高壓直流換流閥飽和電抗器基本原理研究

艾亮

摘? ?要：隨著高壓直流輸電系統的不斷完善，高壓直流換流閥得到了不斷的發展，國內的換流閥飽和電抗器發展也逐漸實現了自主研發和國產化。要進行換流閥飽和電抗器的性能研究，就需要結合實際案例分別對飽和電抗器的水壓耐受能力、直流損耗以及飽和特性等進行研究，尤其是針對國內換流閥飽和電抗器的發展和應用現狀進行探討。文章將進行高壓直流換流閥飽和電抗器基本原理研究，以期能夠為自主化換流閥的整體水平提高提供參考。

關鍵詞：高壓直流;換流閥;飽和電抗器;原理

高壓直流換流閥在高壓直流輸電工程中扮演著重要角色，換流閥的制造水平和質量是直流輸電系統的重要保障，決定著直流輸電系統的安全運行，是國際電力設備發展水平的重要體現。飽和電抗器是換流閥的重要組成部分，承擔著同流的作用，在換流閥設備制造中占據了很大一部分。在國際飽和電抗器的技術發展過程中，外商技術一直處于壟斷地位，雖然我國的高壓直流換流閥設備研究不斷深入，但是大多數的飽和電抗器還是采用外商的產品。國內在生產和使用過程中，通過技術引進ABB和西門子等技術，實現了技術合作并且逐漸掌握了（±500） kV/（±800） kV直流輸電工程的換流閥及其關鍵件的設計、制造技術，在研究和開發過程中我國的高壓直流工程換流閥飽和電抗器產品也逐漸被投產使用。

1? ? 飽和電抗器原理及特點

1.1? 飽和電抗器原理

高壓直流輸電換流閥在高壓直流輸電過程中保證直流交換，主要包括飽和電抗器、晶閘管和阻尼電容等多元器件，而飽和電抗器是直流輸電換流閥的核心部件。從電抗器的構造來看，其構造和變壓器的構造有很多相同的地方，主要構造是鐵芯和線圈，結構相對簡單。其工作特性符合鐵磁質磁化曲線和非特性曲線，工作過程中會在電抗器內部形成完整磁通路，主要部件包括C型鐵芯、線圈、散熱器、端子構成，而鐵芯的主要組成部分是薄硅鋼片。圖1為電抗器實物及簡化示意。

1.2? 飽和電抗器的作用及特點

換流閥飽和電抗器在使用過程中，需要和硅碓串聯使用，電流應力的大小和晶閘管的相同，主要起保護晶閘管的作用，而且能夠限制晶閘管開通時的電流上升率。

換流閥使用飽和電抗器之后，能夠提高換流閥的通流能力，加快換流閥的冷卻速度，所以在冷卻方式上通常采用直接冷卻的方式。所以，要進行飽和電抗器的設計，還需要綜合換流閥的整體技術路線。

1.3? 飽和電抗器的水壓耐受能力分析

正如上文所提，換流閥飽和電抗器采用的冷卻方式是直接冷卻，所以要保證其具有很好的水壓耐受能力。因此，在飽和電抗器水壓耐受能力的設計過程中，要充分考慮工程換流閥水路運行的水壓壓強，保證能夠在使用中承受住1.5倍的壓力。

較大的水壓設計裕度能夠在換流閥飽和電抗器的使用過程中，保證其具有很好的耐受特性，滿足直流工程的運行要求。當然，在我國的飽和電壓器研制過程中，初期的換流閥飽和電抗器的水壓耐受特性研究一直是國內研究的重難點，但是隨著近些年研究的不斷深入，國內的飽和電抗器的水路零部件研發技術不斷深入和完善，目前國內的制造水平也得到了不斷地提高，其生產已經達到了國際水平。

2? ? 飽和電抗器的特性分析

2.1? 伏安特性

飽和電抗器在工作中的重要特性就是伏安特性（曲線見圖2），特性曲線的橫坐標是磁場強度，縱坐標是磁感應強度。其中，交流電流的有效值就是磁場強度，交流電壓的有效值用磁感應強度表示，因此，伏安特性曲線也被稱作交直流同時磁化曲線。

如圖2所示，在保證電流恒定的過程中，在電源電壓較低的時候，曲線的趨勢首先會隨著電流的增長而增長，此時的磁路磁通工作區域是磁激點附近，主要是直流激磁。隨著電壓的不斷升高，曲線的趨勢進入了第二階段，也就是恒流控制區，電抗器在工作過程中的交流工作電流和直流控制電流的關系是安匝關系，其變化受到電壓的影響較小。隨著電壓的不斷增大，電抗器逐漸達到了飽和狀態。

從伏安特性曲線來看，在交流電壓有效值保持在特定的范圍內，飽和電抗器具有良好的線性控制特性。

2.2? 輸入輸出特性

結合電抗器的工作原理來看，要保證飽和電抗器的正常工作，就需要保證電抗器的電感極限變化保持在特定的范圍內，鐵磁材料的磁導率是非線性的，所以飽和電抗器電感值的特性也是非線性變化。當鐵磁材料的磁導率達到了磁飽和時，電抗器的輸入和輸出特性開始接近線性。橫軸是勵磁電流值，縱軸是電抗標幺值和輸出工作電流標幺值。一旦勵磁電源接入，會使直流繞組勵磁電流逐漸增大，電抗器輸入、輸出特性表示的就是電感器電抗值和輸出工作電流的曲線。并且隨著電流的逐漸增加，會使電抗器的鐵芯逐漸趨于飽和狀態。同時，工作繞組的電抗值不斷變小，電流逐漸變大。當勵磁電超增達到SA之后，輸出電流的上升變化不再明顯，開始逐漸趨向于穩定，這時電抗器處于深度飽和狀態。

2.3? 諧波分析

諧波分量是供電質量評價的重要指標，但是在電力系統中要保證系統的正常運行，需要注入高次諧波電流，同時會給電壓波形造成很大的影響，甚至會出現電壓波形畸變。高次諧波對電力系統的影響很大，會嚴重影響電力系統的安全性和經濟性，所以，要想辦法對其進行合理抑制。

工作過程中，飽和電抗器的交流電流主要有奇次諧波和偶次諧波，而且飽和電抗器的工作狀態是非線性狀態。從交流電流形式來看，最多的是奇次諧波，而偶次諧波僅占到其中一小部分。但是，其中的偶次諧波是飽和電抗器通路必不可少的一部分。正是由于電抗器采用的是鐵磁材料，通過實驗和數據統計發現，材料本身特性使得其奇次諧波占到了大多數。

在電力系統中要考慮通過合理措施進行濾波，盡可能減少諧波對電力系統產生的影響，所以要合理使用LC濾波進行濾波處理。因此要保證電抗器設計的合理性和使用的科學性，可以采用三角形連接和外延三角形連接等電抗器繞組方式，使其能夠從結構和設計上盡量減少自身的諧波分量。此外，要減少諧波的影響，還可以通過合理增大控制電流、增加電抗器飽和程度等方式減少諧波對電力系統的影響。

3? ? 仿真實驗及分析

針對以上特性分析，進行科學仿真試驗，結果顯示換流閥在晶閘管開通的時候，和晶閘管關斷狀態相比較，飽和電抗器鐵損的瞬時功率會增大很多，逆變側飽和電抗器的磁滯回線的主要分布區域是一、三象限。逆變側飽和電抗器的磁滯回線分布情況說明整流側的開通消耗較小，而關斷消耗更大。如果直流換流閥關斷，直流換流閥承受電壓跳變的過程中會產生較多的電流脈沖，這也是導致電抗器鐵芯產生磁滯回線的重要原因。

4? ? 結語

隨著電力系統的不斷完善，近年來我國的換流閥和飽和電抗器的研究、開發不斷深入，制造能力不斷提高，但是和國際水平還是有一定的差距，因此，筆者希望能夠為高壓直流換流閥和電抗器研究貢獻一份力，助推我國高端電力設備發展。

[參考文獻]

[1]呂茵，王慧泉，周文青，等.基于有限元法的換流閥水路系統電場分析[J].電力工程技術，2019（4）：145-151.

[2]黃華，張翔，劉磊，等.高壓直流輸電用閥電抗器鐵芯損耗試驗研究[J].電工電氣，2019（5）：53-56.

[3]劉琦，姚舒，王江平，等.晶閘管換流閥飽和電抗器磁飽和特性的仿真分析[J].電工技術，2019（3）：33-34，39.