±660 kV直流輸電工程換流閥結構設計

廖敏，楊曉楠，欒洪洲，高學敏

(中國電力科學研究院，北京市，100192)

0 引言

寧東—山東±660 kV直流輸電工程是世界首個±660 kV電壓等級的直流輸電工程，也是建設±660 kV電壓等級序列的標志性工程［1］。該工程在直流閥廳建設規模、單12脈動閥組的容量、單閥晶閘管數量等方面均創造了直流輸電工程領域新的世界紀錄，具有重要示范意義。

該工程是國家實施西電東送的重要輸電通道項目，把黃河上游水電和寧東火電打捆直送山東，對于促進西部地區經濟社會發展、滿足山東省用電需求有重要作用。工程的投產有利于優化配置能源資源、使水火電互補運行，可取得顯著的輸電效益和諸多聯網效益［2-4］。

換流閥是直流輸電工程的核心設備，結構復雜，運行可靠性要求高，換流閥的設計性能直接影響整個直流系統的安全可靠運行［5］。本文介紹了直流換流閥的結構設計情況及其特點，并結合寧東—山東±660 kV直流輸電工程中換流閥的應用情況論證了設計的可靠性和先進性。

1 換流閥結構設計概述

寧東—山東±660 kV直流輸電工程是雙極直流系統，包括2個完整單極，每個單極每端由1個12脈動換流器構成［6-7］。本工程換流閥由中國電力科學研究院供貨，該換流閥采用了空氣絕緣、水冷卻、懸吊式二重閥結構，6個二重閥組成1個12脈動換流器。

該換流閥的結構設計以電氣設計為基礎，綜合考慮了機械強度的要求、過電壓與絕緣配合、關鍵器件的合理布局和散熱性能、水冷系統的良好配合以及換流閥的防火和抗震要求，將換流閥的各個組成部分及元器件整合在一起，具有低損耗、安裝快捷、維護方便等特點，有效保證了換流閥和整個直流輸電系統的穩定性、可靠性及安全性。

2 閥塔結構設計

2.1 閥塔結構概述

閥塔主要由閥模塊、屏蔽罩、懸吊支撐結構、閥避雷器等元部件組裝而成，通過冷卻水管、管母、光纖等實現與冷卻系統、直流輸電系統其他一次設備及二次控制系統的連接。

閥塔的整體布局在力求美觀和滿足電氣設計要求的基礎上，綜合考慮了各種相關的復雜因素，如爬電距離、絕緣間隙、內部干擾、雜散電感和電容分布、水壓要求、重量分布、安裝簡便性、維護和試驗簡易性等。同時，為了確保高可靠性和長期安全穩定運行，對結構材料選擇和零部件設計進行了優化，以降低換流閥故障后發生火災的風險。

閥塔采用模塊化及標準化結構設計，主結構采用強度高、重量輕、導電及導熱性能好的鋁合金材料，并使用了易于加工、防火阻燃性能好的高強度玻璃增強塑料(glass reinforced plastic，GRP)、交聯聚乙烯(crosslinked polyethylene，PEX)等合成材料，同時最大限度減少電氣和水路連接接頭，實現了結構簡單、組裝方便、可靠性高、便于維護及現場安裝等優化設計目標。

換流閥的基本結構參數如表1所示。

表1 換流閥的基本結構參數Tab.1 Key param eters for converter valve structure

2.2 閥塔屏蔽結構

閥塔頂部和底部都安裝了屏蔽罩，以屏蔽外界對閥內的電磁干擾，使閥塔內部電場分布均勻，并且隔離閥塔之間的相互影響。

本工程首次采用了為±800 kV特高壓直流工程開發的頂部和底部屏蔽罩［8］，該屏蔽罩外形為一體化形式，對屏蔽罩的邊緣曲率半徑進行了優化，使其具有更好的屏蔽效果，進一步降低電磁噪聲。同時該屏蔽罩設計可以有效增加閥端對地電容，均化閥端對地電場分布，改善沖擊電壓對閥端沖擊及沖擊電壓在整個閥塔的分布。屏蔽罩表面光潔平整、無毛刺和凸出部分，有效降低靜電放電的危險；邊緣和棱角按圓弧設計，確保它們在高電壓下對地沒有火花放電。

此外，底層屏蔽罩還裝有集水裝置及漏水檢測裝置，用以檢測整個閥塔的漏水情況。

2.3 閥塔懸吊及支撐結構

懸吊部分采用標準的復合絕緣子和花籃螺栓將閥塔和避雷器懸掛于閥廳頂部的鋼梁上，為便于安裝，閥塔的懸吊高低位置可以通過調節花籃螺栓來調整。

閥頂部懸吊絕緣子的選擇與主回路的結構有關，根據換流站主接線圖，閥頂部懸吊絕緣子需要耐受對應直流母線上的最大基本絕緣水平值(basic insulation level，BIL)。

懸吊結構與閥模塊采用柔性連接設計，使每個閥層可在水平方向上擺動。閥頂部的懸吊結構除了能夠承受閥體的自重外，還能夠承受垂直方向的拉力，并且留出了很大的裕度，這種設計使換流閥能承受靜態和動態載荷，滿足工程抗震等級要求。

閥頂部懸吊絕緣子和閥層之間絕緣子的關鍵參數見表2和表3。

表2 頂部絕緣子的關鍵參數Tab.2 Key parameters for top insulators

表3 閥層之間絕緣子的關鍵參數Tab.3 Key parameters for inter-tier insulators kN

2.4 閥避雷器

閥避雷器通過懸吊絕緣子懸吊于閥塔外側。每個二重閥對應串聯連接的2只閥避雷器，通過管母和金具與每個單閥并聯連接，形成柔性連接系統，從而滿足機械應力及抗震設計的要求。

2.5 閥塔絕緣設計和模塊連接

閥層間距設計綜合考慮了交流、直流、沖擊電壓下的空氣間隙要求，以及交流、直流電壓下的局部放電要求，從而設計了合理的空氣間隙和爬電距離。

閥塔主體結構采用對稱設計，有效減少了連接管母或母排的類型和數量，結構更加簡單。層內及層間利用鋁制管母連接閥模塊。

光纖槽固定在閥塔頂部并分2路垂直進入閥內。光纖槽采用圓弧型設計保證不同的電壓水平之間的光纖滿足絕緣要求，并有足夠的爬電距離，同時這種柔性設計有效隔離了振動時的相互影響，保證在各種應力下光纖不會斷裂。

3 閥模塊結構設計

3.1 閥模塊結構概述

從機械結構上，換流閥的基本構成單元為閥模塊。電氣上閥模塊可以作為1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。根據電壓等級的高低，多個閥模塊串聯連接可以滿足不同直流輸電方案的要求。閥模塊由2個閥組件組成，每個閥組件由多個串聯的晶閘管級與飽和電抗器串聯而成。每個晶閘管級包括了晶閘管、阻尼電容、阻尼電阻和門極單元等。閥模塊的結構設計要考慮以下幾個方面：(1)元器件之間的過電壓絕緣配合；(2)可靠的機械強度、關鍵器件的良好散熱和合理布局；(3)元器件之間電氣接線的可操作性和可靠性；(4)同時考慮防火設計和電磁兼容要求。

3.2 閥模塊零部件設計和選型

3.2.1 晶閘管壓裝結構

每個晶閘管壓裝結構是由多個晶閘管元件及其散熱器通過專用的安裝工具壓裝在一起的，并通過GRP繃帶固定，既可以保證良好的電氣性能和導熱性能，還能有效降低運行時產生的噪聲。散熱器與晶閘管的接觸面使用高導熱性材料，雖然為多層結構，仍能保證很好的熱接觸。GRP繃帶具有足夠的絕緣強度，能承受閥關斷期間的電壓應力。這種壓裝結構使得在不需斷開電氣連接及冷卻水管路連接的情況下，通過專用工具就可以輕松地更換損壞的晶閘管元件，迅速完成直流換流閥維護期間的維修任務。

3.2.2 飽和電抗器

飽和電抗器組件采用標準化模塊設計，線圈采用鋁管繞制而成，兩端焊接鋁排，線圈外部澆注了環氧樹脂，線圈外側套裝了多個環形鐵心。電抗器鐵心的振動是閥運行中主要的噪聲源，為此，在降低電抗器運行噪聲方面做了精心的設計。電抗器鐵心通過鐵心夾緊結構即鋼制夾具固定，再利用螺栓施加足夠的夾緊力，有效限制了電抗器鐵心的機械振動，降低了機械噪聲。這種結構的鋼制夾具具有很強的抗疲勞性，使用壽命長，不容易發生夾緊結構的疲勞斷裂。

電抗器為主要發熱元件，電抗器鐵心的損耗通過環氧樹脂和管型線圈導熱，最后由流經空心繞組的冷卻水帶走，確保鐵心任何情況下都能得到充分冷卻，從而保證在各種運行工況下電抗器鐵心溫度不超過110℃。

3.2.3 阻尼電容、阻尼電阻和直流均壓電阻

阻尼電阻采用間接冷卻的方式進行散熱。每個晶閘管級的阻尼電阻由多個無感電阻器通過串并聯組成，即使某個電阻損壞，對阻尼電阻的整體阻值影響不大，提高了可靠性。這些電阻固定在1個較大的鋁質水冷散熱器上，這種設計大大增加了散熱面積，改善了散熱效果，同時又可以減小電阻通流時的機械振動，降低噪聲。阻尼電容采用自愈式金屬化聚丙烯電容，為干式無油結構，減小了發生著火事故的風險。為了減小阻尼電容的體積，將每個阻尼電容放在管狀安裝支架上。直流均壓電阻采用模塊化電阻，直接固定在晶閘管的散熱器上，使結構更加緊湊。

3.3 閥模塊框架設計

閥模塊框架是由2個槽形的GRP側梁、2個端部鋁板及1個中心梁構成的矩形框架支撐結構。GRP側梁和端部鋁板通過4個鋁合金角連接部件固定，整個框架的設計既考慮閥模塊元器件承載的結構強度，又考慮了組裝和維護的可操作性。

閥模塊內部由2根特殊設計的方管形鋁制交叉梁支撐，是閥內元部件的主要承重結構，同時還增加了框架的強度，與中心梁一起構成了晶閘管壓裝結構、飽和電抗器、阻尼電阻、阻尼電容和門極單元的支撐框架。閥模塊內其余的支撐件和緊固件都為GRP材料，起著固定和支撐元部件的作用，達到了機械設計要求，增加了整個框架的強度和韌性。

3.4 閥模塊外屏蔽設計

模塊外屏蔽為鋁制材料，用于防止閥模塊中電氣元部件電位不等、電場分布不均引起的局部放電現象，同時有效避免了外界電磁干擾的影響。

針對本工程電壓等級高、電磁輻射較強及容易產生局部放電的特點，對模塊屏蔽罩進行了優化設計，用管狀屏蔽罩替代了部分板狀屏蔽罩。閥模塊端部與門極側靠近端部的屏蔽罩做成了整體設計，并由原來板狀屏蔽罩改為管狀屏蔽罩，增加了屏蔽層有效厚度，可以有效地改善閥模塊內部和外部的電場分布，避免電暈放電、產生電磁干擾，保證換流閥的正常運行。每層2個閥模塊無屏蔽的一側相對布置，這樣整個閥層外側都有屏蔽結構，既可以防止外界的電磁干擾，也能有效屏蔽閥運行中產生的電磁噪聲。

3.5 閥模塊水路設計

閥模塊內的2個閥組件都具有獨立的冷卻回路。閥組件的冷卻回路是由3個彼此獨立的冷卻支路并聯組成的，各冷卻支路的連接采用串聯方式。閥組件的冷卻水路原理見圖1。

晶閘管散熱器、阻尼電阻散熱器和飽和電抗器之間通過較小口徑的軟管連接起來。軟管的接頭上配有O型密封圈，水管接頭與散熱器采用螺紋連接，并安裝有止動片，防止運行中水管固定螺母由于振動而松脫。

所有與冷卻介質接觸的材料都應考慮到保持冷卻介質高純度和低電導率的要求。組件中與水路接觸的材料選擇如下：

圖1 閥組件冷卻水路原理圖Fig.1 Shematic diagram of cooling water channel for valve section

(1)用于閥模塊內水流分配的主水管為316或316L不銹鋼；

(2)晶閘管散熱器為高導熱率鋁合金材料(低含銅量)；

(3)冷卻水管內的密封 O型圈為 EPDM (ethylene-propylene-dienemonomer)橡膠；

(4)水管材料為PEX或PVDF(polyvinylidene fluoride)材料。

由于冷卻水路要流過不同位置、有著不同電位的金屬件，不同電位的金屬件之間的水路有可能產生電流，并使金屬件受到電解腐蝕。因此，在每個散熱器的進出口都安裝了316不銹鋼電極，以避免電流流入鋁散熱器的表面造成腐蝕。

3.6 集水裝置設計

為了收集泄漏的冷卻劑，并防止其濺漏到其他模塊，每個閥模塊都配有1個集水裝置，即滴水盤，由工程塑料制成。滴水盤安裝在閥模塊底部，并向模塊的中心傾斜，使泄漏的冷卻液按指定的位置流到下一層閥模塊的滴水盤內，直到流入底屏蔽罩的滴水盤中。

4 換流閥防火設計

換流閥長期運行于高電壓、大電流工況下，任何元器件的故障或電氣連接不良都可能導致局部過熱、絕緣破壞，產生電弧或引起失火［9］。

本工程換流閥在防火阻燃設計方面做了大量的工作，使用了新型材料并在材料樣品和組件上都進行了燃燒試驗，滿足技術規范的要求。

換流閥中所有暴露于空氣中的質量超過25 g的材料和元件都具有自熄和阻燃特性，在水平和垂直兩個方向的阻燃性都達到了阻燃材料標準垂直較高阻燃等級UL94V－0的要求。阻尼電容為無油設計并采用阻燃樹脂填充，冷卻系統的PEX水管和光纖也都具有阻燃性。

換流閥防火設計中還考慮到盡量減少電氣連接點的數量，在能夠采用焊接連接的地方盡量采用焊接方式，減少螺釘連接的數量，避免因螺釘連接不牢固而產生放電引起火災。

在設計中對于引起火災的可能性也給予了充分考慮。所有元件額定值的選擇都要從熱性能(減小過熱的風險)和電氣性能兩方面考慮。晶閘管并聯元件額定電壓的設計均大于晶閘管的額定電壓值。

作為輔助的安全措施，模塊框架及滴漏盤也被設計為1道屏障，阻止火災沿水平及豎直方向向單個閥組件蔓延。

5 抗震設計

直流換流閥建設要求能夠抗7級地震，銀川東換流站和青島換流站的設計地震水平加速度分別為0.2和0.1 g，垂直加速度按水平加速度的65％考慮，換流閥結構阻尼為2％［6-7］。

換流閥物理尺寸較為龐大，為了達到抗震要求，閥塔采用懸吊系統，并將其作為1個柔性系統來進行設計，同時盡可能對結構設計的細節部分進行結構優化。

在具體的換流閥抗震設計中，綜合考慮了地震加速度大小、自振頻率以及結構位移變化的影響。采用避震設計避免發生共振或采用隔震設計的方式分離頻率來隔離共振，并盡可能在設計中采用吸能結構用于增加振動能量消耗，從而起到減小地震對換流閥的影響。

換流閥結構設計中，將閥模塊、頂/底屏蔽罩通過絕緣子機械地串接在一起，組成1個水平方向可擺動的靈活鉸接結構，這種結構是一種避震設計，可以滿足抗震要求。

閥塔的每層間均采用柔性的螺栓鉸接連接，螺栓有一定的旋轉剛度。這樣的布置有利于整個閥塔結構避開地震動和閥廳的峰值頻率(1.1～8.0 Hz之間)，而且可以有效地增大連接件的吸能能力，降低地震對結構影響，降低最大位移、應力的值。

針對本工程的抗震要求，對換流閥的結構進行了抗震分析，分析結果表明本工程使用的換流閥能滿足抗震要求。

(1)靜態安全系數。由于采用懸吊式二重閥設計，絕緣子的機械應力與其下面模塊的層數成正比，故最頂層絕緣子受力最大。在閥的抗震設計中，僅對頂層的絕緣子受力進行分析計算，頂層絕緣子機械強度如表4所示。

表4 頂層絕緣子機械強度Tab.4 M echanical strength of top insulators

震動負荷：滿足標準 IEEE 693—2005的規定［10］，符合上述耐地震能力要求。

(2)動態安全系數。按照有限元分析的方法，首先對閥塔中各個零部件材料、密度、彈性模量等參數進行定義，然后將整個換流閥塔進行有限元網格劃分，得到換流閥閥塔的有限元模型，如圖2所示。

圖2 銀川東站閥塔有限元模型Fig.2 FEA model of valve tower in Yinchuandong station

得到閥塔的有限元模型后，施加邊界條件和約束，對其進行模態分析，可以得到閥塔結構各階模態頻率，以及各階模態下換流閥的各個零部件的位移云圖或應力云圖。在模態分析的基礎上對閥塔結構進行抗震分析，可以得到各個零部件在該地震條件下所承受的最大位移和最大應力。這樣就可以計算出在地震條件下的動態安全系數。

按照上述方法，通過ANSYS有限元分析得出的動態安全系數，完全滿足IEEE 693—2005的規定［10］。

6 結語

本文介紹了寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程換流閥的結構設計，包括各個部分的組成、結構設計特點和功能作用。本工程換流閥結構簡單、組裝方便、可靠性高、便于維護及現場安裝。該換流閥順利通過了型式試驗考核，工程極1換流閥已經于2010年11月28日正式投入商業運行，充分驗證了設計的先進性和可靠性。

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［6］國家電網公司.西北(寧東)—華北(山東)±660千伏直流輸電工程換流閥(銀川東換流站)技術協議［R］.北京：國家電網公司，2009.

［7］國家電網公司.西北(寧東)—華北(山東)±660千伏直流輸電工程換流閥(青島換流站)技術協議［R］.北京：國家電網公司，2009.

［8］MacLeod N，Davidson C，Woodhouse M.800 kV超高壓直流可控硅閥的設計和試驗［J］.華東電力，2007，35(C00)：27-34.

［9］趙畹君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［10］IEEE 693—2005 IEEE Recommended Practices for Seismic Design of Substations［S］.