CN109217277A - 一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器 - Google Patents

一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器，由两部分组成，可变电抗器和电阻器；所述的可变电抗器包括铁心，铁心上缠绕有主电感线圈和偏磁线圈；主电感线圈一端连接换流变器阀侧母线，另一端和电阻器串联后接地；偏磁绕组与可变直流电流源连接。本发明根据实际阀厅中换流变阀侧接线方式以及套管参数，初步计算出对地杂散参数，并在此基础上计算出过电压抑制器电抗初步值，运行中根据系统参数以及换相过电压监测值对电感进行调整。通过换相过电压抑制器的作用，消除换流变器阀侧套管等产生的杂散电容影响，有效的降低换流阀避雷器以及晶闸管的电压应力，以此来降低换流阀故障停运以及频繁检修的风险。

Description

一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器
技术领域
本发明属于电力工程技术领域，具体涉及一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器。
背景技术
基于晶闸管的高压直流输电系统以其技术成熟、损耗低以及成本低等特点，在长距离大容量送电及电网互联方面有着明显的优势。由于我国能源分布不均衡、经济发展水平差异大的特点，高压直流输电技术在我国“西电东送，全国联网”战略中发挥着重要作用。近几年，在我国已经有多条高压直流输电线路并网投入运行，而且伴随着经济发展与能源结构转型的趋势，未来直流输电线路会日益增多。
基于晶闸管的换流阀是高压直流输电系统的核心设备，其价格昂贵，维护检修等成本较高。实际工程中换流阀以若干布局与阀厅的阀塔形式运行，一旦出现运行故障将导致整个换流阀甚至换流站的停运。换流阀结构比较复杂，每个阀塔由四个单阀或者两个单阀组成。单阀在运行过程中内部所有的晶闸级为串联关系，运行过程中同时触发导通或者关断状态。通过对晶闸管的周期开通的控制，实现交直流侧能量的转换。换流变压器阀侧母线通过套管与换流阀相连，由于套管绝缘材料、结构、布局特性等原因，实际运行过程中在换流阀与换流变阀侧母线上存在较大的杂散电容。该电容严重将导致稳态或者暂态过程中换流阀两端产生较大的换相过电压。该值有可能超过换流阀V型避雷的频繁动作，使其寿命降低，并严重危害换流阀的稳定运行，降低换流阀的可靠性。目前业界内针对换流阀杂散参数的严重就主要从宽频模型去分析换流阀暂态过电压，并未针对换相过电压进行研究。尤其是针对由于杂散电容引起的换相过电压的抑制方法，业界内并未进行研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器，以解决上述技术问题。该换相过电压抑制器以提升高压直流输电系统换流阀可靠性为目的，通过换相过电压抑制器中可变电感器、电阻器与换流变压器阀侧对地杂散电容形成并联谐振回路，并通过对电感参数的调整以抵消换流变压器阀侧对地杂散电容。
为了实现上述目的，本发明采用下述方案：
一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器，由两部分组成，可变电抗器和电阻器；所述的可变电抗器包括铁心，铁心上缠绕有主电感线圈和偏磁线圈；主电感线圈一端连接换流变器阀侧母线，另一端和电阻器串联后接地；偏磁绕组与可变直流电流源连接。
进一步的，换流阀系统处于启动、降功率或者其他暂态运行过程中；通过调节可变直流电流源的电流大小，进而对铁心的磁场B的调节，使铁心进入饱和状态。
进一步的，当换流阀系统处于稳定运行过程中，通过对可变直流电流源输出电流的调节，控制铁心的磁场B变化，经过主电感线圈和偏磁线圈磁场的调节，将铁心磁场B的控制在铁心磁滞回线的线性变化区。
进一步的，当换流阀系统处于稳定运行过程中，根据换流变阀侧母线杂散电容的值调节主电感线圈的电感，通过电感、电阻形成杂散电容的并联谐振回路。
进一步的，所述的换相过电压抑制器，通过并联谐振回路实现对换流变阀侧母线的容性杂散电容的抑制和改变，进而实现对杂散电容效应的抵消。
进一步的，所述的换相过电压抑制器，通过换流变阀侧母线杂散电容效应的抵消来实现对换流阀两端换相过电压的抑制。
进一步的，根据换流阀阀厅中换流变阀侧接线方式以及套管参数，计算出换流阀系统对地杂散参数，并计算出过电压抑制器电抗初步值；运行中根据换流阀系统参数以及换相过电压监测值对电感进行调整；通过换相过电压抑制器，消除换流变器阀侧套管产生的杂散电容。
本发明一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器，以提升高压直流输电换流阀可靠性为目的，该换相过电压抑制器由可变电抗器以及电阻器串联组成。可变电抗器由铁心以及两个绕组构成，电抗绕组为主线圈，电抗绕组和电阻器串联；偏磁绕组为电抗调节绕组，该绕组与可变直流电流源连接。通过换相过电压抑制器中可变电感器、电阻器与换流变压器阀侧对地杂散电容形成并联谐振回路，并通过对电感参数的调整以抵消换流变压器阀侧对地杂散电容。通过换相过电压抑制器的作用来抑制换相过程中换流阀两端的换相过电压值，降低换流阀避雷器以及晶闸管的电压应力，提高设备寿命，降低换流阀设备的停运以及频繁检修的风险。
本发明换相过电压抑制器，根据换流阀在阀厅中的实际接线方式分析出换流变阀侧的杂散参数，通过可变电感器、电阻器与换流变压器阀侧对地杂散电容形成并联谐振回路，对电感参数的调整以抵消换流变压器阀侧对地杂散电容。以此来实现换相过程中换流阀两端的换相过电压值的抑制，降低换流阀避雷器以及晶闸管的电压应力，提高设备寿命，提升换流阀可靠性。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1)针对换流阀稳态运行工况进行设计优化，可以有效的提升换流阀可靠性；
2)换相过电压抑制器结构简单，运行操作方便，具有较好的经济性；
3)换相过电压抑制器中主线圈电感可调，运行中可以实现多种运行状态的切换；
4)换相过电压抑制器作用目标和功能比较集中，不会对系统运行产生影响。
附图说明
图1为高压直流输电换流阀接线方式。
图2为换流阀运行过程中引起换相过电压的杂散电容。
图3为换相过电压抑制器原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。
图1所示为高压直流输电换流阀接线方式示意图。高压直流输电系统采用电网换相技术，以半控型器件晶闸管为基本换流单元。工程中换流器以阀塔的形式运行于阀厅中。换流阀实际运行过程中以每个单阀为单元，整个单阀同时处于导通或者关断状态。任何单阀设备的故障停运以及故障检修都会引起整个换流器的停运，造成换流阀可靠性降低。
晶闸管在实际运行中的导通过程和关断过程中会出现响应的非线性特征，另外晶闸管触发导通后其呈现出小阻抗特性，完成关断后将出现大阻抗特性。在导通和关断过程中，存在单阀中电流的突变，由于杂散参数的存在会导致换相过程中两端产生过电压。本发明中所提供的换相过电压抑制器，根据换流阀在阀厅中的实际接线方式分析出换流变阀侧的杂散参数，通过可变电感器、电阻器与换流变压器阀侧对地杂散电容形成并联谐振回路，对电感参数的调整以抵消换流变压器阀侧对地杂散电容。以此来实现换相过程中换流阀两端的换相过电压值的抑制，降低换流阀避雷器以及晶闸管的电压应力，提高设备寿命，提升换流阀可靠性。以下结合附图说明本发明的内容以及实施步骤。
高压直流输电系统中换流阀位于阀厅内，换流阀按照阀厅布局设置分布于阀厅内。换流阀直流侧通过直流汇集母线形成正极母线、负极母线以及中性母线。直流线路通过直流穿墙套管进入直流厅。换流阀交流侧与换流变压器相连，换流变压器位于变压器厅，工程中一般采用单相双绕组换流阀变压器。每个六脉动换流器对应三台单相双绕组变压器，一个十二脉动换流器对应六台变压器。
建模过程中提取了实际组件模型的参数之后，进行简化和等效，组件的金属横梁、晶闸管两端的散热器、TCE外壳等金属部件必须保持原有的尺寸和形状；晶闸管也按照原来的形状进行设置，但是要根据开通或者关断两种状态给晶闸管设置不同的材料属性。
换流器厅与阀厅之间通过阀侧母线连接，阀侧交流母线通过穿墙套管进入阀厅，且该母线采用封闭导线形式，采用套管形式。母线套管以及穿墙套管一般采用的都是高介电常数的绝缘材料。由于高压母线套管的尺寸比较大，长度比较长，导致导体正对地的表面积比较大，因此在换流阀交流侧形成一个较大的对地杂散电容。
图2所示为换流阀运行过程中杂散电容的影响。换流阀运行过程中每个单阀相当于六脉动换流器的一个桥臂，运行过程中单阀同时处于导通和关断状态。单阀的开关状态切换过程中，存在对大电流的导通和关断过程，且回路中存在大量的电感参数，如饱和电抗器、平波电抗器等。由于换流变阀侧母线存在一个较大的杂散电容；该杂散电容位于换流阀的端部。由于稳态运行中上、下桥臂不存在同时切换开关模式的工况，因此阀侧杂散全部作用于其中一个单阀的换相过程切换。
由于换相回路中电感参与以及换流阀端部杂散电容的存在，会导致换相过程中换流阀两端产生过电压。该换相过程电压可能会导致单阀两端电压超过换流阀V型避雷器参考电压，导致避雷器频繁动作，影响避雷器寿命，降低了换流阀可靠性。另外，换流阀长期处于较高的过电压冲击作用下，会造成阀体内绝缘寿命的降低，降低了换流阀可靠性。
请参阅图3所述，本发明一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器，由可变电抗器以及电阻器串联两大部分组成。可变电抗器由铁心1以及两个绕组构成，电抗绕组Li为主线圈，电抗绕组Li一端连接换流变器阀侧母线，另一端和电阻器Ri串联后接地。
铁心1的另外一个绕组为偏磁绕组，偏磁绕组的目的是对主线圈电抗绕组Li进行调节。偏磁绕组与可变直流电流源2连接。利用直流电流形成的磁场B去调节和改变铁心1磁滞回线的运行点，进而改变铁心1的相对磁导率。电抗绕组Li的绕组结构不发生变化，因此通过对直流电流的调节可以实现对电抗绕组Li的电抗调节。
系统处于启动、降功率或者其他暂态运行过程中，当换相过程中换流阀两端产生的过电压的幅值偏小，对系统造成的影响不严重，可以不考虑的情况下。通过调节可变直流电流源2的电流大小，进而对铁心1的磁场B的调节，使铁心1进入饱和状态，铁心1的磁导率处于较小的值，电抗绕组Li的电抗值非常小，甚至可以忽略其电感作用。
当系统处于稳定运行过程中，系统实时监测到的换相过程中换流阀两端出现比较严重的过电压或者监测到换流阀V型避雷器频繁动作，但此时系统并未发出故障警告的情况下。通过对可变直流电流源2输出电流的调节，控制铁心1的磁场B变化，经过电抗线圈Li以及偏磁线圈磁场的调节，将铁心磁场B的控制在铁心磁滞回线的线性变化区，以此来改变电抗绕组Li的电抗大小。
杂散电容的柔性电流如下所示:
在公式(1)中Cs为换流变阀侧杂散电容，Uv为母线电压，Xc为杂散电容对应的容抗值，Ic为流过杂散电容的电流，Iv为母线并联系统的杂散电流。式中可以得到，母线杂散电流主要为流过套管的容性电流Ic。
采用换相过电压抑制器后，流过抑制器的电流如下所示：
式在公式(2)中，ZL为采用换相变压器后，系统的等效阻抗值，Ri为换相过电压抑制器中串联电阻器Ri的电阻值；Li为抑制器运行过程中电抗绕组Li的电感值，IL为流过换相过电压抑制器的电流。换相过电压抑制器对杂散电容形成了并联的关系，从而通过IL改变杂散电容的效应。
采用换相过电压抑制器后换流变压器母线杂散电流如下所示：
式在公式(3)中，Iv1为采用换相过电压抑制器后，换流变压器阀侧母线并联系统的杂散电流；结合公式(1)可知，利用过电压抑制中的电感作用可以实现对母线杂散电容电流的抑制，从而抵消杂散电容对系统的影响，最终实现对换相过电压的抑制。
本发明提出的用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器。该换相过电压抑制器以提升高压直流输电系统换流阀可靠性为目的，通过换相过电压抑制器中可变电感器、电阻器与换流变压器阀侧对地杂散电容形成并联谐振回路，并通过对电感参数的调整以抵消换流变压器阀侧对地杂散电容。本发明所述的换相过电压抑制器由可变电抗器以及电阻器串联组成。可变电抗器由铁心以及两个绕组构成，电抗绕组为主线圈，电抗绕组和电阻器串联；偏磁绕组为电抗调节绕组，该绕组与可变直流电流源连接。根据实际阀厅中换流变阀侧接线方式以及套管参数，初步计算出对地杂散参数，并在此基础上计算出过电压抑制器电抗初步值，运行中根据系统参数以及换相过电压监测值对电感进行调整。通过换相过电压抑制器的作用，消除换流变器阀侧套管等产生的杂散电容影响。采用本发明所述的换相过电压抑制器可以有效的降低换流阀V型避雷器以及晶闸管的电压应力，以此来提高设备寿命和降低换流阀故障停运以及频繁检修的风险，实现对换流阀稳定性和可靠性的提升，具有较好的实用性和经济性，从而实现对换流阀可靠性的提升，具有较好的实用性和经济性性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行的各种修改或变更的行为，均在本发明专利的权利申请要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器，其特征在于，由两部分组成，可变电抗器和电阻器；
所述的可变电抗器包括铁心(1)，铁心(1)上缠绕有主电感线圈和偏磁线圈；主电感线圈一端连接换流变器阀侧母线，另一端和电阻器串联后接地；
偏磁线圈与可变直流电流源(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器，其特征在于，换流阀系统处于启动、降功率或者其他暂态运行过程中；通过调节可变直流电流源(2)的电流大小，进而对铁心(1)的磁场B的调节，使铁心(1)进入饱和状态。
3.根据权利要求1所述的一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器，其特征在于，当换流阀系统处于稳定运行过程中，通过对可变直流电流源(2)输出电流的调节，控制铁心(1)的磁场B变化，经过主电感线圈和偏磁线圈磁场的调节，将铁心磁场B的控制在铁心磁滞回线的线性变化区。
4.根据权利要求1所述的一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器，其特征在于，当换流阀系统处于稳定运行过程中，根据换流变阀侧母线杂散电容的值调节主电感线圈的电感，通过电感、电阻形成杂散电容的并联谐振回路。
5.根据权利要求4所述的一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器，其特征在于，所述的换相过电压抑制器，通过并联谐振回路实现对换流变阀侧母线的容性杂散电容的抑制和改变，进而实现对杂散电容效应的抵消。
6.根据权利要求5所述的一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器，其特征在于，所述的换相过电压抑制器，通过换流变阀侧母线杂散电容效应的抵消来实现对换流阀两端换相过电压的抑制。
7.根据权利要求1所述的一种用于提升换流阀可靠性的换相过电压抑制器，其特征在于，根据换流阀阀厅中换流变阀侧接线方式以及套管参数，计算出换流阀系统对地杂散参数，并计算出过电压抑制器电抗初步值；运行中根据换流阀系统参数以及换相过电压监测值对电感进行调整；通过换相过电压抑制器，消除换流变器阀侧套管产生的杂散电容。
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