两端；所述两个组件均压电容串联后与串联的饱和电抗器以及晶闸管压装单元并联；
在其中一个饱和电抗器的输入端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL1和各屏蔽罩对地杂散电容CG1；
在其中一个饱和电抗器SR的输出端和其中一个晶闸管压装单元TCA的输入端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL2和各屏蔽罩对地杂散电容CG2；
在其中一个晶闸管压装单元TCA的输出端和另一个晶闸管压装单元TCA输入端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL3和各屏蔽罩对地杂散电容CG3；
在另一个晶闸管压装单元TCA的输出端和另一个饱和电抗器SR的输入端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL4和各屏蔽罩对地杂散电容CG4；
在另一个饱和电抗器SR的输出端分别连接有阀层屏蔽罩之间杂散电容CL5和各屏蔽罩对地杂散电容CG5；
所述阀层屏蔽罩之间杂散电容CL两两之间并联；所述各屏蔽罩对地杂散电容CG两两之间并联；
所述步骤F中，根据均压系数k不超过1.2来确定组件均压电容值；所述均压系数k用下述①式表示：
k = u r u a     ①；
式中：ur表示各阀层承受的实际电压；ua表示各阀层的平均电压；
所述步骤G中，确定所述组件均压电容的冲击电流所述用下述②式表示：
i C T = C T du C T dt     ②；
式中：表示组件均压电容的冲击电流；CT表示组件均压电容，表示组件均压电容两端电压。
2.如权利要求1所述的换流阀组件均压电容设计方法，其特征在于，所述步骤A中，所述冲击电压激励源类型包括操作冲击电压、雷电冲击电压和陡波冲击电压。
3.如权利要求1所述的换流阀组件均压电容设计方法，其特征在于，所述步骤B中，组件均压电容初值为1nF或2nF。
4.如权利要求1所述的换流阀组件均压电容设计方法，其特征在于，所述步骤D中，所述换流阀不同阀层间组件均压电容增大，则换流阀承受的电压峰值降低。
5.如权利要求1所述的换流阀组件均压电容设计方法，其特征在于，所述步骤E中，不同阀层间组件均压电容的均压系数k不超过1.2；
若符合均压系数k不超过1.2，则进行步骤F；否则，修正所述换流阀组件均压电容并返回步骤C。
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