哈密南—鄭州特高壓直流輸電工程晶閘管閥設計與試驗

查鯤鵬，高 沖，湯廣福，楊 俊

(國網智能電網研究院，北京市102209)

0 引 言

哈密南—鄭州特高壓直流輸電工程西起我國西北新疆維吾爾自治區哈密地區，東至我國中部河南省鄭州市，已于2014年1月20 日竣工［1］。正常運行時，哈密換流站為整流站運行，鄭州換流站為逆變站運行。該工程輸電距離約2 210 km，穿越了中國西北廣大地區，額定功率為8 000 MW，額定電壓為±800 kV，額定電流為5 000 A，是我國第1次利用特高壓直流輸電技術將新疆火電與清潔能源“打捆”傳輸至我國中部。

占整個換流站投資1/4 的換流閥是特高壓直流輸電工程的關鍵設備，在電能的交直流轉換中起著關鍵作用［2-4］。國網智能電網研究院作為國家電網主要研究機構之一，承擔了哈密換流站極1 換流器的設計和生產工作。為滿足苛刻的絕緣和過載要求，能夠承受嚴格的電壓和電流應力，該工程選用了具有自主知識產權的A5000 型特高壓直流換流閥［5］。

為確保工程安全，必須對換流閥進行型式試驗以確保其安全穩定運行。根據IEC 60700 －1 和特高壓直流輸電晶閘管閥技術規范，換流閥型式試驗分為絕緣試驗和運行試驗兩部分［6-8］。其所有的試驗項目已在國網智能電網研究院北京電力系統電力電子實驗室執行完成［9-10］。通過進行單閥絕緣試驗和多重閥絕緣試驗，驗證了換流閥的電壓耐受能力和局部放電水平。隨后利用振蕩升壓型合成試驗電路對單閥中的閥模塊進行試驗，該實驗電路通過提供與實際運行一致的等效dv/dt 強度和等效di/dt 強度來檢驗換流閥的運行性能。

本文詳細介紹哈密南—鄭州特高壓直流輸電工程采用的A5000 型換流閥的設計與型式試驗，包括電氣回路、散熱系統、機械結構的設計、試驗電路以及試驗的實施。

1 特高壓直流換流閥概況

1．1 換流器拓撲與參數配置

在哈鄭工程中，每個完整單極由2個12 脈動換流單元串聯組成，分別位于高壓閥廳與低壓閥廳。每個12 脈動換流單元的額定電壓為400 kV，其中低壓12 脈動橋連接0 電位和400 kV 直流電位，高壓12 脈動橋連接400 kV 和800 kV 直流電位，如圖1 所示。每個12 脈動換流單元都跨接直流旁通斷路器，使得當某一換流單元故障時另一換流單元還可以繼續運行。表1 列出了哈鄭工程換流閥的技術參數。

表1 換流閥主要技術參數Table 1 Main technical parameters of converter valve

1．2 閥塔結構與特點

二重閥將2個單閥串聯連接，其中每個單閥包括4個螺旋式聯接的閥模塊，共8個閥模塊，在結構上構成1個閥塔。整個閥塔通過懸式絕緣子懸掛于閥廳頂部，滿足空氣凈距和爬電距離的要求。每個單閥并聯氧化鋅避雷器來實現過電壓保護。此外，閥塔頂部和底部都安裝有屏蔽罩，有效減少了放電風險。側屏蔽罩采用圓弧設計，既能防止換流閥對地的電暈放電，還可形成空間雜散電容使換流閥電場分布特性得以有效改善。圖2 為A5000 型二重閥塔的三維結構圖。

圖2 A5000 型換流閥二重閥塔的三維結構圖Fig．2 3D structure diagram of double valve tower of A5000-type converter valve

A5000 型換流閥的典型特點如下:

(1)晶閘管壓裝結構(thyristors clamped assembly，TCA)中晶閘管級數多達9 級。其電氣與機械設計不僅適用于8．5 kV/5 000 A，6 英寸晶閘管閥，也適用于5 英寸晶閘管閥。

(2)采用柔性懸吊方式，保證了閥塔的抗震能力。此外，晶閘管大組件設計可以有效減少單閥模塊數量，降低閥塔高度。

(3)閥塔的空氣絕緣、液體冷卻設計不僅滿足絕緣與散熱要求，還有效減少了換流閥的體積和質量。

(4)換流閥采用串并聯型去離子水冷系統設計，通過使用高強度的聚偏氟乙烯PVDF 管，有效減少了漏水的風險。

(5)晶閘管觸發系統采用了具有大容量儲能和瞬時取能的雙重取能功能，有效改善了交流系統故障下換流閥的性能。

(6)通過對主要發熱部件采取直接水冷技術，使水泵的開關時間延長至12 s 以上。

2 晶閘管閥設計

2．1 換流閥電氣設計

A5000 型換流閥絕緣配合設計綜合考慮了閥塔在運行過程中交流、直流和沖擊電壓下空氣間隙和局部放電等要求，設計了合理的空氣凈距和爬電距離。同時還考慮了高海拔運行環境下絕緣材料表面的污穢累積對絕緣性能的影響。

2．1．1 電壓耐受能力

晶閘管串聯級數由閥避雷器的操作沖擊保護水平確定，具體如下:

式中:SIPL 為跨閥的操作沖擊保護水平;VDSM為晶閘管正向斷態不重復峰值電壓;kim=1．1 為操作沖擊電壓下的安全系數;kd=1．05 為單閥的電壓分布系數。

2．1．2 電流耐受能力

換流閥需能獨立承擔系統額定電流、過負荷電流及各種暫態沖擊電流，這取決于晶閘管和飽和電抗器的電流耐受能力。對于由故障引起的暫態過電流，換流閥應具有如下承受能力:

(1)帶后續閉鎖的短路電流承受能力。對于運行中的任何故障所造成的最大短路電流，換流閥應具備承受一個完全偏置的不對稱電流波的能力，并在此之后立即出現的最大工頻過電壓作用下，換流閥應保持完全的閉鎖能力，以避免換流閥的損壞或其特性的永久改變。

(2)不帶后續閉鎖的短路電流承受能力。對于運行中的任何故障所造成的最大短路電流，若在過電流之后不要求換流閥閉鎖任何正向電壓，或閉鎖失敗，則換流閥應具有承受3個完全不對稱的電流波的能力。

換流閥應能承受兩次短路電流沖擊之間出現的反向交流恢復電壓，其幅值與最大短路電流同時出現的最大暫時工頻過電壓相同。

2．2 換流閥結構設計

為滿足不同工程的具體要求，A5000 型換流閥還采用了標準化模塊設計。A5000 型換流閥的基本功能單元是閥組件，每個閥組件由8個8．5 kV 晶閘管級和2 臺飽和電抗器串聯而成，2個閥組件構成1個閥模塊。

閥模塊框架是由2個采用環氧玻璃布層壓板(EPGC)的絕緣槽梁和5個鋁合金橫梁組成的支撐結構，如圖3 所示。TCA 主要包括端板、壓裝導桿、支撐板和碟簧單元等。其中碟簧單元的作用是保證各種工況下TCA 的變形和壓裝力變化不影響其正常運行。

圖3 A5000 型閥模塊三維結構圖Fig．3 3D structure diagram of A5000-type valve module

2．3 換流閥關鍵組件的開發

2．3．1 晶閘管

A5000 換流閥組件如圖4 所示，換流閥采用6 英寸大容量晶閘管，其斷態不重復峰值電壓為8．5 kV，通態電流為5 000 A。

2．3．2 飽和電抗器

為增加換流閥設計的通用性，A5000 換流閥的每個閥組件都串聯2個EET-3 型飽和電抗器，飽和電抗器結構如圖4(a)所示。

2．3．3 阻尼電路

每個晶閘管級的阻尼回路原理如圖4(b)所示，其功能如下:

(1)使閥電壓在每個晶閘管兩端均勻分配;

(2)為觸發和監控系統(thyristor triggering and monitoring，TTM)提供工作電源;

(3)限制晶閘管關斷時的反向恢復過沖電壓。阻尼電阻為直接水冷電阻，阻尼電容同時采用了空氣絕緣和固態樹脂絕緣。直流均壓的作用是確保閥承受的直流電壓在晶閘管級之間均勻分配，同時為TTM 提供晶閘管電壓的測量采樣。

圖4 A5000 換流閥組件Fig．4 Components of A5000 converter valve

2．3．4 觸發與監控系統

(1)閥控制單元(value base electronics，VBE)的主要功能包括:

1)根據控制保護系統需要可設定VBE 的工作模式;

2)對換流閥進行觸發和監控。當檢測到換流閥故障時，根據故障嚴重程度，發出報警或者請求跳閘信號，并通過Profibus 總線向SCADA 系統上報全面而準確的故障信息;

3)VBE 實時監測閥塔漏水情況，通過Profibus總線向SCADA 系統上傳閥塔漏水危險程度;

4)VBE 實時計算避雷器動作次數，并通過Profibus 總線上傳至SCADA 系統。

(2)TTM 的主要功能包括:

1)TTM 收到VBE 發出的觸發脈沖后，向晶閘管門極發出觸發脈沖使其導通;此外，TTM 還對晶閘管的實時狀態進行監測并向VBE 返回監視信息;

2)TTM 對晶閘管具有正向過電壓和dv/dt 保護，當電壓等級過高時自動觸發晶閘管;

3)當正向過電壓保護連續動作時，TTM 自動降低保護等級以保護晶閘管級的其他元件;

4)TTM 對晶閘管的反向恢復期具有保護功能，在晶閘管關斷的恢復期內，若其承受過高的正向電壓，TTM 將保護觸發晶閘管，避免晶閘管損壞;

5)當晶閘管在其應該導通區間內出現斷流現象時，TTM 將再次發出保護觸發脈沖，使晶閘管維持在導通狀態，從而避免晶閘管損壞。

2．3．5 閥冷卻系統

閥模塊的2個閥組件采用獨立的串并聯水冷系統。它具有串聯冷卻連接點數少、并聯冷卻進出水溫差低的優點，其結構如圖4(f)所示。串并聯水冷系統的冷卻支路包括散熱器－阻尼電阻支路和飽和電抗器支路，其中散熱器－阻尼電阻支路由2個晶閘管散熱器和2個阻尼電阻串聯構成，飽和電抗器支路則由2 臺飽和電抗器串聯組成。進行水冷系統設計時，除了溫度控制，還要考慮均壓、電腐蝕等因素。

3 換流閥型式試驗

3．1 電力系統電力電子實驗室的試驗能力

電力系統電力電子實驗室具有FACTS 高壓閥和特高壓直流閥的型式試驗和研發能力［9-10］。該實驗室占地5 900 m2，共有2個試驗大廳:54 m × 27 m × 16 m的試驗大廳主要完成高壓交流閥和特高壓直流閥的運行試驗，54 m × 44 m ×30 m 的試驗大廳主要用來完成特高壓直流閥的絕緣試驗。絕緣試驗大廳中有1個專門用于多重閥單元組裝的懸掛系統，最大承重為40 t。實驗室的接地電阻為0.283 Ω，對于100 kHz ～100 MHz 的信號屏蔽效率大于55 dB。實驗室的外觀見圖5。

圖5 實驗室外觀Fig．5 Appearance of PSPEL

電力系統電力電子實驗室主要絕緣和運行試驗能力如表2 所示。

表2 特高壓直流換流閥的試驗設備及參數Table 2 Test equipments and parameters of UHVDC converter valve

3．2 換流閥運行型式試驗

運行試驗是為了驗證所設計的換流閥在規定的正常運行條件、過負荷運行條件、非正常運行條件以及故障暫態運行條件下的運行性能［11-13］，必須根據IEC 60700 －1 有關規定對A5000 換流閥進行運行型式試驗。運行型式試驗包括周期性觸發與關斷型式試驗、故障電流試驗和恢復期正向暫態電壓試驗。A5000 型換流閥的運行試驗是在9 級的閥組件上進行的，其試驗項目及參數如表3 所示。其中，試驗電壓與試驗電流參數，均由對應的工況下閥所承受的實際應力折算至閥組件后，考慮一定的試驗安全系數確定，具體計算方法參考IEC 60700 －1［6］。

表3 運行型式試驗項目和參數Table 3 Operation-type test items and test parameters

運行試驗采用合成試驗設備來完成。合成試驗設備的電路拓撲如圖6 所示，由高壓小電流源、低壓大電流源、故障電流源、沖擊電壓源和加熱電源5個部分組成。其中閥Vt 為測試對象，閥V2，V3，V4，V5 以及沖擊電壓源中的氣隙用來將各部分互相隔離［14］。

圖6 合成試驗電路拓撲Fig．6 Topology of synthetic test circuit

高壓小電流源用來給試品閥Vt 提供試驗電壓、di/dt 和dv/dt 強度，其由直流電壓源、電容器組件C、電感L1 ～L3 以及3個輔助閥V1、V2、V3 組成，如圖6 所示。試驗開始前，直流電壓源的雙極振蕩部分通過幾個周期振蕩后達到穩態試驗高壓，再通過輔助閥在特定時刻觸發產生正向或反向電壓。

沖擊電壓源用來在暫態電壓試驗中給處于反向恢復過程的Vt 提供不同波頭時間的沖擊電壓。該沖擊電壓可在任意要求時間觸發，精度為±5 μs，因此，可以用來檢測正向恢復失敗時試品閥的性能以及對閥進行常規沖擊試驗。

低壓大電流源用以提供閥Vt 的穩態試驗電流，其由1個6 脈動橋和輔助閥V5 構成。其中輔助閥V5 與Vt 作為6 脈動橋的1個橋臂。6 脈動橋的電壓較低，從而減少了閥組件的容量。

故障電流源由輔助閥V4 構成的諧振電路和1個獨立電壓源構成，通過諧振產生滿足故障電流要求的半波正弦電流，其峰值和持續時間可調。

加熱電源用來預熱試品閥Vt，使Vt 的晶閘管達到不同的結溫，從而滿足試驗要求。

合成試驗電路的基本運行原理如圖7 所示，體現了雙注入試驗方法下電壓與電流的應力。其基本工作流程為:

(1)t0時刻同時觸發試品閥Vt 和輔助閥V2，儲存在電容C 上的能量通過L1 放電，產生半波注入電流;

(2)在t1時刻觸發隔離閥V5，使大電流流過Vt，直至t2時刻電容C 上的電壓反向;

(3)在t3時刻閥觸發閥V1 使電容C 上的電壓恢復正向;

(4)在t4時刻，即試品閥Vt 上的電流接近于0時，再次觸發V2 向Vt 注入電流;

(5)t5～t6時刻，V5 承受來自低壓大電流電路的負向電壓而關斷;

(6)t6時刻試品閥Vt 過0 關斷，同時觸發V3 使得暫態恢復電壓和反向恢復電壓施加在試品上;

(7)為了正常觸發V1 和V2，t7時刻電容電壓恢復正向，同時模擬閥的du/dt 強度和正向電壓。

圖7 合成試驗電壓電流波形Fig．7 Voltage and current waveforms of synthetic test circuit

型式試驗及裝置如圖8 所示，運行試驗結果如圖9 所示，由圖9 可知電壓和電流應力均達到或超過規定的試驗要求。

3．3 換流閥絕緣型式試驗

絕緣型式試驗項目包括閥支架絕緣試驗、多重閥單元絕緣試驗和單閥絕緣試驗。其試驗目的為:(1)驗證所有絕緣介質的電壓耐受能力，這些絕緣介質包括懸吊支架、冷卻水管、光纖和其他與閥支架相關的任何絕緣部件;(2)驗證多重閥與周圍環境之間的外部絕緣的電壓耐受能力;(3)驗證多重閥結構中各個單閥之間的電壓耐受能力;(4)驗證局部放電水平在規定范圍內。在600 ～800 kV 高壓閥塔上進行A5000 換流閥的絕緣型式試驗，試驗項目與參數如表4 所示。

4 工程應用

圖8 型式試驗及裝置示意圖Fig．8 Type test and facilities

圖9 運行型式試驗波形Fig．9 Waveforms of operation－type test

表4 A5000 換流閥絕緣型式試驗項目Table 4 Dielectric－type test items of A5000 thyristor valves

2013年10月30 日晚，哈密站極1 的換流閥及其閥控裝置通過了低端過負荷試驗，這標志著A5000換流閥已通過了所有的系統調試項目，能夠承受高壓、大電流以及過載應力，具有卓越的性能。

哈鄭工程于2014年1月27 日正式投運，截至目前A5000 換流閥一直連續安全穩定地運行，這說明了A5000 換流閥的一體化設計和型式試驗的成功。圖10 給出了哈密站正在運行的A5000 型換流閥及其熱成像圖，由圖可知換流閥運行狀況良好。

圖10 哈密站A5000 型換流閥及其熱成像圖Fig．10 A5000-type converter valve and its thermal image in Hami station

5 結 語

本文主要介紹了應用于哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程的A5000 型換流閥的設計與型式試驗。A5000 換流閥已于2013年8月中旬在實驗室通過了所有的型式試驗，這表明A5000 型換流閥可以滿足該工程的技術指標，驗證了其設計的合理性。

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