饱和电抗器环氧树脂温度场仿真及其电热联合老化试验研究

发布时间：2020-07-11 18:24

【摘要】：饱和电抗器的主要作用是保护晶闸管正常的开断,饱和电抗器的失效将会直接威胁到换流阀的安全运行。换流阀周期性的导通与关断使饱和电抗器绝缘长期承受周期性脉冲电热应力,这可能会使环氧树脂承受电热应力最严重的局部薄弱环节的绝缘性能快速下降。目前对饱和电抗器环氧树脂在这种电热环境下的绝缘老化失效机理尚不清楚。为了揭示饱和电抗器在周期性脉冲电热应力下的老化机理和定量评估其老化寿命。本文以±1100kV特高压直流换流阀整流侧饱和电抗器为研究对象,通过有限元仿真得到了环氧树脂内部绝缘薄弱点的电热参数。基于这些参数,搭建了工频脉冲电压和等幅值的工频正弦电压的电热联合老化试验平台,并对比了两者之间的老化差异性;基于Cole-Cole弛豫模型提取老化特征参量,为揭示饱和电抗器环氧树脂局部薄弱环节的老化机理及老化寿命评估提供了指导。首先,基于有限元分法,采用ANSYS Maxwell软件对饱和电抗器铁芯损耗进行建模,导入5000A满负荷工况下的瞬时电流数据,仿真得到了铁芯损耗瞬时功率波形和损耗功率密度分布。同时,为了得到饱和电抗器环氧树脂局部最大电场的分布情况,对饱和电抗器正常运行工况下的峰值时刻电场进行仿真。其次,为了找到饱和电抗器内部环氧树脂材料中最大热点温度的位置,基于ANSYS Maxwell软件仿真得到的饱和电抗器的铁芯损耗功率密度建立铁芯的电磁热耦合模型,得到了铁芯的温度分布。为了进一步得到饱和电抗器内部环氧树脂整体的温度分布情况,在此基础上结合ANSYS Fluent软件建立了电磁热流多物理场耦合仿真模型。最终确定了环氧树脂内部最热点温度值及位置。最后,对饱和电抗器环氧树脂进行电热联合老化试验。为了研究环氧树脂在这两种工况下的老化差异性,分别搭建了工频正弦电压和工频脉冲电压下的电热老化平台。并根据环氧树脂内部局部温度最高点的仿真结果,设定老化温度,对比这两种工况下的环氧树脂的介电特性的变化差异,分析其老化机理及寿命的差异性。为了定量的研究饱和电抗器在实际运行的脉冲电场下的老化特性,采用双弛豫Cole-Cole模型对脉冲电场作用下的电热老化介电频谱数据进行了拟合,得到了环氧树脂不同老化状态下的特征参量与老化时间的关系,为揭示饱和电抗器内部环氧树脂老化机理及老化寿命评估提供了指导。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM47
【图文】：

示意图,饱和电抗器,主体结构,示意图

Cvs为换流阀两端的组件等效电容，Rdc为直流均压电阻，CRC和 R阻容回路的电容和电阻参数，系数 NT代表 NT个晶闸管串联后的电阻和电容饱和电抗器在每个工频周期会经历开通暂态、关断暂态和断态振荡三个过程个暂态过程饱和电抗器铁芯都有一个非饱和状态与饱和状态之间的过渡过程会在饱和电抗器两端产生感应电压，进而产生一个短暂的脉冲铁芯损耗和脉场。因此，饱和电抗器的环氧树脂绝缘会长期处在周期性的脉冲电热应力联用的环境下，进而可能会出现局部绝缘失效的情况，影响整个饱和电抗器的寿命，成为直流输电系统的重大安全隐患。目前，国内外对饱和电抗器环氧在这种周期脉冲电热应力作用下的绝缘失效机理和寿命评估并不了解。为了研究环氧树脂薄弱环节的电热联合老化失效机理，首先需要确定其电境参数。其中，环氧树脂内部的温度分布是研究的难点问题。引起环氧树脂升高的发热源来自铁芯损耗和绕组铜耗，由于大部分铜耗被绕组内部的冷却走，绕组温度并不高，因此环氧树脂主要的热源是来自铁芯损耗。由于饱和器内部的温度是无法测量的，因此只能通过理论计算和仿真获得。

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也只能用在线红外测温装置进行实时监测[8]。闸管开通模型、关断模型和饱和电抗器的暂态模型均具有计算机仿真方法仿真得到全周期的铁芯损耗瞬时功率。]提出了用铁芯的磁滞回线来计算铁芯损耗的方法，由于很器铁芯的磁滞回线，这种方法并不合适。此外，这种方法关断状态下因阻尼电容充放电电流引起的脉冲铁芯损耗。和电抗器的散热设计主要采用水冷散热，准确计算饱和电的基础。文献[6]已经完成了对饱和电抗器全周期的平均损器的散热能力。但这种方法忽略了内部损耗分布不均导致，进而可能引起局部绝缘热失效的问题。能电网研究院的纪锋等人用非线性电阻和受控电流源并联电抗器在正常工况下的铁芯损耗，如图 1.4 所示，结合锦A 高压直流输电工程的整流侧电路模型，仿真得到了整流全周期的铁芯损耗功率波形，与现场实测功率一致。

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国网智能电网研究院通过研制±1100kV/5000A 特高压直流换流阀，建立了整流侧 12 脉动换流阀的仿真模型，得到了整流侧的换流阀在满负荷工况下流过饱和电抗器的典型全周期电流波形如图2.1 所示[26]，类似于一个占空比为1/3的梯形波。整个周期可以分为开通、关断和断态三个阶段，各个阶段的电流波形分别如图2.2、2.3、2.4。由于本文的研究是以此换流阀用的饱和电抗器为研究对象，因此可以把图 2.1 的电流作为后续仿真的激励波形。

【参考文献】