专利名称：一种获得换流阀用饱和电抗器的极限电感特性的方法
技术领域：
本发明涉及电力系统器件特性领域，尤其涉及一种获得换流阀用饱和电抗器的极 限电感特性的方法。
背景技术：
直流输电换流阀用饱和电抗器是换流阀中保护晶闸管的重要部件之一。它由铁芯 和绕组组成，利用铁芯材质的饱和特性获得电气参数的饱和特性。关于带有非线性铁心的 电感线圈，其电感和铁损电阻的分析的工作已经开展过。但是其中包含了令人混淆甚至错 误的观念。有的文献将铁心非线性特性和电抗器电感特性混为一谈。有的也对这两个特性进 行了区分，文章(殷幼军等，单磁芯饱和电抗器的建模与仿真，< 电力系统及其自动化学报 >,2006,18(4) 9-13)给出了铁心材料非线性特性对非线性器件电感特性的影响，以及非 线性器件电感特性与结构参数与铁心材料特性的定性关系。基于此，当结构参数一定时，选 择合适特性的铁心牌号即可满足所需的电感特性。但是即使将这两个特性区分清楚，隐藏 在电抗器电感特性中的一个重要规律，即在结构参数一定时，即使是理想的铁心非线性特 性，也有可能无法满足所需的电感特性。即忽略铁心非线性BH曲线的过渡过程时，电抗器 的电感特性是存在极限的，而此极限电感特性并未揭示。本发明将揭示这种非线性器件，尤其是获得换流阀用饱和电抗器的极限电感特性 的方法，同时给出获得这种极限电感特性的方法。此极限电感特性对非线性电感器件的设 计具有重要的指导意义，可以在设定结构参数情况下，无需选择具体牌号的铁心即可判断 结构参数的合理性，避免浪费在铁心牌号的选择上却不知结构参数已经确定了电感特性的 极限值。
发明内容
本发明的目的在于，揭示一种获得换流阀用饱和电抗器的极限电感特性的方法， 即在于当选择了一种线圈和铁心的组合结构时，其电感在由线性段铁心对应的大电感到饱 和段对应的小电感的下降过程中，其下降速度存在极限。揭示了这个特性将对饱和电抗器 的结构设计和电气设计具有非常重要的指导作用，可以在不选择具体型号的铁心Ml曲线 前提下，判断电抗器电感曲线的可行性和合理性，从而避免很多工作都纠缠在讨论铁心BH 特性对电感的影响关系上。本发明的一种获得换流阀用饱和电抗器的极限电感特性的方法，其特征在于包括 选定结构、设定铁心的理想BH特性曲线、设定铁心的实际BH特性曲线和极限电感特性；给 出对饱和电抗器极限电感特性的分析及验证，以及获得换流阀用饱和电抗器乃至一般的非 线性电感器件的极限电感特性，具体包括以下步骤(1)选定结构，设定饱和电抗器的结构参数；针对饱和电抗器的极限电感特性只与电抗器结构有关，而与铁心磁特性无关这一个规律，首先选定饱和电抗器的结构参数；(2)设定铁心的理想BH特性曲线；极限电感特性与铁心磁特性无关是指饱和电抗器的电感从铁心线性段的大电感 到饱和段的小电感的下降速度存在极限；这种极限对应到铁心的理想磁特性，即铁心的理 想BH特性曲线；铁心的理想BH曲线特征为，铁心在线性段具有高导磁特性，没有过渡区域直接进 入饱和段；转换为dB/dH描述则为，在线性段，铁心具有恒定的高导磁特性，一旦离开线性 段进入饱和段，那么dB/dH立即降为空气介质的特性，即铁心理想BH曲线不可导；(3)设定铁心的实际BH特性曲线；实际中各种牌号的铁心磁特性都是光滑连续的，而且存在线性段、过渡段和饱和 段；这是与铁心理想BH曲线所不同的，为了说明铁心的理想BH特性曲线所对应的饱和电抗 器的电感特性是其极限速度，可以加入铁心的实际BH特性曲线作为对比说明，即饱和电抗 器的极限电感特性符合物理规律；(4)获得铁心的极限电感特性；根据饱和电抗器的结构，可以通过解析计算或者电磁场数值分析计算得到饱和电 抗器在铁心线性区域下的磁场分布；针对铁心内部的磁场分布，就可以得到饱和电抗器的 理想或极限电感曲线；即按照铁心特性在理想BH曲线下所得到的饱和电抗器的电感特性 曲线；核心规律则为铁心BH曲线在对铁心而言是一个局部量，铁心的饱和是逐步的，分阶 段的；理想BH曲线意味着每一部分铁心只要离开线性区，其磁特性立即消失，等同于空气； 此时，即对于铁心BH曲线而言，只要铁心离开线性区，那么铁心内部的磁密立即等同于饱 和磁密；由于铁心的饱和是逐步分阶段的，此时饱和电抗器的铁心还有未饱和的区域，那么 对于饱和电抗器的电感而言并不是从线性段的大电感立即衰减为完全饱和段的小电感，即 和BH曲线的理想特性不同，对应dB/dH，即铁心磁特性是从线性段的高导磁特性立即衰减 为无磁特性等同于空气，而是存在衰减极限速度的；饱和电抗器电感的衰减极限速度这一 关键规律是依赖于饱和电抗器结构而与所用铁心特性无关的一个本质特性。本发明的方法，定量来说，设电抗器的外径Rl = 1，R2 = 2，理想的BH曲线如公式 (0. 1)所示 在未饱和时，其电感为 Γ r _ MoMrhN2 R2
(0. 12)其中，Ur为线性段铁心的相对磁导率，h为铁心的高度，N为线圈匝数，R2和Rl为 铁心的外半径和内半径；那么当铁心内侧H如公式(0. 3)所示，达到铁心的饱和Ho后，铁心 开始进入饱和状态，此时对应的电流为Il
(0.13)当外侧R2处H如公式(0. 4)所示，也达到Ho后，铁心完全饱和，此时对应的电流为12
H =上n
2πΚ2 (0. 14)因此在电流小于Il时，电抗器的电感如公式(0. 2)所示；当电流大于12时，电抗 器的电感如公式(0. 5)所示
μ ΗΝ2 R2L2=^,~lnC^)
1π 民(0. 15)当电流介于Il和12之间的时候，电抗器的电感介于Ll和L2之间；按照我们的原则和假设，在理想BH曲线下，L(I)曲线为Z =
r (ο. 16)这样一条曲线就是所有BH曲线情况下L(I)的一个极限；考虑到r和I同样的规律，因此，换算为I的关系为
Γ Γ M0MrhN2. InH0R2L = -ln(-—)
i(0. 17)此时我们设定2D，因此计算得到的电感结果为单位长的结果，故h = 1，此处不考 虑匝数的效果，故考虑N= 1，因此，电感的关系式如公式(0.8)所示
L = MoMr ln(2^f/0i 2) = Wln(80^2)
1π i 2π iRi (0. 18)
我们设定最大电感为1. 44mH,且在80A处拐弯，故Ho如(0. 9)计算 I 80
H0 =
2πΚι 2πΚ^ (0. 19)对应至Ija = 0. 01305，如公式(0. 10)所示L ^ ΗοΗζ.Η2πΗοΚ2) = ι ΜΕ _3^α = μμ J ME二 0·01305 (0. 20)
2πiln(2)电感的下降速度有极限，即随着BH曲线拟合洗漱α的增大，当铁心进入饱和后， 电感的下降速度会更加陡，但是随着α的继续增大，电感的下降速度是趋向一个固定的极 限的，而这个极限是由电抗器的结构所确定的；电感的下降速度是需要综合考虑电抗器的磁链，局部饱和的铁心虽然很快几乎是 一脱离线性区就进入完全饱和，但是未脱离线性段的铁心依然提供着剩余的电感，即电感 的下降速度是由电抗器的结构决定的。本发明的有益效果是1.提出了极限电感特性的概念；2.揭示了极限电感特性的规律；3.澄清了铁心非线性和电抗器非线性的差别；4.给出了极限电感特性的计算步骤。
图一为铁心BH曲线的拟合公式；图二为密绕在无缝隙铁心上的线圈构成一个电抗器；图三为采用不同指数拟合的BH曲线，横轴为磁场强度H(A/m)，纵轴为磁感应强度B⑴。图四为采用不同指数拟合的dB/dH曲线；图五为理论和仿真计算的电感电流曲线；图六为依据本发明的方法的流程图。
具体实施例方式
饱和电抗器是一个非线性电感器件，针对一个理想的饱和电抗器进行分析，如图 二所示，一个闭合环状的铁心上密绕着一整层导线。那么对于不同铁心的BH曲线采用如图 一的拟合方式。当拟合公式中的α采用不同值时，构造得到的BH曲线如图三所示，可以看 到对应的dB/dH曲线如图四所示，即量值不同大小的指数对应着铁心由线性段进入完全饱 和段的速度。指数α越高，dB/dH下降越快，即铁心BH曲线导致饱和区域进入完全饱和的 速度越快。定量来说，图二所示的电抗器外径Rl = 1，R2 = 2。理想的BH曲线如公式(0. 1) 所示。 在未饱和时，其电感为 其中，Ur为线性段铁心的相对磁导率，h为铁心的高度，N为线圈匝数，R2和Rl为 铁心的外半径和内半径。那么当铁心内侧H如公式(0.3)所示，达到铁心的饱和Ho后，铁 心开始进入饱和状态，此时对应的电流为II。 当外侧R2处H如公式(0. 4)所示，也达到Ho后，铁心完全饱和，此时对应的电流 为12。 因此在电流小于Il时，电抗器的电感如公式(0.22)所示；当电流大于12时，电抗 器的电感如公式(0. 5)所示。 当电流介于Il和12之间的时候，电抗器的电感介于Ll和L2之间。按照我们的原则和假设，在理想BH曲线下，L(I)曲线为
这样一条曲线就是所有BH曲线情况下L(I)的一个极限。考虑到r和I同样的规律，因此，换算为I的关系为 此时我们设定2D，因此计算得到的电感结果为单位长的结果，故h = 1。此处不考 虑匝数的效果，故考虑N= 1，因此，电感的关系式如公式(0. 8)所示。 我们设定最大电感为1. 44mH,且在80A处拐弯，故Ho如(0. 9)计算。 对应到a = 0. 01305，如公式(0. 10)所示。
电感的下降速度有极限，如图五所示。即随着BH曲线拟合洗漱α的增大，当铁心 进入饱和后，电感的下降速度会更加陡，但是随着α的继续增大，电感的下降速度是趋向 一个固定的极限的，而这个极限是由电抗器的结构所确定的。电感的下降速度是需要综合考虑电抗器的磁链，局部饱和的铁心虽然很快几乎是 一脱离线性区就进入完全饱和，但是未脱离线性段的铁心依然提供着剩余的电感，即电感 的下降速度是由电抗器的结构决定的。这部分工作为极限电感曲线提供了有利说明，也证 明了该发明专利的正确性。以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明进行的详细描述，但 可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这 些变化和修改均在本发明的保护范围内。
权利要求
一种获得换流阀用饱和电抗器的极限电感特性的方法，其特征在于包括选定结构、设定铁心的理想BH特性曲线、设定铁心的实际BH特性曲线和极限电感特性；给出对饱和电抗器极限电感特性的分析及验证，以及获得换流阀用饱和电抗器乃至一般的非线性电感器件的极限电感特性，具体包括以下步骤(1)选定结构，设定饱和电抗器的结构参数；针对饱和电抗器的极限电感特性只与电抗器结构有关，而与铁心磁特性无关这一个规律，首先选定饱和电抗器的结构参数；(2)设定铁心的理想BH特性曲线；极限电感特性与铁心磁特性无关是指饱和电抗器的电感从铁心线性段的大电感到饱和段的小电感的下降速度存在极限；这种极限对应到铁心的理想磁特性，即铁心的理想BH特性曲线；铁心的理想BH曲线特征为，铁心在线性段具有高导磁特性，没有过渡区域直接进入饱和段；转换为dB/dH描述则为，在线性段，铁心具有恒定的高导磁特性，一旦离开线性段进入饱和段，那么dB/dH立即降为空气介质的特性，即铁心理想BH曲线不可导；(3)设定铁心的实际BH特性曲线；实际中各种牌号的铁心磁特性都是光滑连续的，而且存在线性段、过渡段和饱和段；这是与铁心理想BH曲线所不同的，为了说明铁心的理想BH特性曲线所对应的饱和电抗器的电感特性是其极限速度，可以加入铁心的实际BH特性曲线作为对比说明，即饱和电抗器的极限电感特性符合物理规律；(4)获得铁心的极限电感特性；根据饱和电抗器的结构，可以通过解析计算或者电磁场数值分析计算得到饱和电抗器在铁心线性区域下的磁场分布；针对铁心内部的磁场分布，就可以得到饱和电抗器的理想或极限电感曲线；即按照铁心特性在理想BH曲线下所得到的饱和电抗器的电感特性曲线；核心规律则为铁心BH曲线在对铁心而言是一个局部量，铁心的饱和是逐步的，分阶段的；理想BH曲线意味着每一部分铁心只要离开线性区，其磁特性立即消失，等同于空气；此时，即对于铁心BH曲线而言，只要铁心离开线性区，那么铁心内部的磁密立即等同于饱和磁密；由于铁心的饱和是逐步分阶段的，此时饱和电抗器的铁心还有未饱和的区域，那么对于饱和电抗器的电感而言并不是从线性段的大电感立即衰减为完全饱和段的小电感，即和BH曲线的理想特性不同，对应dB/dH，即铁心磁特性是从线性段的高导磁特性立即衰减为无磁特性等同于空气，而是存在衰减极限速度的；饱和电抗器电感的衰减极限速度这一关键规律是依赖于饱和电抗器结构而与所用铁心特性无关的一个本质特性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于定量来说，设电抗器的外径Rl = 1，R2 = 2，理想的BH曲线如公式(0. 1)所示 在未饱和时，其电感为 其中，Ur为线性段铁心的相对磁导率，h为铁心的高度，N为线圈匝数，R2和Rl为铁心 的外半径和内半径；那么当铁心内侧H如公式(0. 3)所示，达到铁心的饱和Ho后，铁心开始 进入饱和状态，此时对应的电流为Il 2叫(0.3)当外侧R2处H如公式(0. 4)所示，也达到Ho后，铁心完全饱和，此时对应的电流为12 LH ='22πΚ2 (0.4)因此在电流小于Il时，电抗器的电感如公式(0. 2)所示；当电流大于12时，电抗器的 电感如公式(0. 5)所示2π 民 (0.5)当电流介于Il和12之间的时候，电抗器的电感介于Ll和L2之间； 按照我们的原则和假设，在理想BH曲线下，L(I)曲线为L = ^m1 H^-)2冗r (0.6)这样一条曲线就是所有BH曲线情况下L(I)的一个极限； 考虑到r和I同样的规律，因此，换算为I的关系为 L_MoMrhN21η(2πΗ0Κ2Λi (0.7)此时我们设定2D，因此计算得到的电感结果为单位长的结果，故h = 1，此处不考虑匝 数的效果，故考虑N= 1，因此，电感的关系式如公式(0.8)所示L =坠 In(^Ml) = ^in(^l)2ni1.71 iRx ( g)我们设定最大电感为1. 44mH,且在80A处拐弯，故Ho如(0. 9)计算/Z0=丄l^Ri InRx ( . 9)对应到a = 0. 01305，如公式(0. 10)所示L == ！.44^-3 =^a = μ,μ, = λΜΕ-^2π 二0.01305 (0. 10)2πiln(2)电感的下降速度有极限，即随着BH曲线拟合洗漱α的增大，当铁心进入饱和后，电 感的下降速度会更加陡，但是随着α的继续增大，电感的下降速度是趋向一个固定的极限 的，而这个极限是由电抗器的结构所确定的；电感的下降速度是需要综合考虑电抗器的磁链，局部饱和的铁心虽然很快几乎是一脱 离线性区就进入完全饱和，但是未脱离线性段的铁心依然提供着剩余的电感，即电感的下 降速度是由电抗器的结构决定的。
全文摘要
本发明提出了一种获得换流阀用饱和电抗器的极限电感特性的方法，当选择了一种线圈和铁心的组合结构时，其电感在由线性段铁心对应的大电感到饱和段对应的小电感的下降过程中，其下降速度存在极限。揭示了这个特性将对饱和电抗器的结构设计和电气设计具有非常重要的指导作用，可以在不选择具体型号的铁心BH曲线前提下，判断电抗器电感曲线的可行性和合理性，从而避免很多工作都纠缠在讨论铁心BH特性对电感的影响关系上。
文档编号G01R27/26GK101923119SQ201010259509
公开日2010年12月22日 申请日期2010年8月20日 优先权日2010年8月20日
发明者于海玉, 刘杰, 温家良, 魏晓光 申请人:中国电力科学研究院