高压直流换流阀饱和电抗器基本原理研究

艾亮

摘   要：随着高压直流输电系统的不断完善，高压直流换流阀得到了不断的发展，国内的换流阀饱和电抗器发展也逐渐实现了自主研发和国产化。要进行换流阀饱和电抗器的性能研究，就需要结合实际案例分别对饱和电抗器的水压耐受能力、直流损耗以及饱和特性等进行研究，尤其是针对国内换流阀饱和电抗器的发展和应用现状进行探讨。文章将进行高压直流换流阀饱和电抗器基本原理研究，以期能够为自主化换流阀的整体水平提高提供参考。

关键词：高压直流;换流阀;饱和电抗器;原理

高压直流换流阀在高压直流输电工程中扮演着重要角色，换流阀的制造水平和质量是直流输电系统的重要保障，决定着直流输电系统的安全运行，是国际电力设备发展水平的重要体现。饱和电抗器是换流阀的重要组成部分，承担着同流的作用，在换流阀设备制造中占据了很大一部分。在国际饱和电抗器的技术发展过程中，外商技术一直处于垄断地位，虽然我国的高压直流换流阀设备研究不断深入，但是大多数的饱和电抗器还是采用外商的产品。国内在生产和使用过程中，通过技术引进ABB和西门子等技术，实现了技术合作并且逐渐掌握了（±500） kV/（±800） kV直流输电工程的换流阀及其关键件的设计、制造技术，在研究和开发过程中我国的高压直流工程换流阀饱和电抗器产品也逐渐被投产使用。

1    饱和电抗器原理及特点

1.1  饱和电抗器原理

高压直流输电换流阀在高压直流输电过程中保证直流交换，主要包括饱和电抗器、晶闸管和阻尼电容等多元器件，而饱和电抗器是直流输电换流阀的核心部件。从电抗器的构造来看，其构造和变压器的构造有很多相同的地方，主要构造是铁芯和线圈，结构相对简单。其工作特性符合铁磁质磁化曲线和非特性曲线，工作过程中会在电抗器内部形成完整磁通路，主要部件包括C型铁芯、线圈、散热器、端子构成，而铁芯的主要组成部分是薄硅钢片。图1为电抗器实物及简化示意。

1.2  饱和电抗器的作用及特点

换流阀饱和电抗器在使用过程中，需要和硅碓串联使用，电流应力的大小和晶闸管的相同，主要起保护晶闸管的作用，而且能够限制晶闸管开通时的电流上升率。

换流阀使用饱和电抗器之后，能够提高换流阀的通流能力，加快换流阀的冷却速度，所以在冷却方式上通常采用直接冷却的方式。所以，要进行饱和电抗器的设计，还需要综合换流阀的整体技术路线。

1.3  饱和电抗器的水压耐受能力分析

正如上文所提，换流阀饱和电抗器采用的冷却方式是直接冷却，所以要保证其具有很好的水压耐受能力。因此，在饱和电抗器水压耐受能力的设计过程中，要充分考虑工程换流阀水路运行的水压压强，保证能够在使用中承受住1.5倍的压力。

较大的水压设计裕度能够在换流阀饱和电抗器的使用过程中，保证其具有很好的耐受特性，滿足直流工程的运行要求。当然，在我国的饱和电压器研制过程中，初期的换流阀饱和电抗器的水压耐受特性研究一直是国内研究的重难点，但是随着近些年研究的不断深入，国内的饱和电抗器的水路零部件研发技术不断深入和完善，目前国内的制造水平也得到了不断地提高，其生产已经达到了国际水平。

2    饱和电抗器的特性分析

2.1  伏安特性

饱和电抗器在工作中的重要特性就是伏安特性（曲线见图2），特性曲线的横坐标是磁场强度，纵坐标是磁感应强度。其中，交流电流的有效值就是磁场强度，交流电压的有效值用磁感应强度表示，因此，伏安特性曲线也被称作交直流同时磁化曲线。

如图2所示，在保证电流恒定的过程中，在电源电压较低的时候，曲线的趋势首先会随着电流的增长而增长，此时的磁路磁通工作区域是磁激点附近，主要是直流激磁。随着电压的不断升高，曲线的趋势进入了第二阶段，也就是恒流控制区，电抗器在工作过程中的交流工作电流和直流控制电流的关系是安匝关系，其变化受到电压的影响较小。随着电压的不断增大，电抗器逐渐达到了饱和状态。

从伏安特性曲线来看，在交流电压有效值保持在特定的范围内，饱和电抗器具有良好的线性控制特性。

2.2  输入输出特性

结合电抗器的工作原理来看，要保证饱和电抗器的正常工作，就需要保证电抗器的电感极限变化保持在特定的范围内，铁磁材料的磁导率是非线性的，所以饱和电抗器电感值的特性也是非线性变化。当铁磁材料的磁导率达到了磁饱和时，电抗器的输入和输出特性开始接近线性。横轴是励磁电流值，纵轴是电抗标幺值和输出工作电流标幺值。一旦励磁电源接入，会使直流绕组励磁电流逐渐增大，电抗器输入、输出特性表示的就是电感器电抗值和输出工作电流的曲线。并且随着电流的逐渐增加，会使电抗器的铁芯逐渐趋于饱和状态。同时，工作绕组的电抗值不断变小，电流逐渐变大。当励磁电超增达到SA之后，输出电流的上升变化不再明显，开始逐渐趋向于稳定，这时电抗器处于深度饱和状态。

2.3  谐波分析

谐波分量是供电质量评价的重要指标，但是在电力系统中要保证系统的正常运行，需要注入高次谐波电流，同时会给电压波形造成很大的影响，甚至会出现电压波形畸变。高次谐波对电力系统的影响很大，会严重影响电力系统的安全性和经济性，所以，要想办法对其进行合理抑制。

工作过程中，饱和电抗器的交流电流主要有奇次谐波和偶次谐波，而且饱和电抗器的工作状态是非线性状态。从交流电流形式来看，最多的是奇次谐波，而偶次谐波仅占到其中一小部分。但是，其中的偶次谐波是饱和电抗器通路必不可少的一部分。正是由于电抗器采用的是铁磁材料，通过实验和数据统计发现，材料本身特性使得其奇次谐波占到了大多数。

在电力系统中要考虑通过合理措施进行滤波，尽可能减少谐波对电力系统产生的影响，所以要合理使用LC滤波进行滤波处理。因此要保证电抗器设计的合理性和使用的科学性，可以采用三角形连接和外延三角形连接等电抗器绕组方式，使其能够从结构和设计上尽量减少自身的谐波分量。此外，要减少谐波的影响，还可以通过合理增大控制电流、增加电抗器饱和程度等方式减少谐波对电力系统的影响。

3    仿真实验及分析

针对以上特性分析，进行科学仿真试验，结果显示换流阀在晶闸管开通的时候，和晶闸管关断状态相比较，饱和电抗器铁损的瞬时功率会增大很多，逆变侧饱和电抗器的磁滞回线的主要分布区域是一、三象限。逆变侧饱和电抗器的磁滞回线分布情况说明整流侧的开通消耗较小，而关断消耗更大。如果直流换流阀关断，直流换流阀承受电压跳变的过程中会产生较多的电流脉冲，这也是导致电抗器铁芯产生磁滞回线的重要原因。

4    结语

随着电力系统的不断完善，近年来我国的换流阀和饱和电抗器的研究、开发不断深入，制造能力不断提高，但是和国际水平还是有一定的差距，因此，笔者希望能够为高压直流换流阀和电抗器研究贡献一份力，助推我国高端电力设备发展。

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