专利名称：一种换流阀用饱和电抗器的解析模型的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统器件领域，尤其涉及一种换流阀用饱和电抗器的解析模型。
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。它由铁心 和绕组组成，利用铁心材质的饱和特性获得电气参数的饱和特点。由于饱和电抗器的非线 性特性与铁心材质有关，而铁心的工作点又与其所在换流阀中的晶闸管开通电流有关，因 此其电气设计和电气特性分析的前提都必须依据饱和电抗器合理的电气模型。现有饱和电抗器的结构主要分为两类，单绕组和双绕组。对于单绕组结构和双绕 组结构的电气模型都有文献提及，但是都不全面。有的不考虑铁心电感的非线性，有的不考 虑铁损电阻的非线性，有的不考虑端间电容，有的即使考虑铁心电感的非线性也将其近似 为两段线段等。文献(Barnes,M. J. The prediction and control of transients in thyristor valves,PhD thesis,University of Aston in Birmingham,May 1985)最早分析了饱禾口电 抗器的模型，考虑了非线性电感特性，但是对于其铁损特性的等效电阻视为恒定值，这与饱 和电抗器的实际情况相差较远。本发明考虑了饱和电抗器全面的非线性模型，而且给出其 非线性电感和非线性铁损电阻的解析模型，从电抗器模型方面的全面性以及非线性特性的 解析性都比现有文献更全面。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种换流阀用饱和电抗器的解析模型。换流阀用饱和电 抗器由线圈和铁心构成，在额定运行下，铁心工作状态覆盖线性和非线性两个阶段。为了更 好地进行饱和电抗器的电气设计以及电气分析，本发明提供一种换流阀用饱和电抗器的解 析模型。解析模型包括线圈电阻、线圈电感、铁心电感、铁心电阻、端间电容等参数。不同外 形尺寸的饱和电抗器可以计算得到其对应的电气参数。此解析模型物理概念清楚，通过实 物可以很容易获得模型中所需要的各参数，为饱和电抗器的深入分析奠定了分析基础。本发明的一种换流阀用饱和电抗器的解析模型，包括(1)饱和电抗器的线圈电阻，其具体量值与电抗器绕组截面积、材料电阻率和长度 相关；(2)饱和电抗器的端间等效电容，表征饱和电抗器线圈间电容、线圈与铁心间电 容、铁心间电容等效至端间的电容值，具体量值与电抗器结构相关；(3)饱和电抗器的空心电感，表征饱和电抗器线圈部分的固有电感，具体量值与电 抗器绕组的结构相关；(4)饱和电抗器的非线性铁心电感，表征饱和电抗器铁心非线性磁特性作用体现 出来的非线性电感，变量为流过非线性电感上的电流，在电流小于一定门槛值时，所述门槛 值为100-900安培，非线性电感为恒定值，具体取决于电抗器绕组和铁心的结构、铁心的线
4性磁导率等；电流高于门槛时，非线性电感以指数形式衰减，指数量值取决于铁心材料的饱 和特性以及饱和电抗器的结构； (5)饱和电抗器的非线性电阻，表征饱和电抗器铁心损耗特性作用，此电阻上消耗 的功率模拟表示饱和电抗器铁心的损耗，包括涡流损耗、磁滞损耗等。饱和电抗器的非线性 电阻的变量为流过非线性电感的电流，在电流小于一定门槛值时，，非线性电阻为恒定值， 所述门槛值为100-900安培；电流高于门槛时，非线性电阻以指数形式衰减，指数量值取决 于铁心材料的饱和特性以及饱和电抗器的结构；(6)解析模型的连接关系为饱和电抗器的非线性电感和非线性电阻为并联关 系，然后与饱和电抗器的空心电感和电阻串联，最终与饱和电抗器的端间电容并联。其中，设Rd。为饱和电抗器的线圈电阻，C0为饱和电抗器端间等效电容，L0为饱和 电抗器的空心电感，非线性铁心电感参数Lm和非线性铁损电阻参数Rm的计算为 Iffl为不考虑铁心去磁效应时流过饱和电抗器的电流；Ld为饱和电抗器非线性电感 的不饱和值，1‘为饱和电抗器电感非线性特性的激励电流门槛值，所述门槛值为100-900 安培，α L为饱和电抗器非线性电感衰减的速度；民为饱和电抗器非线性铁损电阻的不饱和 值，Ι。κ*饱和电抗器铁损电阻非线性的激励电流门槛值，所述门槛值为100-900安培，CIk 为饱和电抗器非线性电感衰减的速度。饱和电抗器的线圈电阻Rd。可以通过电阻计算公式乙=广！计算得到，其中P为
S
线圈的电阻率，1为线圈导线的长度，S为线圈导线的有效截面积；饱和电抗器端间等效电容是综合了线圈与铁心间的杂散电容、铁心饼与铁心饼间 的杂散电容、线圈匝间的杂散电容之后从饱和电抗器线圈端口看进去的等效杂散电容；可 通过解析公式估算C。= ε S1M1，其中ε为由线圈、铁心、空气、绝缘介质结构决定的等效介 电常数，S1为饱和电抗器线圈出线排的导电面积，Cl1为饱和电抗器出线排间的距离，精确的 计算方法可以通过电磁场数值分析的方法计算得到 其中，L为饱和电抗器的电感。Ψ为饱和电抗器通电流线圈产生的和自身线圈交 链的磁链，其中包括两部分Ψ。为通电流线圈在真空中产生的和自身线圈交链的磁链，Ψω 为通电流线圈在铁心中产生的和自身线圈交链的磁链；对应饱和电抗器电感L也分为两部 分，分别为L。和Lm;L。为饱和电抗器的空心电感，为饱和电抗器结构中的铁心处于深度饱和，即铁心 的磁导率为空气的磁导率时，饱和电抗器的电感值，其中对应Im = 0，故L = L。；这个电感值 从数值上等于将饱和电抗器中的铁心撤掉，对应的空心线圈的电感值；故L0称为饱和电抗 器的空心电感；LmS饱和电抗器的铁心电感，表征饱和电抗器结构中存在铁心，也即磁导率大于 空气磁导率时，由于铁心贡献的磁链所对应的电感值；Lm的非线性电感特性是由于饱和电
5抗器中铁心材料的非线性导致；当铁心材料工作在线性区域时，铁心内的磁链与激励电流 之间为线性关系，故对应的铁心电感值在这种情况下为Ld ；Iffl为不考虑铁心去磁效应时，流过饱和电抗器绕组的电流，即当饱和电抗器绕组 中流过电流Im时，在忽略铁心去磁效应的情况下，那么此时饱和电抗器的电感值为L = L。+。、*电流门槛值，所述门槛值为100-900安培，其大小由具体铁心材料的饱和点所决 定 其中Bs为饱和电抗器铁心的饱和磁密，为铁心非线性材料的固有参数；μ ^为真空 的磁导率，为一个常数；N为饱和电抗器线圈的匝数，1为饱和电抗器铁心饼的中心周长。当 Iffl小于Iol这个门槛值时，所述门槛值为100-900安培，铁心工作在线性区域，此时饱和电抗 器的电感值为L = L。+Ld，即铁心电感Lm = Ld ；当Im大于Iol时，铁心工作在非线性区域，随 着电流Im的逐步增大，铁心的工作点也逐步走向饱和，对应的铁心电感也在逐渐减小；定义 铁心电感随着电流降低的速度快慢用来描述，而铁心电感随着电流降低的速度快慢也 是由饱和电抗器具体选用的铁心材料特性来决定；Rm为表征铁心铁损的等效电阻，铁损包括涡流损耗、磁滞损耗以及异名损耗，它的 变量也同样标定为Im，只是铁损电阻对应电流的拐点Ι。κ与铁心电感对应电流的拐点、不 同，这也是由所选择铁心材料的特性所决定，另外，铁损电阻随电流Im增大而降低的速度快 慢用α κ来表示，此变化趋势与铁心电感随Im的变化趋势不同，由具体选用的铁心材料特性 来实现。本发明的有益效果是1.解析模型的物理概念清晰；2.解析模型的表达式清楚；3.解析模型参数与结构尺寸转化简单便捷；4.解析模型的电气参数全面。
图1示出了本发明的饱和电抗器的电气模型结构示意图。图2示出了本发明的饱和电抗器的解析模型。
具体实施例方式图1示出了本发明的饱和电抗器的电气模型结构示意图。图2示出了本发明的饱和电抗器的解析模型。图1中，Rdc为饱和电抗器的线圈电阻，C0为饱和电抗器端间等效电容，L0为饱和 电抗器的空心电感。非线性铁心电感参数Lm和非线性铁损电阻Rm参数如图2所示。饱和电抗器的线圈电阻可以通过电阻计算公式Ae 二广！计算得到，其中P为线圈
S
的电阻率，1为线圈导线的长度，S为线圈导线的有效截面积。饱和电抗器端间等效电容是综合了线圈与铁心间的杂散电容、铁心饼与铁心饼间的杂散电容、线圈匝间的杂散电容之后从饱和电抗器线圈端口看进去的等效杂散电容。可 以通过解析公式估算C。= ε S1M1，其中ε为由线圈、铁心、空气、绝缘介质结构决定的等效 介电常数，S1为饱和电抗器线圈出线排的导电面积，Cl1为饱和电抗器出线排间的距离，精确 的计算方法可以通过电磁场数值分析的方法计算得到。 其中，L为饱和电抗器的电感。Ψ为饱和电抗器通电流线圈产生的和自身线圈交 链的磁链，其中包括两部分Ψ。为通电流线圈在真空中产生的和自身线圈交链的磁链，Ψω 为通电流线圈在铁心(磁导率大于空气磁导率时)中产生的和自身线圈交链的磁链。对应 饱和电抗器电感L也分为两部分，分别为L0和Lm。L。为饱和电抗器的空心电感，为饱和电抗器结构中的铁心处于深度饱和，即铁心 的磁导率为空气(真空)的磁导率时，饱和电抗器的电感值(对应Lm = 0，故L = L。)；这个 电感值从数值上等于将饱和电抗器中的铁心撤掉，对应的空心线圈的电感值。故L。称为饱 和电抗器的空心电感。Lffl为饱和电抗器的铁心电感，表征饱和电抗器结构中存在铁心(磁导率大于空气 磁导率)时，由于铁心贡献的磁链所对应的电感值。Lm的非线性电感特性是由于饱和电抗 器中铁心材料的非线性导致。当铁心材料工作在线性区域时，铁心内的磁链与激励电流之 间为线性关系，故对应的铁心电感值在这种情况下为Ld。Iffl为不考虑铁心去磁效应(如涡流或者磁滞效应)时，流过饱和电抗器绕组的电 流。即当饱和电抗器绕组中流过电流Im时，在忽略铁心去磁效应的情况下，那么此时饱和电 抗器的电感值为L = L。+Lm。当Im小于ΙΛ这个门槛值(此门槛值一般小于几百安培)(该 门槛值(此门槛值一般小于几百安培)的大小由具体铁心材料的饱和点所决定)时，铁心 工作在线性区域，此时饱和电抗器的电感值为L = L。+Ld，即铁心电感Lm = Ld ；当Im大于ΙΛ 时，铁心工作在非线性区域，随着电流Im的逐步增大，铁心的工作点也逐步走向饱和，对应 的铁心电感也在逐渐减小。我们定义铁心电感随着电流降低的速度快慢用来描述。而 铁心电感随着电流降低的速度快慢也是由饱和电抗器具体选用的铁心材料特性来决定。Rm为表征铁心铁损的等效电阻，铁损包括涡流损耗、磁滞损耗以及异名损耗。它的 变量也同样标定为Im，只是铁损电阻对应电流的拐点Ι。κ与铁心电感对应电流的拐点、不 同，这也是由所选择铁心材料的特性所决定。另外，铁损电阻随电流Im增大而降低的速度 快慢用α Ε来表示，此变化趋势与铁心电感随Im的变化趋势也不同，这些都是由具体选用的 铁心材料特性来实现。一个实际的例子，饱和电抗器主要由线圈和铁心组成。有环形铁心构成，内径R1 = 100mm,外径R2 = 200mm,高度为H为100mm，缝隙为2*1 %，环形铁心上面密绕绕组N = 32 匝，铜导线有效导电面积s为1000mm2，选用铁心材料的线性相对磁导率μ r为8000，矫顽力 H = 100A/m，饱和磁密为1. 7T。铜导线的电阻率为ρ = 1. 851θ-6Ω · m。这个例子是对称结构，很多参数可以通过解析计算得到。而对于其他非对称结构 或者特定结构，如空心电感、铁心电感以及铁损电阻等均需通过试验方法或者数值计算方 法获得。
饱和电抗器的线圈电阻为 空心 电 感 L。为 对于非线性铁损电阻、非线性电感、端间电容需要通过数值方法计算得到，如下所 C0B 300 (pF)。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
一种换流阀用饱和电抗器的解析模型，包括(1)饱和电抗器的线圈电阻，其具体量值与电抗器绕组截面积、材料电阻率和长度相关；(2)饱和电抗器的端间等效电容，表征饱和电抗器线圈间电容、线圈与铁心间电容、铁心间电容等效至端间的电容值，具体量值与电抗器结构相关；(3)饱和电抗器的空心电感，表征饱和电抗器线圈部分的固有电感，具体量值与电抗器绕组的结构相关；(4)饱和电抗器的非线性铁心电感，表征饱和电抗器铁心非线性磁特性作用体现出来的非线性电感，变量为流过非线性电感上的电流，在电流小于一定门槛值时，所述门槛值为100 900安培，非线性电感为恒定值，具体取决于电抗器绕组和铁心的结构、铁心的线性磁导率等；电流高于门槛时，非线性电感以指数形式衰减，指数量值取决于铁心材料的饱和特性以及饱和电抗器的结构；(5)饱和电抗器的非线性电阻，表征饱和电抗器铁心损耗特性作用，此电阻上消耗的功率模拟表示饱和电抗器铁心的损耗，包括涡流损耗、磁滞损耗等。饱和电抗器的非线性电阻的变量为流过非线性电感的电流，在电流小于一定门槛值时，，非线性电阻为恒定值，所述门槛值为100 900安培；电流高于门槛时，非线性电阻以指数形式衰减，指数量值取决于铁心材料的饱和特性以及饱和电抗器的结构；(6)解析模型的连接关系为饱和电抗器的非线性电感和非线性电阻为并联关系，然后与饱和电抗器的空心电感和电阻串联，最终与饱和电抗器的端间电容并联。
2.如权利要求1所述的解析模型，其特征在于设Rdc为饱和电抗器的线圈电阻，C0为 饱和电抗器端间等效电容，L。为饱和电抗器的空心电感，非线性铁心电感参数1^和非线性 铁损电阻参数Rm的计算为 Iffl为不考虑铁心去磁效应时流过饱和电抗器的电流；Ld为饱和电抗器非线性电感的不 饱和值，Iol为饱和电抗器电感非线性特性的激励电流门槛值，所述门槛值为100-900安培， α L为饱和电抗器非线性电感衰减的速度；民为饱和电抗器非线性铁损电阻的不饱和值，Ioe 为饱和电抗器铁损电阻非线性的激励电流门槛值，所述门槛值为100-900安培，CIk为饱和 电抗器非线性电感衰减的速度。饱和电抗器的线圈电阻Rd。可以通过电阻计算公式Aifc=P!计算得到，其中P为线圈 的电阻率，1为线圈导线的长度，s为线圈导线的有效截面积；饱和电抗器端间等效电容是综合了线圈与铁心间的杂散电容、铁心饼与铁心饼间的杂 散电容、线圈匝间的杂散电容之后从饱和电抗器线圈端口看进去的等效杂散电容；可通过 解析公式估算C。= ε S1M1，其中ε为由线圈、铁心、空气、绝缘介质结构决定的等效介电常 数，S1为饱和电抗器线圈出线排的导电面积，Cl1为饱和电抗器出线排间的距离，精确的计算 方法可以通过电磁场数值分析的方法计算得到 其中，L为饱和电抗器的电感。Ψ为饱和电抗器通电流线圈产生的和自身线圈交链的 磁链，其中包括两部分Ψ。为通电流线圈在真空中产生的和自身线圈交链的磁链，Ψω为通 电流线圈在铁心中产生的和自身线圈交链的磁链；对应饱和电抗器电感L也分为两部分， 分别为L0和Lffl ；L。为饱和电抗器的空心电感，为饱和电抗器结构中的铁心处于深度饱和，即铁心的磁 导率为空气的磁导率时，饱和电抗器的电感值，其中对应Lm = 0，故L = L。；这个电感值从数 值上等于将饱和电抗器中的铁心撤掉，对应的空心线圈的电感值；故L0称为饱和电抗器的 空心电感；Lm为饱和电抗器的铁心电感，表征饱和电抗器结构中存在铁心，也即磁导率大于空气 磁导率时，由于铁心贡献的磁链所对应的电感值；Lm的非线性电感特性是由于饱和电抗器 中铁心材料的非线性导致；当铁心材料工作在线性区域时，铁心内的磁链与激励电流之间 为线性关系，故对应的铁心电感值在这种情况下为Ld ；Im为不考虑铁心去磁效应时，流过饱和电抗器绕组的电流，即当饱和电抗器绕组中流 过电流Im时，在忽略铁心去磁效应的情况下，那么此时饱和电抗器的电感值为L = L。+Lm，Iol 为电流门槛值，所述门槛值为100-900安培，其大小由具体铁心材料的饱和点所决定 其中Bs为饱和电抗器铁心的饱和磁密，为铁心非线性材料的固有参数；μ ^为真空的磁 导率，为一个常数；N为饱和电抗器线圈的匝数，1为饱和电抗器铁心饼的中心周长。当Im 小于ΙΛ这个门槛值时，所述门槛值为100-900安培，铁心工作在线性区域，此时饱和电抗器 的电感值为L = L。+Ld，即铁心电感Lm = Ld ；当Im大于Iol时，铁心工作在非线性区域，随着 电流Im的逐步增大，铁心的工作点也逐步走向饱和，对应的铁心电感也在逐渐减小；定义铁 心电感随着电流降低的速度快慢用来描述，而铁心电感随着电流降低的速度快慢也是 由饱和电抗器具体选用的铁心材料特性来决定；Rm为表征铁心铁损的等效电阻，铁损包括涡流损耗、磁滞损耗以及异名损耗，它的变量 也同样标定为Im，只是铁损电阻对应电流的拐点Ι。κ与铁心电感对应电流的拐点ΙΛ不同，这 也是由所选择铁心材料的特性所决定，另外，铁损电阻随电流Im增大而降低的速度快慢用 α κ来表示，此变化趋势与铁心电感随Im的变化趋势不同，由具体选用的铁心材料特性来实 现。
全文摘要
本发明提出了一种换流阀用饱和电抗器的解析模型。换流阀用饱和电抗器由线圈和铁心构成，在额定运行下，铁心工作状态覆盖线性和非线性两个阶段。为了更好地进行饱和电抗器的电气设计以及电气分析，本发明提供了一种换流阀用饱和电抗器的解析模型。解析模型包括线圈电阻、线圈电感、铁心电感、铁心电阻、端间电容等参数。不同外形尺寸的饱和电抗器可以计算得到其对应的电气参数。此解析模型物理概念清楚，通过实物可以很容易获得模型中所需要的各参数，为饱和电抗器的深入分析奠定了分析基础。
文档编号G06F17/50GK101930492SQ20101025950
公开日2010年12月29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, 张文亮, 查鲲鹏 申请人:中国电力科学研究院