一种桥臂电抗器轴向分割结构的优化设计方法

一种桥臂电抗器轴向分割结构的优化设计方法
1.本发明属于桥臂电抗器理论设计领域，具体是一种桥臂电抗器轴向分割结构的优化设计方法。


背景技术：

2.随着海上风电的不断开发以及城市用电量的增加，柔性直流输电技术以其控制灵活、占地工程小、可与多个输电系统进行互联等优点，越来越引起行业重视。2011年以来，我国已建成张北柔性直流等八个多个不同电压等级的柔性直流输电工程，逐渐成为输电系统的重要组成部分。各柔性直流输电工程中应用了大量桥臂电抗器，其技术可靠性是成功实现柔性直流输电技术的关键因素。桥臂电抗器均采用干式空心电抗器型式，是一种交直流复合电抗器，交直流叠加运行的工况不仅带来了阻性发热温升，也带来了交流涡流温升，热点温升集中在中间包封、各包封中上部位置，这极易使桥臂电抗器发生热故障。温升过高导致的热故障是桥臂电抗器的主要故障类型，因此在设计中平衡交直流电流在包封中的分布，避免桥臂电抗器在运行中出现某个包封过热问题非常重要。现有设计方法主要有等电流密度法、等电阻电压法与等温升法，大多数方法从改善包封电流分配入手，通过控制产热来均衡温升分布，各方法中采用等温升法设计的电抗器温升分布最均衡，但由于电抗器狭长的通风气道结构对散热的限制，气道中上部的空气流动形式发生变化，使该区域散热性能降低，温升依然较高，另寻新的设计方法解决上述问题存在瓶颈。电抗器的大容量化发展对温升均衡设计提出了更高要求，现有设计方法已难以满足电抗器散热性能的实际需求，须发展更有效的电抗器结构。本发明的有益效果为：通过对所述桥臂电抗器轴向分割结构的优化设计方法的综合分析，发现本设计方法通过改变结构增大包封的有效单位面积散热量，从改善散热的角度减低电抗器整体温升、缩小包封间温差，可对桥臂电抗器设计提供一定新的理论支撑。


技术实现要素：

3.鉴于现有技术中的上述问题与缺陷，本发明的目的是提供一种桥臂电抗器轴向分割结构的优化设计方法，本设计方法通过增大各包封有效单位面积散热量降低包封整体温升、减小包封间温差，并根据热边界层空气运动形式确定最优分割位置；同时，考虑支柱绝缘子的弯曲强度和高度进行合理选型。通过实例验证采用此种结构设计的合理性。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
5.一种桥臂电抗器轴向分割结构的优化设计方法，其特征在于所述设计方法包括轴向分割结构设计的空间构型、等效电路以及包封温升校核，其中：
6.轴向分割结构设计将包封在轴向进行分割，分割部分采用串联连接，之间用支柱绝缘子进行机械支撑，以分割为两部分为例，结构如图1所示。包封选用小截面导线多股平行绕制，其中匝间绝缘由环氧树脂绕包玻璃纤维或聚酯薄膜构成；包封与包封之间用聚酯条作为支撑；各包封导线的首末两端分别焊在铝制星形架上。具体结构与分割比例和支柱绝缘子型号有关，分割比例α表示分割下半部分高度与分割前电抗器整体高度的比值，对由
n个包封并联构成的电抗器以分割比例α进行轴向分割。支柱绝缘子选型与运输尺寸高度界限和弯曲强度有关，既使分割后的电抗器高度不超过运输尺寸高度界限，也使支柱绝缘子弯曲强度可以承受分割上半部分的重量。对于分割为三部分或更多的情况，一般会超过运输尺寸高度界限，故不再考虑。分割比例过大或过小都会形成一个大尺寸分割部分，此部分产热量大，有效单位面积散热量小，温升效果改善效果不佳。以分割为两部分(z＝2)为例，当两部分的气道有效高度相等，即在50％附近分割，才能使电抗器整体温升分布最佳。但当电抗器正常工作时，各个包封气道的空气会受热膨胀，导致密度变小，从而沿着包封的侧面向上运动。由于粘性作用的存在，包封侧面附近的空气会在包封表面产生一个热边界层。热边界层下部空气以层流形式运动。热边界层随着空气流动方向上的尺寸的增大而逐渐增大，这也使得电抗器各个包封的侧面的换热性能随着高度的增加而减弱。因此，为均衡分割部分的散热性能，需要将分割位置沿轴向向上移动。通过分析，最优分割比例位于电抗器中上部区域的某个位置；在各包封参数中，气道有效高度和气道有效宽度对最优分割比例的影响最大，适当减小气道有效高度可以削弱空气的粘性作用，使热边界层更难形成，适当增大气道有效宽度可以增强空气流动，两者共同提高包封散热性能，使最优分割比例趋向于50％，在同等情况下调整气道有效高度对最优分割比例的影响更大。但对于不同型号的电抗器，设计要求各异，气道有效宽度、气道有效高度等参数不尽相同，最优分割比例需要具体型号具体计算。
7.根据桥臂电抗器轴向分割结构设计的空间构型，对由n个包封并联构成的电抗器，以分割为两部分为例，其等效电路如图2所示，第i个包封的自感被拆分为l
i(1)
、l
i(2)
；第i个包封与和第j个包封的互感被拆分m
ij(1)
、m
ij(2)
，则第i个包封与其它n-1个包封的总互感被拆分为m
ni(1)
、m
ni(2)
；第i个包封的直流电阻被拆分为r
i(1)
、r
i(2)
；ii为第i个包封的电流，u为电抗器的端电压，in为电抗器的额定电流。第i个包封和其它n-1个包封的总互感m
ni
，满足以下关系式：
8.所述桥臂电抗器轴向分割结构的优化设计方法，以某
±
35kv柔性直流输电工程桥臂电抗器为例进行设计，其额定工频交流为948.93a、额定直流为704.92a、额定电感67.7828mh、热点温升限制为88℃、运输尺寸界限为3.1m
×
3.1m
×
2.4m。设定包封气道宽度为25mm，采用铝导线绕制，金属重为3.845t，选择支柱绝缘子型号为zs-35/30-g，通过流场-温度场耦合有限元计算，确定电抗器最佳分割比例为65％，此时包封间温差最小；传统结构的桥臂电抗器包封温度分布如图3所示，轴向分割结构的桥臂电抗器包封温度分布如图4所示。经过计算，与传统结构相比，轴向分割结构将包封间的温差由34.2℃缩小至24.0℃，将各包封的热点温升由70.0℃降至54.3℃。
附图说明
9.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所使用的附图作简单介绍。
10.图1为桥臂电抗器轴向分割结构的空间构型；
11.图2为桥臂电抗器轴向分割结构的等效电路；
12.图3为桥臂电抗器传统结构下采用等温升法设计的整体温升分布；
13.图4为桥臂电抗器轴向分割结构下采用等温升法设计整体温升分布。
具体实施方案
14.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于所说明部分，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
15.本发明提供了一种桥臂电抗器轴向分割结构的优化设计方法，包括轴向分割结构的空间构型、等效电路以及包封温升校核，用于改善桥臂电抗器包封温升分布。
16.轴向分割结构设计的空间构型如图1所示，将包封在轴向上分割为两部分，分割部分采用串联连接，之间用支柱绝缘子进行机械支撑。包封选用小截面导线多股平行绕制，其中匝间绝缘由环氧树脂绕包玻璃纤维或聚酯薄膜构成；包封与包封之间用聚酯条作为支撑；各包封导线的首末两端分别焊在铝制星形架上。具体结构与分割比例和支柱绝缘子型号有关，分割比例α表示分割下半部分高度与分割前电抗器整体高度的比值，对由n个包封并联构成的电抗器以分割比例α进行轴向分割。支柱绝缘子选型与运输尺寸高度界限和弯曲强度有关，既使分割后的电抗器高度不超过运输尺寸高度界限，也使支柱绝缘子弯曲强度可以承受分割上半部分的重量。对由n个包封并联构成的桥臂电抗器，假设轴向分割为z个部分，对于第i个包封，各分割部分的产热量完全根据分割比例分配：式中，ni、ii、d
i1
、d
i2
、ρi、σi、k
si
分别为第i个包封的匝数、电流、内径、外径、导线电阻率、导线截面积和附加损耗系数。同时，第i个包封的分割部分j(j＝1,2
…
,z)的有效单位面积散热量为：式中，c
maxi
、ji、k
mi
、ai、h
ij
分别为第i个包封能够承受的最大安匝数、电流密度、撑条遮挡系数、气道的有效宽度和分割部分j气道有效高度。对同一包封，除分割部分j气道有效高度外，分割比例对其余参数在计算分割部分产热量、散热量时产生的差异很小，可忽略不计。分割比例过大或过小都会形成一个大尺寸分割部分，此部分产热量大，有效单位面积散热量小，温升效果改善效果不佳。以分割为两部分(z＝2)为例，当两部分的气道有效高度相等，即在50％附近分割，才能使电抗器整体温升分布最佳。但当电抗器正常工作时，各个包封气道的空气会受热膨胀，导致密度变小，从而沿着包封的侧面向上运动。由于粘性作用的存在，包封侧面附近的空气会在包封表面产生一个热边界层。热边界层下部空气以层流形式运动。热边界层随着空气流动方向上的尺寸的增大而逐渐增大，这也使得电抗器各个包封的侧面的换热性能随着高度的增加而减弱。因此，为均衡分割部分的散热性能，需要将分割位置沿轴向向上移动。通过分析，最优分割比
例位于电抗器中上部区域的某个位置；在各包封参数中，气道有效高度和气道有效宽度对最优分割比例的影响最大，适当减小气道有效高度可以削弱空气的粘性作用，使热边界层更难形成，适当增大气道有效宽度可以增强空气流动，两者共同提高包封散热性能，使最优分割比例趋向于50％，在同等情况下调整气道有效高度对最优分割比例的影响更大。但对于不同型号的电抗器，设计要求各异，气道有效宽度、气道有效高度等参数不尽相同，最优分割比例需要具体型号具体计算。
17.轴向分割结构设计的等效电路如图2所示。第i个包封的自感被拆分为l
i(1)
、l
i(2)
；第i个包封与和第j个包封的互感被拆分m
ij(1)
、m
ij(2)
，则第i个包封与其它n-1个包封的总互感被拆分为m
ni(1)
、m
ni(2)
；第i个包封的直流电阻被拆分为r
i(1)
、r
i(2)
；ii为第i个包封的电流，u为电抗器的端电压，in为电抗器的额定电流。第i个包封和其它n-1个包封的总互感m
ni
，满足以下关系式：根据等效电路及基尔霍夫定律，具有n个并联包封线圈的桥臂电抗器，应满足如下等效电压方程组：
18.传统结构下采用等温升法设计的某
±
35kv桥臂电抗器包封温度分布如图3所示。建立流场-温度场仿真模型，假设环境温度为40℃；设定模型上边界条件为空气、径向速度分量为0，设定模型下边界为固定地面、轴向和径向的速度均为0，温度为环境温度；设定模型上边界为流体的出口、边界条件是相对压力为0，为温度自由边界；设定下边界是流体的入口，温度设定为环境温度，速度为0.2m/s；设定每个包封表面加辐射边界条件。通过仿真包封间的温差为34.2℃，包封的热点温升为70.0℃；
19.轴向分割结构下采用等温升法设计的某
±
35kv桥臂电抗器包封温度分布如图4所示。建立流场-温度场仿真模型，设定条件与传统结构仿真模型一致。轴向分割结构将桥臂电抗器包封进行轴向分割，分割各部分与传统结构相比气道高度减小，使有效单位面积散热量增大，可以有效降低温升；通过计算，包封间的温差为24.0℃，包封的热点温升为54.3℃，与传统结构的仿真结果相比效果明显。