基于换流阀母排方波电流的取能装置及其设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于换流阀母排方波电流的取能装置及其设计方法，该方法包含如下步骤：S1：提取换流阀母排方波电流关键参数；S2：计算取能装置的线圈的功率特性；S3：根据换流阀母排的形状选择取能装置的磁芯材料及形状，并分析计算出取能装置；S4：对设计的取能装置进行仿真，并搭建试验平台对取能装置进行性能测试。本发明专利技术通过对基于电磁感应原理的磁芯和信号处理电路的各项参数进行理论分析、仿真研究和实验测试，提出出一种高性能的高压侧感应取能装置的设计方法。

Energy acquisition device based on square wave current of converter valve bus and its design method

The invention relates to an energy acquisition device based on the square wave current of the commutation valve and its design method. This method includes the following steps: S1: extracting the key parameters of the square wave current of the converter valve busbar; S2: calculating the power characteristics of the coil of the energy fetching device; S3: selecting the magnetic core material and shape of the energy fetching device according to the shape of the commutation valve busbar. S4: simulate the designed energy-taking device, and build a test platform to test the performance of the energy-taking device. Based on the theoretical analysis, simulation research and experimental test of the parameters of magnetic core and signal processing circuit based on electromagnetic induction principle, a design method of high performance high voltage side induction energy acquisition device is proposed.

【技术实现步骤摘要】
基于换流阀母排方波电流的取能装置及其设计方法
本专利技术属于电能转换设备
，涉及一种基于换流阀母排方波电流的取能装置设计方法。
技术介绍
伴随着电力系统的不断发展完善和电网的高速发展，当前我国的电网规模已经跃居世界第一位，但是我国能源资源分布与能源需求之间存在逆向分布矛盾，导致我国发电能源和用电负荷的分布极不均衡。为克服能源结构性的矛盾，国家电网公司提出“建设统一坚强智能电网”的战略目标，特高压电网作为坚强智能电网的骨干网架，是实现电网“坚强”与“智能”的重要环节，特高压直流电网所具备的输送容量大、损耗小、送电距离远等一系列优点，决定了其作为坚强智能电网构架中大容量远距离输电的重要载体。换流阀是特高压直流输电系统的核心设备，一旦发生故障会很大程度影响特高压直流电网的运行可靠性。换流阀长期运行在电、磁、热等多物理场交织的复杂环境中，决定了换流阀运行可靠性相对薄弱的特点。由于换流阀运行电压等级过高，无法对换流阀设备的运行状态进行近距离直接观测，这使得运行人员无法在第一时间得知换流阀设备各部分的运行状况，有可能导致换流阀设备“带病运行”。这给换流阀的运行带来很大风险，即便故障概率极小，也可能造成极大的经济损失。为对换流阀设备做出及时的状态评估和故障诊断,更好保障设备的正常运行,需要建立一个完善的在线监测和状态评估诊断系统。在线监测系统的传感器和监测数据的处理、传输都需要一个稳定的取能装置，因此，为在线监测系统研究一套实用性强的取能装置具有重要的意义。目前，已有文献报道的在线取能装置主要是应用于交流输电系统正弦电流工况下的在线监测系统。但由于直流输电换流阀母排流过的电流是方波电流，为了给换流阀的在线监测系统提供一种长期可靠的低压电源，重新对换流阀母排的方波电流这种特殊工况的感应取能方法进行分析设计具有重要意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于换流阀母排方波电流的取能装置及其设计方法，通过对基于电磁感应原理的磁芯和信号处理电路的各项参数进行理论分析、仿真研究和实验测试，设计出一种高性能的高压侧感应取能装置。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于换流阀母排方波电流的取能装置设计方法，该方法包含如下步骤：S1：提取换流阀母排方波电流关键参数；S2：计算取能装置的线圈的功率特性；S3：根据换流阀母排的形状选择取能装置的磁芯材料及形状，并分析计算出取能装置；S4：对设计的取能装置进行仿真，并搭建试验平台对取能装置进行性能测试。进一步，步骤S2具体包含如下步骤：S21：计算取能装置的二次侧电压有效值；S22：计算取能装置的二次侧功率特性。进一步，步骤S3中所述铁芯形状为U形环或圆环形。进一步，步骤S3具体为：S31：根据磁芯材料的磁导率，矫顽力，电阻率和饱和磁感应强度选择磁芯材料；S32：对磁芯的磁阻以及磁饱和进行分析，并确定磁芯尺寸；S33：计算取能装置的线圈匝数；S34：设计取能装置的线圈匝间绝缘。进一步，步骤S32具体为：S321：选取圆环形磁芯，假定磁芯工作在线性区域，计算磁芯磁导；S322：计算刚进入饱和状态时候的最大励磁电流；S323：按照平均磁路长度和截面积周长之和最小的原则来设计磁芯尺寸。进一步，步骤S33中取能装置的线圈匝数满足：其中，e为感应电势，n为线圈匝数，μeq为等效磁导率，w为铁芯内径与外径的宽度，s为铁芯的厚度。进一步，步骤S4具体为：S41：根据磁芯参数对磁芯进行建模，并将磁芯接入激励源；S42：将激励源设置为工频电流，并改变施加工频电流的幅值，对磁芯一次侧进行空载测试，测试并记录磁芯二次侧的输出电压幅值；S43：将工频电流更换成固定幅值的方波电流，对磁芯一次侧进行空载测试，测试并记录磁芯二次侧的输出电压幅值；S44：将磁芯二次侧接入信号处理模块构成取能电路，并接入负载等效电路；S45：施加激励并改变负载等效电阻的阻值，测试负载端电压变化情况，并进行统计，得出结论；S46：搭建试验平台，调试试验电路，对所设计的取能装置进行测试，获取真实环境下取能装置的性能表现。进一步，所述信号处理模块包含依次连接的整流电路、滤波电容和稳压电路，所述整流电路连接至所述磁芯二次侧，所述稳压电路连接至所述负载等效电路。基于换流阀母排方波电流的取能装置，所述取能装置的磁芯呈对开口环形，分为一次侧磁芯和二次侧磁芯，且分别绕制有一次侧线圈和二次侧线圈，所述磁芯采用硅钢片制成，在两个开口处均设置有气隙片并通过弹簧卡簧压紧，所述取能装置用于高压线路中提取线路参数。进一步，所述的一次侧线圈和二次侧线圈的线圈匝间绝缘采用聚酯薄膜绕制而成。本专利技术的有益效果在于：通过对基于电磁感应取能原理的取能磁芯和信号处理电路的各项参数进行理论分析、仿真研究和实验测试，设计出一种性能较好的高压侧感应取能电源结构。(1)对磁芯进行建模仿真采用AnsoftMaxwell分别建立C型及U型的闭合磁芯和开气隙磁芯模型，仿真分析影响输出电能的主要因素，采用在磁芯接口处加入适当宽度气隙的方案来抑制磁芯过早的进入饱和状态。在母线电流较大时，取能磁芯仍工作在非饱和状态，从而为后端设备提供充足的能量。(2)对设计的感应电源信号处理模块进行了实验测试，在实验室搭建实验平台，焊接并调试了处理电路。对实验波形进行分析，确定了电路的可行性。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为本专利技术流程图；图2为本专利技术取能装置原理图；图3为本专利技术实施例磁芯形状示意图；图4为本专利技术实施例磁芯形状示仿真示意图；图5为本专利技术实施例圆环形磁芯截面结构示意图；图6为本专利技术实施例取能装置空载电流电压关系示意图；图7为本专利技术实施例取能电路示意图；图8为本专利技术实施例取能电路仿真电路图；图9为本专利技术实施例取能装置负载输出功率曲线图；图10为本专利技术实施例取能装置安装示意图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。如图1所示为本专利技术流程图，本专利技术实施例包含如下步骤：步骤一，换流阀母排方波电流关键参数提取800kV换流阀晶闸管母排方波电流是幅值恒定为4500A、频率50Hz、占空比为1/3，上升沿、下降沿均约0.8ms的方波电流。方波电流会在上升沿、下降沿产生变化磁场，根据电磁感应定律，可以用闭合线圈感应出电压，从而获取电能。步骤二，取能感应线圈的功率特性，如图2所示，取能CT作为取能电源从输电线路获取能量的取能前端，需研究其功率传输特性。因取能CT的铁心采用冷轧硅钢片磁滞回线狭窄，铁心损耗很低，为反映取能CT的功率变化规律，忽略励磁电流的阻其中，Im为励磁电流，IFe为为励磁电流的阻性分量有效值，I1为一次侧电流有效值，N2为二次绕组的匝数，I2为二次侧电流有效值。根据电磁感应原理，当一次侧输入为正弦波时，CT二次的电压有效值为其中，U2为二次的电压有效值，E2为二次的感应电势有效值，Φm为励磁磁通，f为系统频率，η为铁心的叠片系数，S为铁心的横截面积，μ为有气隙铁心的相对磁导率，l为铁心的平均磁路长度。可得取能CT二次侧的输出功率表达式为其中K＝2πfμSη/l，K是反映铁心材料和结构的参数，当等效负载电阻时，取能CT的输出功率取得最大值，取能CT二次侧的功率特性主要包括以下两点：①对给定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于换流阀母排方波电流的取能装置设计方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：S1：提取换流阀母排方波电流关键参数；S2：计算取能装置的线圈的功率特性；S3：根据换流阀母排的形状选择取能装置的磁芯材料及形状，并分析计算出取能装置；S4：对设计的取能装置进行仿真，并搭建试验平台对取能装置进行性能测试。

【技术特征摘要】
1.基于换流阀母排方波电流的取能装置设计方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：S1：提取换流阀母排方波电流关键参数；S2：计算取能装置的线圈的功率特性；S3：根据换流阀母排的形状选择取能装置的磁芯材料及形状，并分析计算出取能装置；S4：对设计的取能装置进行仿真，并搭建试验平台对取能装置进行性能测试。2.根据权利要求1所述的基于换流阀母排方波电流的取能装置设计方法，其特征在于：步骤S2具体包含如下步骤：S21：计算取能装置的二次侧电压有效值；S22：计算取能装置的二次侧功率特性。3.根据权利要求1所述的基于换流阀母排方波电流的取能装置设计方法，其特征在于：步骤S3中所述铁芯形状为U形环或圆环形。4.根据权利要求2或3所述的基于换流阀母排方波电流的取能装置设计方法，其特征在于：步骤S3具体为：S31：根据磁芯材料的磁导率，矫顽力，电阻率和饱和磁感应强度选择磁芯材料；S32：对磁芯的磁阻以及磁饱和进行分析，并确定磁芯尺寸；S33：计算取能装置的线圈匝数；S34：设计取能装置的线圈匝间绝缘。5.根据权利要求4所述的基于换流阀母排方波电流的取能装置设计方法，其特征在于：步骤S32具体为：S321：选取圆环形磁芯，假定磁芯工作在线性区域，计算磁芯磁导；S322：计算刚进入饱和状态时候的最大励磁电流；S323：按照平均磁路长度和截面积周长之和最小的原则来设计磁芯尺寸。6.根据权利要求5所述的基于换流阀母排方波电流的取能装置设计方法，其特征在于：步骤S33中取能装置的线圈匝数满足：其中，e为感应电势，n为线圈匝数，μeq为...

【专利技术属性】
技术研发人员：米彦，徐鹏，邓胜初，桂路，廖巍，姚陈果，李成祥，
申请(专利权)人：重庆大学，国网上海市电力公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50