專利名稱：用于電壓源換流器的高電壓干式電抗器的制作方法
用于電壓源換流器的高電壓干式電抗器本發(fā)明涉及高電壓干式電抗器，該高電壓干式電抗器經(jīng)由第一端子串聯(lián)連接至AC供電電壓并經(jīng)由第二端子串聯(lián)連接至高電壓AC/DC或DC/AC換流器的AC相位端子，并且該 高電壓干式電抗器包括絕緣導(dǎo)線制成的圓柱形線圈。優(yōu)選地，該換流器是用在高電壓直流 (HVDC)電力傳輸系統(tǒng)中的電壓源換流器。在當(dāng)今的電力傳輸和分配系統(tǒng)中，電抗器用于將感抗引入到相應(yīng)的電路中。電抗 器也可以稱作感應(yīng)器。其主要部件是絕緣導(dǎo)線制成的線圈，絕緣導(dǎo)線可以圍繞磁性材料的 磁心(即，鐵芯)纏繞，或者可以構(gòu)造為空心體的形式，即，內(nèi)部沒有磁性材料的中空?qǐng)A柱體 或中空長方體。后一類電抗器稱作空心電抗器。在電力系統(tǒng)中，電抗器例如用作濾波電抗器以濾除傳輸?shù)诫娏W(wǎng)絡(luò)的電流中的不 期望的諧波，用作分路電抗器以補(bǔ)償電容性的無功功率，用作中性點(diǎn)接地電抗器以限制直 接接地網(wǎng)絡(luò)的線路對(duì)地電流，或者用作限流電抗器以限制短路電流。在電力系統(tǒng)的高電壓和大電流條件下使用的電抗器的繞組產(chǎn)生相當(dāng)多的熱量。因 此，為了使損耗最小并避免絕緣材料的熱老化，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s以降低電抗器線圈中 的溫度?？梢酝ㄟ^在冷卻流中使電抗器線圈絕熱或者通過讓空氣沿著線圈繞組流動(dòng)來提供 空心電抗器的冷卻。用空氣冷卻的電抗器也稱作干式電抗器。在高電壓直流(HVDC)電力傳輸系統(tǒng)中，電力在經(jīng)由DC環(huán)節(jié)(link)連接的兩個(gè)AC 電力網(wǎng)絡(luò)之間傳輸。因此，AC/DC換流器和DC/AC換流器分別安裝在DC環(huán)節(jié)的一側(cè)。換流器 可以是電網(wǎng)換相換流器(linecommutated converter)類型的或者電壓源換流器類型的。在 電網(wǎng)換相換流器的情況中，電抗器用于去除換流器的DC側(cè)上的電流紋波。這種電抗器稱作 平滑電抗器。當(dāng)在HVDC系統(tǒng)中使用電壓源換流器時(shí)，在換流器的AC側(cè)上附加地使用被稱作 換流電抗器或相電抗器(Phase reactor)的電抗器，以主要阻止由換流器的切換引起的諧 波電流。除了阻止諧波電流之外，換流電抗器還達(dá)到了提供有功功率和無功功率控制以及 限制短路電流的目的。例如，從簡(jiǎn)介材料“it’s time to connect"(ABB PowerTechnologies AB, Grid System-HVDC, SE_77180Ludvika，Sweden, www. abb. com/hvdc)中可以知道這兩種 電抗器類型以及它們?cè)贖VDC系統(tǒng)中的配置。本發(fā)明涉及換流電抗器，即串聯(lián)連接至高電壓AC/DC或DC/AC換流器(優(yōu)選地，電 壓源換流器)的AC側(cè)的電抗器。這樣的換流電抗器通常是干式電抗器，即，不使用絕緣油。在

圖1的單線圖中示出了一種常見的帶有電壓源換流器的HVDC系統(tǒng)的AC/DC或 者DC/AC部分。通常，HVDC系統(tǒng)的AC部分包含三相。電壓源換流器(VSC) 1包括以已知的 橋配置連接的換流閥2，其中換流閥2各包括與續(xù)流二極管(free-wheeling diode)4反并 聯(lián)連接的IGBT 3 (絕緣柵雙極型晶體管)。VSC 1在其AC側(cè)上連接至換流電抗器5，其后跟 隨有諧波濾波器6和變壓器7。變壓器7耦合至AC電力網(wǎng)絡(luò)8。兩個(gè)相同的串聯(lián)連接的電 容器單元9連接在VSC 1的DC側(cè)的第一極12和第二極13之間，并且在此實(shí)例中HVDC系統(tǒng) 的DC環(huán)節(jié)由兩個(gè)DC電纜10組成。DC電纜被絕緣并且它們的屏蔽罩接地。代替DC電纜， 也可以使用架空線。兩個(gè)電容器單元9之間的連接點(diǎn)11 (也稱為VSC 1的DC側(cè)的中點(diǎn)或 等電位點(diǎn))接地，使得在兩極12和13之間出現(xiàn)對(duì)稱的DC電壓。因而，連接至第一極12的DC電纜10具有正電壓電位+UDC+1,而連接至第二極13的DC電纜10具有負(fù)電壓電位_UDai， 其中負(fù)電壓電位與正電壓電位具有相同的絕對(duì)值。HVDC技術(shù)的新發(fā)展提出了一種非對(duì)稱系統(tǒng)，其中電容器單元9之間的中點(diǎn)不接 地，而是極12或13接地。在圖2中，示出了這樣的非對(duì)稱系統(tǒng)，其中第一極12連接至地， 第二極13連接至DC電纜10。DC電纜10上的電壓電位是負(fù)的(_UDa2)，并通常具有與圖1 的對(duì)稱配置中的負(fù)電壓電位(_UDai)不同的值。由于DC電纜在HVDC系統(tǒng)中構(gòu)成相當(dāng)大的 成本因素，因而從兩根電纜減少到一根電纜導(dǎo)致成本顯著降低?？梢越⒅皇褂靡桓芸?線而不是兩根架空線的類似的非對(duì)稱配置，而將剩下的一極連接至地。這種解決方案不僅 意味著需要更少的材料用于架空線，而且還導(dǎo)致降低傳輸損耗，這是因?yàn)榇蟮鼐哂斜燃芸?線更小的阻抗。本發(fā)明的目的是提供適于用在HVDC系統(tǒng)的非對(duì)稱配置中的換流電抗器。該目的是通過權(quán)利要求1的技術(shù)特征來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明基于對(duì)非對(duì)稱配置中產(chǎn)生的基本問題的認(rèn)識(shí)。該問題由以下事實(shí)引起 HVDC系統(tǒng)的非對(duì)稱配置導(dǎo)致VSC 1的AC側(cè)上的DC偏差，這和對(duì)稱情況相反，對(duì)稱情況沒有 DC偏差發(fā)生。DC偏差導(dǎo)致產(chǎn)生換流電抗器5和地之間的DC電場(chǎng)，該電場(chǎng)引致電抗器5的 絕緣外表面和內(nèi)表面上的電荷積累。在圖3a中示出了這種情況，其中示意性地示出了換流 電抗器5，包括由絕緣導(dǎo)線14制成的圓柱形線圈，圓柱形線圈被絕緣圓柱體15包圍。絕緣 圓柱體15放置在兩個(gè)站立于地17上的絕緣體上。線圈14的繞組在一側(cè)上經(jīng)由第一端子A 電連接至變壓器7的次級(jí)側(cè)上的連接點(diǎn)(見圖2)，并且在另一側(cè)上經(jīng)由第二端子B電連接 至換流器1的AC相位端子35。因此，端子A具有DC偏差電位加次級(jí)變壓器側(cè)的AC電壓， 而端子B具有DC偏差電位加換流器1的切換電壓。由于在圖2的實(shí)例中DC電位為負(fù)值， 因而絕緣圓柱體15的表面上所產(chǎn)生的電荷18是正的。電荷18不僅在如圖3a中的絕緣圓 柱體15的外表面上累積，還在內(nèi)表面上積累，從那兒它們可能影響線圈14的繞組。圖3b 示出了線圈14的導(dǎo)線19的一些線圈匝數(shù)(turns)的截面。導(dǎo)線19被絕緣材料的薄層20 所包圍。絕緣層20通常足夠厚以承受對(duì)稱HVDC系統(tǒng)的常規(guī)AC電場(chǎng)，但在非對(duì)稱情況下， 提高的電場(chǎng)強(qiáng)度可能導(dǎo)致?lián)舸?，即穿透絕緣層20的火花會(huì)破壞絕緣材料。電荷18可能在 繞組之間傳播，并最終導(dǎo)致電抗器毀壞或者甚至起火。為了避免DC電場(chǎng)損壞換流電抗器，本發(fā)明提出了在電抗器處安裝金屬的或者阻 抗的靜電屏蔽罩，其中該屏蔽罩連接至與換流器相同的DC電位?？梢赃B接至換流器的DC 側(cè)或AC側(cè)。在AC側(cè)，選擇端子A或者B，這是因?yàn)樗鼈兙哂腥缟纤龅膿Q流器DC電位。該 屏蔽罩消除了圍繞換流電抗器的DC電場(chǎng)，從而避免了在電抗器繞組表面上出現(xiàn)危險(xiǎn)電荷。 因而可以有效避免換流電抗器的擊穿和破壞?，F(xiàn)在通過參考附圖以實(shí)例的方式描述本發(fā)明。在附圖中圖1示出了已知的對(duì)稱HVDC系統(tǒng)；圖2示出了已知的非對(duì)稱HVDC系統(tǒng)；圖3a示出了非對(duì)稱HVDC系統(tǒng)中的換流電抗器的充電；圖3b示出了圖3a的換流器線圈的線圈匝數(shù)的充電；圖4示出了具有連接至換流器的DC側(cè)上的DC電位的金屬罩(metallic cage)的 換流電抗器；
圖5示出了具有經(jīng)由第一端子連接至換流器的AC側(cè)上的DC電位的金屬罩的換流 電抗器；圖6示出了具有經(jīng)由第二端子連接至換流器的AC側(cè)上的DC電位的金屬罩的換流 電抗器；圖7示出了具有高頻接地的金屬罩的換流電抗器；圖8示出了具有電暈環(huán)的換流電抗器。在圖4中示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例。其中，圖3a的換流電抗器5被封在金屬罩21中，該金屬罩經(jīng)由絕緣體22舉到地面17之上。金屬罩21是中空體，其可以是圓柱體形 狀的或任意其他三維形狀的，并且具有底和頂。例如，罩21可以由片狀金屬或網(wǎng)狀金屬構(gòu) 成或者由具有不同輪廓的導(dǎo)線構(gòu)成。套管23和24被引導(dǎo)穿過罩21的壁，以從外側(cè)分別將 線圈14的兩端連接至對(duì)應(yīng)于端子A或B的連接點(diǎn)。罩21電連接至換流器的DC側(cè)上的DC 電位，在這個(gè)特殊的實(shí)施例中它是在中點(diǎn)C處的等電位點(diǎn)。從可能的射電干擾的角度著，連 接至DC電位是有益的。電阻器25并聯(lián)連接至換流器1的DC側(cè)上的電容器9，并且電阻器 串聯(lián)連接的中點(diǎn)連接至中點(diǎn)C以使DC電壓分配穩(wěn)定。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，金屬罩21 等同于換流電抗器5的磁屏蔽罩，S卩，罩21同時(shí)滿足兩項(xiàng)功能它既消除電抗器線圈14上 的DC電場(chǎng)，又減輕或消除電抗器外部的磁場(chǎng)。在圖5中，圖3a的電抗器5再次被封在圖4的金屬罩21中。不將罩21連接至換 流器DC側(cè)上的DC電位，而是將罩21直接連接至電抗器的端子A，并從而連接至圖2中的變 壓器7的次級(jí)側(cè)上的連接點(diǎn)。從而省略了套管23以及至C點(diǎn)的連接(圖4)。圖6與圖5 中的實(shí)施例的區(qū)別僅在于，罩21連接至端子B而非端子A，從而連接至換流器1的AC相位 端子(圖4)。在該實(shí)施例中，省略了套管24以及至C點(diǎn)的連接(圖4)。圖7示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例。該配置和圖5的配置幾乎相同。唯一的區(qū)別在 于，罩21經(jīng)由電阻器36連接至電抗器5的端子A的電位，以及經(jīng)由電容器26連接至地17。 優(yōu)選地，阻容連接(resistive-capacitiveconnection)的時(shí)間常數(shù)在秒或更大的范圍內(nèi)， 并且它建立了罩至地的強(qiáng)高頻耦合以減輕由換流器閥2的切換所引起的高頻電壓擾動(dòng)。可 替換地，圖7的高頻耦合也可以應(yīng)用于圖4或6的實(shí)施例。根據(jù)圖8的又一實(shí)施例不基于金屬罩，而是兩個(gè)第一電暈環(huán)27和33各圍繞在線 圈14的圓柱體的兩端之一放置。另外，兩個(gè)第二電暈環(huán)28和34各平行于線圈14的圓柱 體的兩個(gè)端面29之一放置。電暈環(huán)33和34電連接至電抗器5的第一端子A，而線圈14的 相對(duì)端上的另外的電暈環(huán)27和28電連接至電抗器5的第二端子B。這四個(gè)電暈環(huán)27、28、 33和34全部被放置為使線圈14的圓柱體的縱軸30和這些環(huán)的中心軸彼此成一直線。第 一電暈環(huán)27和33中的每一個(gè)都以距相應(yīng)的端面29del或de2的距離圍繞線圈14的圓柱體 的殼31，這兩個(gè)距離比各自距線圈圓柱體的橫向中軸32的距離dml或dm2短。通過將四個(gè) 電暈環(huán)27、28、33和34放置在線圈14的頂側(cè)和外側(cè)上(從而放置在電抗器5上)，避免了 任何電荷流進(jìn)電抗器5的內(nèi)部。在特殊的實(shí)施例中，為了避免過分的磁加熱，布置電暈環(huán)以 減小感生電流在環(huán)內(nèi)的流動(dòng)。這可以通過使用高阻抗材料和/或通過為電暈環(huán)選擇封入盡 可能小的磁場(chǎng)的截面來實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種高電壓干式電抗器(5)，所述電抗器經(jīng)由第一端子(A)串聯(lián)連接至AC供電電壓并經(jīng)由第二端子(B)串聯(lián)連接至高電壓換流器(1)的AC相位端子(35)，并且所述電抗器包括由絕緣導(dǎo)線(19)制成的圓柱形線圈(14)，其特征在于，所述電抗器(5)還包括金屬的或者阻抗的靜電屏蔽罩，所述屏蔽罩連接至與所述換流器(1)相同的DC電位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電抗器，其中所述靜電屏蔽罩包括兩個(gè)第一電暈環(huán)(27，33)， 各圍繞所述線圈(14)的圓柱體的兩端之一放置，使得所述圓柱體的縱軸(30)和所述環(huán) (27,33)的中心軸彼此成一直線，并且使得所述環(huán)(27，33)中的每一個(gè)圍繞所述圓柱體的 殼(31)，所述環(huán)(27，33)中的每一個(gè)距相應(yīng)的圓柱體端面(29)的距離(del，de2)比距所述 圓柱體的橫向中軸(32)的距離(dml，dm2)短，其中所述兩個(gè)第一電暈環(huán)中的一個(gè)(33)電連 接至所述電抗器(5)的第一端子(A)，并且其中所述兩個(gè)第一電暈環(huán)中的另一個(gè)(27)電連 接至所述電抗器(5)的第二端子(B)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電抗器，其中所述靜電屏蔽罩還包括兩個(gè)第二電暈環(huán)(28， 34)，各平行于所述線圈(14)的圓柱體的兩個(gè)端面(29)之一放置，使得所述圓柱體的縱軸 (30)和所述環(huán)(28，34)的中心軸彼此成一直線，其中所述兩個(gè)第二電暈環(huán)中的一個(gè)(34) 電連接至所述電抗器(5)的所述第一端子(A)，并且其中所述兩個(gè)第二電暈環(huán)中的另一個(gè) (28)電連接至所述電抗器(5)的第二端子(B)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電抗器，其中通過為所述環(huán)選擇封入盡可能小的磁場(chǎng)的 截面和/或通過使用高阻抗材料，來布置所述電暈環(huán)(27，28)以減小所述環(huán)內(nèi)的感生電流 的流動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電抗器，其中所述靜電屏蔽罩包括金屬罩(21)，所述金屬罩 包圍所述線圈(14)并連接至所述換流器(1)的DC側(cè)上的DC電位。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電抗器，其中所述DC電位是所述換流器(1)的DC側(cè)上的等 電位點(diǎn)(C)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電抗器，其中所述靜電屏蔽罩包括金屬罩(21)，所述金屬罩 圍繞所述線圈(14)并連接至所述電抗器(5)的第一端子(A)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電抗器，其中所述靜電屏蔽罩包括金屬罩(21)，所述金屬罩 圍繞所述線圈(14)并連接至所述電抗器(5)的第二端子(B)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任一項(xiàng)所述的電抗器，其中所述罩(21)經(jīng)由高電壓電阻器 (36)耦合至所述電抗器(5)的第一端子(A)或第二端子(B)并高頻耦合至地(17)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電抗器，其中所述高頻耦合包括所述高電壓電阻器(36)和 高電壓電容器(26)的串聯(lián)連接，所述電阻器(36)連接在所述罩(21)和所述電抗器(5)之 間，而所述電容器(26)連接在所述罩(21)和地(17)之間。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電抗器，其中所述換流器(1)是用于非對(duì)稱配 置的高電壓直流電力傳輸系統(tǒng)中的電壓源換流器。
全文摘要
一種高電壓干式電抗器，經(jīng)由第一端子(A)串聯(lián)連接至AC供電電壓并經(jīng)由第二端子(B)串聯(lián)連接至高電壓換流器(1)的AC相位端子，該電抗器包括由絕緣導(dǎo)線制成的圓柱形線圈(14)。為了保護(hù)電抗器(5)免遭DC電場(chǎng)破壞，電抗器(5)還包括金屬或者抗靜電屏蔽罩，其連接至與換流器(1)相同的DC電位。
文檔編號(hào)H02M7/757GK101802939SQ200780100397
公開日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2007年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月29日
發(fā)明者比約恩·雅各布森, 貢納爾·阿斯普隆德 申請(qǐng)人:Abb技術(shù)有限公司