换流阀饱和电抗器铁芯硅钢片绝缘耐压分析

刘士利，刘庆达，孙　刚，蔡国伟，宋卓然

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，沈阳 110015)

换流阀饱和电抗器铁芯硅钢片绝缘耐压分析

刘士利1，刘庆达1，孙刚2，蔡国伟1，宋卓然2

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，沈阳 110015)

摘要：饱和电抗器是直流换流阀的关键设备之一，在晶闸管开通和关断过程中，电抗器铁芯硅钢片会感应出较大的涡流电场，直接影响硅钢片绝缘耐电强度的设计。本文基于磁准静态场，推导了铁芯硅钢片叠片之间的耐压计算公式，并通过COMSOL软件进行仿真分析，验证了公式的正确性。本文所推公式对饱和电抗器的铁芯设计具有重要的指导意义。

关键词：饱和电抗器；硅钢片；耐压；换流阀

我国发电能源和用电负荷分布极不均衡，西部地区经济落后，用电需求小，能源资源却相当丰富；而东部地区经济发达，电力需求量大，能源却最为匮乏；这种能源和负荷中心的分布特点使得跨区域、大规模的电能输送成为必然[1-2]。高压直流输电(high voltage direct current，HVDC)以其输送容量大、输送距离长、系统稳定性强等优势成为大容量、远距离电能传输的最佳技术方案[3-6]。

换流阀实现交直流能量转换，是高压直流输电系统的核心装备之一，通常由饱和电抗器、晶闸管、阻尼电阻、阻尼电容等关键零部件构成[7-9]。其中饱和电抗器起关键保护作用[10-13]：(1)晶闸管开通瞬间，饱和电抗器呈现大阻抗，抑制开通浪涌电流的过快增长；(2)晶闸管开通初期，饱和电抗器铁芯涡流电阻发挥阻尼作用，阻止高频振荡电流的第1波谷电流过零；(3)雷电冲击下，饱和电抗器承担大部分电压应力，保护晶闸管安全运行。

饱和电抗器由铁芯和线圈构成，相当于一台空载变压器，其基本结构如图1所示，两个C型铁芯对接构成完整的磁路，其中C型铁芯由很薄的硅钢片叠加而成，如2所示。

图1 饱和电抗器结构示意图图2 硅钢片叠片结构

在晶闸管开通和关断过程中，由回路电流激发的磁场剧烈变化，铁芯硅钢片中会感应出较大的涡流电场和涡流电动势，从而使得硅钢片之间的绝缘承受一定的电压应力，所以两叠片之间绝缘必须有足够的绝缘强度，否则将发生击穿放电，损坏饱和电抗器，甚至会造成换流阀停运，引起电力传输的中断，因此，研究饱和电抗器铁芯硅钢片之间的绝缘耐压，具有重要的工程意义。本文推导了铁芯硅钢片叠片之间的耐压计算公式，并通过COMSOL软件仿真验证了公式的正确性，该公式对饱和电抗器的铁芯设计具有一定的指导意义。

1硅钢片耐压理论分析

1.1　磁准静态场

根据激励源频率的不同，时变电磁场可分为高频电磁场和低频电磁场，对于低频电磁场，由于电磁场量随时间t变化缓慢，在工程计算中通常忽略二次源的影响，即忽略∂B/∂t或者∂D/∂t，从而将时变电磁场简化为电准静态场或者磁准静态场。变压器和电抗器铁芯中的涡流问题即属于典型的磁准静态场，忽略了位移电流的影响，而仅考虑传导电流，此时磁场和电场分别满足如下方程

(1)

(2)

式中:H为磁场强度，Jc为传导电流，B为磁感应强度，E为电场强度，D为电位移矢量，ρ为电荷体密度。涡流问题可通过求解上述矢量方程得到解决，为简化计算也可以引入位函数进行求解[14]。

1.2　耐压公式推导

高频下硅钢片中的涡流电流会出现严重的肌肤效应，大部分涡流电流沿着硅钢片的外表层流动，如图3a)所示。为便于分析，忽略电磁波的透入深度，即认为电流仅沿硅钢片表面流动，从而将涡流体电流Je等效为线电流ie，见图3b)，两叠片之间的电场如图3c)所示。

图3　硅钢片涡流和电场

假设单片硅钢片的涡流电动势为u1，等效涡流电阻为Re，则涡流等效电路分析模型如图4a)所示，该电路模型可进一步等效简化，如图4b)所示，此时绝缘两侧承受的电压应力最为严酷。

图4　硅钢片耐压计算模型

对于单片硅钢片，其截面上的感应电势可按下式计算

(3)

式(3)中，S为单片硅钢片的导磁截面积，Bn为磁通密度在S截面上的法向分量。

设饱和电抗器线圈的励磁端电压为u2，根据电磁感应定律，u2应等于所有硅钢片产生的感应电势之和，即：

(4)

上式中，n为铁芯对数，N2为线圈匝数，N1为硅钢叠片数。联立(3)和(4)可知，单片硅钢片内感应电势u1与线圈端电压u2的关系为

(5)

假设绝缘层厚度为δ，则绝缘层内平均电场强度大小为

(6)

2仿真计算

2.1　模型说明

基于COMSOL软件对饱和电抗器进行仿真分析，模型如图5所示，为便于分析，设定铁芯对数n= 1，硅钢片叠片数N2=2，绝缘层厚度δ=0.01m。

图5 饱和电抗器仿真模型图6 铁芯磁通密度

在线圈中施加电流激励，铁芯中的磁通分布如图6所示，铁芯的涡流电流分布如图7所示；单片硅钢片截面上的涡流电流如图8所示，计算得到的硅钢片绝缘中电场强度为0.06 V/m。

图7 铁芯感应电流密度图8 硅钢片涡流分布

将仿真模型参数带入公式(6)进行计算，其中u2=1V，N1=1 000，计算结果如下

(7)

可以看出，公式计算结果与仿真计算结果基本相符，从而验证了公式推导的正确性。

3结论

本文推导了饱和电抗器铁芯硅钢片绝缘的电场计算公式，得出了绝缘层电场强度与铁芯对数、硅钢片叠数、线圈匝数、绝缘层厚度及线圈端电压之间的关系，并基于COMSOL软件进行了仿真验证，公式计算结果和仿真计算结果基本一致，从而验证了所推公式的正确性。本文公式可以指导饱和电抗器的铁芯设计，具有重要的工程意义。

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Analysis of Voltage Stress on Silicon-steel Sheets of Saturable Reactor for HVDC Converter Valves

LIU Shi-li1，LIU Qing-da1，SUN Gang2，CAI Guo-wei1，SONG Zhuo-ran2

(1.Electrical Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co.，Ltd，Liaoning Shenyang 110015)

Abstract：Saturable reactor is one of the essential equipments of the DC converter valves.The core silicon-steel sheets will induce high electric field in the process of turning-on and turning-off of the thyristor，which will have a dramatic impact on the voltage stress between the silicon steels-sheets.Based on the quasi-static magnetic field，the calculation formula of withstanding voltage between the silicon steels-sheets is derived，and it is verified by comparing the formula calculation and the simulation result which is obtained by the COMSOL software.The formula proposed in this paper has a guiding significance for the saturable reactor core design.

Key words：Saturable reactor；Silicon-steel sheets；Withstand voltage；Converter valves

中图分类号：TM41

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2015)06-0008-04

作者简介：刘士利(1981-) ，男，河北省邢台市人，东北电力大学电气工程学院副教授，博士，主要研究方向：特高压直流输电、电磁场理论及应用.

基金项目：东北电力大学博士科研启动基金项目(BSJXM201301)

收稿日期：2015-09-12