±660 kV直流輸電工程換流閥電氣設計綜述

楊曉楠，湯廣福，彭玲，藍元良

(中國電力科學研究院，北京市，100192)

0 引言

高壓直流輸電在遠距離大容量輸電、異步聯網等領域獲得廣泛的應用［1-2］，世界上已建、在建和規劃的高壓直流項目電壓序列主要包括±125、±500、±600、±660、±800和±1 000 kV［3-6］，其中寧東—山東直流輸電工程采用的±660 kV等級在世界范圍內尚屬首例。

我國在20世紀80年代末開始發展直流輸電技術，至今已建立了穩定的電壓序列，形成了完整的直流輸電理論和實踐體系。±500 kV直流系統經濟輸電距離在1 000 km以下，±800 kV直流系統經濟輸電距離為1 400 km以上。寧東—山東直流輸電工程輸電距離1 335 km，若采用±500 kV等級，則損耗較大，經濟性偏差；采用±800 kV等級則工程投資較高。根據多方因素的優化比選，國家電網公司最終確定寧東—山東直流輸電工程采用±660 kV直流系統、單12脈動換流閥和單相雙繞組換流變壓器，并將此工程作為示范工程，盡快形成標準化設計，推動規劃中寧東送華東、四川送湖南等近10個直流輸電項目利用本工程的應用成果，建立起新的±660 kV標準等級［5］。

寧東直流工程采用±660 kV電壓拓撲雖然具有接線布置簡單、可靠性高、節省投資、占地少等優點，但采用單12脈動換流閥結構造成6脈動閥組跨接電壓過高，相比采用±500 kV電壓拓撲時單閥跨接電壓250 kV，以及±800 kV電壓拓撲雙12脈動換流閥結構時單閥跨接電壓200 kV，寧東直流工程單閥跨接電壓水平達330 kV，對換流閥設計、試驗和制造提出了極高的要求。

換流閥是直流輸電系統的核心設備之一，它的設計性能直接影響整個系統的優劣和可靠運行。中國電力科學研究院(以下簡稱中國電科院)于2009年2月承接工程兩端換流站換流閥供貨任務后，在法國阿海琺(AREVA)公司的技術支持下，順利完成換流閥成套電氣設計、成套結構設計、關鍵零部件設計、水路設計以及光纖布線設計。工程單極系統已于2010年11月28日正式投入商業運行，雙極系統計劃于2011年2月底投入運行。

本文以中國電科院和AREVA公司合作設計的H400型換流閥為基礎，闡述換流閥設計所遵循的設計依據，并綜述換流閥電氣設計成果。

1 換流閥設計概述

中國電科院與AREVA公司合作在國內推出了H400型換流閥，并已在中俄聯網背靠背黑河換流站、西北—華中聯網靈寶擴建背靠背工程、寧東—山東直流輸電工程和三滬II回直流輸電工程中得到了應用。H400換流閥在海外也有工程應用，如沙特的海灣國家聯網工程(GCCIA)、英法海峽聯網改造工程(IFA2000)和巴西Rio Madeira±600 kV/3 150 MW直流輸電工程等。H400換流閥采用模塊化設計，通過多個閥模塊串聯連接適應不同電壓等級的需求，換流閥結構緊湊，具有以下設計特點：

(1)采用國際通用的懸吊式、空氣絕緣、水冷卻、柔性防震設計；

(2)采用緊湊可靠的雙阻尼回路設計和標準的串聯/并聯冷卻閥組件設計；

(3)換流閥設計考慮了阻燃防火要求；

(4)換流閥控制系統高度智能，采用雙冗余設計。

根據本工程的系統拓撲和參數設計［7-8］，每個換流站建設2個閥廳，換流閥采用二重閥塔設計，每個閥廳包括6個懸吊式二重閥塔。

二重閥是將2個單閥串聯連接，結構上形成1個閥塔。每個閥塔由閥塔頂部結構(懸吊支承系統)、頂屏蔽罩、閥層、層間閥塔材料和底屏蔽罩構成，每個閥塔還會配置1個閥避雷器串。

2 換流閥設計依據

兩端換流閥的設計基于文獻［7］和文獻［8］的要求，以及歷次閥廳設計、冷卻系統設計、控制保護系統(含閥基電子系統)設計聯絡會提出的要求。換流閥設計需滿足的環境條件見表1。

表1 換流閥設計滿足的環境條件Tab.1 Environmental conditions satisfied by thyristor valve design

3 換流閥電氣設計

換流閥電氣設計主要包括換流閥晶閘管串聯級數的確定、阻尼均壓參數設計、換流閥均壓措施和換流閥運行方式設計。

3.1 單閥晶閘管串聯級數的確定

本工程單閥跨接電壓330 kV，為滿足耐壓要求，單閥需要多個晶閘管級串聯，確定單閥晶閘管串聯級數是換流閥電氣設計最基礎的一個環節。不同的換流閥設計方法有不同的確定晶閘管串聯級數的計算公式。H400換流閥根據晶閘管斷態非重復峰值電壓VDSM和閥避雷器操作沖擊保護水平確定單閥最小晶閘管串聯級數為

式中：SIPL為跨閥操作沖擊保護水平，銀川東換流站取667 kV，青島換流站取642 kV；kim為操作沖擊電壓下的安全系數，本工程取1.1；kd為操作沖擊電壓下單閥電壓不均勻分布系數，H400換流閥取1.05；VDSM為7.2 kV(本工程采用5英寸、7.2 kV晶閘管)。

采用上述計算方法可保證閥避雷器在換流閥運行中為主保護設備，根據計算，銀川東換流站最小串聯級數為107，青島換流站為103。

根據文獻［7］和文獻［8］，在最小串聯晶閘管級數基礎上，單閥應增加一些晶閘管級作為2次計劃檢修之間12個月運行周期內損壞元件的備用，也稱為冗余晶閘管級；冗余晶閘管級數不小于12個月運行周期內損壞晶閘管級數期望值的2.5倍，也不少于單閥晶閘管級總數的3％。根據上述要求，銀川東換流站和青島換流站均增加4個晶閘管級作為冗余，因此設計的銀川東換流站單閥晶閘管級數為111，青島換流站為107。

3.2 阻尼均壓參數設計

3.2.1 閥組件

H400換流閥采用模塊化設計，閥模塊是一個獨立的閥單元，電氣上可以作為一個完整單閥來使用，只是在耐受電壓上作為整個閥塔的一部分。閥模塊又可分為2個閥組件。

閥組件由GRP支撐件、晶閘管壓裝結構(TCA)、飽和電抗器、阻尼電阻、阻尼電容、門極單元、母排/導線及水管相互連接組成。電氣上，1個閥組件由最多6個晶閘管級與1臺飽和電抗器構成，根據需要還可能在串聯晶閘管級和飽和電抗器兩端并聯閥組件電容。晶閘管級和閥組件的電氣原理見圖1和圖2。圖中：Rd1Cd1和Rd2Cd2是2個并聯阻尼均壓回路，其中Rd2Cd2為主阻尼回路，Rd1Cd1為高頻分量提供阻尼，可以滿足不同頻率動態電壓的均壓要求；Rdc為直流均壓電阻，除了可以為門極單元提供晶閘管電壓采樣信號外，還可以使換流閥承受的低頻電壓分量在每個晶閘管兩端均勻分布。

換流閥阻尼均壓回路包括每個晶閘管級中的2個RC回路和直流均壓電阻，以及與晶閘管級串聯的飽和電抗器。換流閥電壓分布不均勻主要由2方面原因引起，除了閥內各晶閘管之間斷態漏電流和反向恢復電荷分散性外［9］，還由均壓元件(電阻、電容)的公差引起，因此阻尼均壓參數設計應確定參數變化范圍，使換流閥電壓不均勻分布系數滿足設計預期。

3.2.2 RC阻尼回路

RC回路主要由電容器進行動態均壓，其電容值選取原則如下：

(1)電容器必須能夠耐受包括換相過沖在內的換流閥連續電壓峰值；

(2)電容器應充分滿足對換相過沖的吸收作用；

(3)電容器電容值的選取應使得換流閥阻尼損耗最小。

本工程設計的RC回路參數見表2。

3.2.3 直流均壓電阻

選擇直流均壓電阻的原則是其電壓耐受能力與晶閘管一致，而電流不超過門極單元測量回路的承受范圍。本工程設計的直流均壓電阻值Rdc=94 kΩ，由2個47 kΩ的電阻串聯組成。

表2 回路參數設計Tab.2 Parameter design of RC circuit

3.2.4 飽和電抗器

在換流閥元部件設計中，飽和電抗器的設計非常重要，飽和電抗器作用包括：

(1)限制晶閘管剛開通時的d i/d t；

(2)在晶閘管關斷過程中限制d i/d t，降低晶閘管關斷時的反向恢復電荷，從而抑制反向過沖峰值；

(3)飽和電抗器設計有足夠的阻尼防止電流過零產生振蕩涌流而損害晶閘管；

(4)飽和電抗器能在沖擊過電壓作用下承擔部分過電壓，使晶閘管免受電壓破壞。

H400換流閥有2種不同的電抗器設計方法，一種是精確控制鐵心中的渦流損耗，另一種是采用低損耗鐵心和1個單獨的二次繞組。為了保證電抗器的電氣特性并保護鐵心迭片結構，2種設計均采用液體冷卻方式。

本工程采用第1種設計方案，飽和電抗器在不同的階躍電壓值下反映出不同的不飽和電感值，見表3。

表3 不同階躍電壓下的不飽和電感值Tab.3 Unsaturated inductance of valve reactor under different voltage levels

3.3 換流閥均壓措施

本工程單閥跨接電壓高，單閥串聯晶閘管級數多，閥塔尺寸較大，使得由雜散電容分布分散性造成的閥組件上動態電壓分布不均勻度加大。在陡波前沖擊電壓作用下，由于d v/d t很高，雜散電容分布分散性的作用進一步增強，這種動態電壓的不均勻分布會更加明顯。

同時，由于本工程電壓等級很高，在閥塔內部某些電氣連接處的電荷分布不均勻，容易產生電磁輻射和局部放電。

為了改善閥塔電壓分布，增設均壓措施、優化均壓方案成為換流閥電氣設計重要的任務之一。

3.3.1 閥組件電容設計

為了改善閥塔懸吊系統電壓分布，考慮在本工程閥組件兩端加裝閥組件電容。為了考核閥組件電容的均壓效果，并優化電容參數，對陡波前沖擊電壓作用下承受最高電壓的懸吊絕緣子所耐受的電壓應力與預測的平均電壓應力之比與加裝閥組件電容的電容值之間的關系進行了PSCAD仿真。

仿真結果表明，如果不加裝閥組件電容，電壓應力比值非常高(接近2)，不滿足業主對電壓均勻分布的要求；閥組件電容值取6 nF時，對電壓分布的改善效果最明顯，可認為電壓基本均勻分布，此時雜散電容分散性對電壓分布的影響可忽略不計，但此時換流閥成本將大幅增加。

為了兼顧換流閥的經濟性和技術性，優化電容值，最終決定在閥組件兩端加裝均壓電容，電容值為3 nF，此時在陡波前沖擊電壓作用下電壓不均勻分布系數為1.14，能滿足工程需求。

3.3.2 屏蔽罩設計

為了有效地降低閥塔在運行時發生閃絡的概率，確保閥塔對地呈現均勻的電場分布，為每個二重閥塔加裝頂屏蔽罩和底屏蔽罩，這種屏蔽罩是專門為±800 kV特高壓直流工程開發的，屏蔽罩的邊緣和棱角按圓弧設計，從外形上改為一體化形式(不同于西北—華中聯網背靠背靈寶擴建工程采用的屏蔽罩形式)。

同時，為了驗證和優化屏蔽罩的電磁屏蔽效果，確保這種新型的屏蔽罩結構能夠在本工程實際應用中發揮作用，委托烏克蘭國家實驗室(Ukrainian Research， Design and Technological Transformer Institute，VIT)對新型屏蔽罩設計進行操作沖擊放電試驗(相對雷電和陡波前沖擊波形，操作沖擊波形最能反映屏蔽結構的均壓效果)，并采用了比本工程多重閥操作沖擊試驗更嚴酷的試驗條件［10-11］。

試驗遵照標準IEC 60060－1∶1989執行，這種新型屏蔽罩設計順利通過了試驗考核，試驗表明屏蔽罩結構設計合理，表面光潔平整、無毛刺和凸出部分，在給定電壓等級和地電位面距離下能有效降低電磁噪聲和靜電放電危險。

除了加裝新型頂、底屏蔽罩外，對閥模塊屏蔽罩進行了優化，采用管狀屏蔽罩代替了部分傳統的板狀屏蔽罩，既美觀大方，又以圓弧化設計有效地解決了閥模塊框架尖端存在的潛在放電問題。

3.4 換流閥運行方式設計

換流閥運行方式包括額定運行、過負荷運行、大角度運行、短路電流運行和交流系統故障運行。

換流閥額定運行時，電壓電流參數為±330 kV/ 3 030 A，換流閥晶閘管結溫不超過76℃，滿足設計要求(晶閘管結溫低于90℃)。

換流閥過負荷運行分為連續過負荷和暫時過負荷2種運行方式，其中連續過負荷運行又分為最大連續直流電流運行和2 h過負荷電流運行。本工程冷卻系統設計的暫態響應時間遠小于2min，因此對于任何達到或超過2 min的過負荷均可視為連續過負荷。經過計算得到連續過負荷運行時，本工程換流閥晶閘管結溫不超過81℃，滿足設計要求(晶閘管結溫低于125℃)。

對于暫時過負荷，通過仿真計算得到的3 s過負荷電流(1.4 pu額定輸送功率，最大室外設備環境溫度，50℃閥廳溫度，不投入備用冷卻設備)為4.523 kA，在此電流下換流閥晶閘管結溫不超過87℃，滿足設計要求(晶閘管結溫低于125℃)。

換流閥運行在大角度方式下，晶閘管和阻尼電阻元件的熱損耗急劇增加，需要設計具有足夠冷卻容量的冷卻系統將發熱元件的溫度控制在限值內。晶閘管熱應力、換流閥關斷時電壓耐受能力限制以及阻尼電阻損耗構成了設計限值，進而決定了換流閥以大角度運行方式運行時直流電流限值與觸發角之間存在一定的函數關系。相比連續運行方式下觸發角無限制，大角度運行方式下以額定電流3 030 A運行的觸發角限值約為60°。

換流閥短路運行分為單周波和三周波短路電流運行。本工程換流閥單周波和三周波短路電流峰值均為36 kA。短路電流運行時，隨著晶閘管結溫上升，晶閘管電壓阻斷能力降低，換流閥設計須確保最惡劣晶閘管級兩端的電壓仍小于晶閘管的電壓耐受能力。經過PSCAD仿真分析，單周波運行方式下，換流閥最大正向恢復電壓峰值約為5 kV，此時換流閥阻斷電壓高于6 kV；三周波運行方式下，換流閥最大反向恢復電壓峰值不到5 kV，此時換流閥阻斷電壓約為6.5 kV。由此可見，換流閥短路電流耐受能力完全滿足設計要求。

換流閥在交流系統故障下的運行能力包括閥側繞組電壓降至最低和交流系統以低電壓運行時換流閥門極單元維持正常工作的能力。

H400換流閥每個晶閘管級門極單元是在晶閘管斷態期間通過其兩端的電壓取得能量的。當容性轉移電流流入與晶閘管并聯的一路RC回路時，對門極單元的電源充電。

H400換流閥門極單元需要每個晶閘管級最小電壓1.5 kV(有效值)才能維持連續觸發。銀川東換流站單閥串聯晶閘管級數111，按均壓系數1.05考慮，要求換流變閥側最小持續電壓為174.83 kV(有效值)。

根據銀川東換流站系統最小空載直流電壓(Udi0min=342.49 kV)，計算換流變閥側最小持續電壓為

可見，系統可提供的閥側最小持續電壓高于要求值，H400換流閥在故障情況下取能不會受到影響。

H400換流閥每個門極單元均設有電容值很大的儲能電容，可以保證閥端失去電壓2 s內仍對換流閥進行完全控制；當故障持續時間短于2 s時不需要恢復時間，對本工程而言，這段時間長于交流系統單相對地故障和電壓降至正常電壓30％的故障時間0.7 s，也長于三相對地故障的持續時間0.7 s。

4 結語

作為世界上第1個采用±660 kV電壓等級的直流輸電工程，寧東—山東直流工程單閥跨接電壓高達330 kV，因此需要串接的晶閘管數量多，單閥設計難度大。針對本工程電壓等級高的特點，換流閥采用了全新的頂部和底部屏蔽罩設計，并對閥組件結構進行改進，加裝閥組件電容。同時，對換流閥阻尼均壓回路進行了詳細計算和專門設計，謹慎選用飽和電抗器設計方案。全新設計的換流閥通過了型式試驗考核，試驗結果表明換流閥設計合理，性能良好，能夠滿足工程應用。

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