特高壓直流換流閥試驗能力提升技術

查鯤鵬， 王高勇，高沖

(1.中電普瑞電力工程有限公司，北京市 102200；2.國網智能電網研究院，北京市 102211)

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特高壓直流換流閥試驗能力提升技術

查鯤鵬1， 王高勇2，高沖2

(1.中電普瑞電力工程有限公司，北京市 102200；2.國網智能電網研究院，北京市 102211)

為滿足洲際能源互聯應用要求，需要開發±1 100 kV、6 250 A的特高壓超大容量直流換流閥技術。針對特高壓超大容量直流換流閥研發需求，以國家電網公司重點實驗室(電力系統電力電子實驗室)現有試驗能力為依托，完成了試驗能力提升系列技術研究工作。通過搭建直流及沖擊試驗裝置電磁分析模型，研究了裝置表面電場分布特點及場強變化規律，提出了場強抑制措施，通過優化實驗室屏蔽系統和改善屏蔽罩曲率半徑等方法，完成了絕緣試驗能力提升。針對換流閥的運行試驗能力，通過優化整流變配置，提升水冷系統參數，設計新型故障電流拓撲等工作，使得運行試驗直流電流試驗能力提升至7 500 A，故障電流試驗能力提升至60 kA，完成了運行試驗能力提升。通過試驗證明了±1 100 kV、6 250 A等級換流閥試驗能力提升的正確性和有效性。

直流換流閥；沖擊裝置；直流裝置；合成回路

0 引 言

為應對化石能源大量開發利用導致的資源緊張、環境污染、氣候變化等諸多全球性難題，2015年，國家電網公司提出了全球能源互聯網概念[1-3]。其中的洲際能源互聯及“一極一道”風能、太陽能等清潔能源傳輸均需要大容量遠距離輸電技術。特高壓直流輸電技術以其投資少、輸送距離長、輸送容量大等優點將成為必然選擇。

研究表明，現有±800 kV/5 000 A特高壓直流輸電技術經濟輸送距離不超過2 500 km，但未來洲際互聯電能輸送距離可能達到4 000 km，亟待開發面向洲際互聯應用的電壓達±1 100 kV、電流達6 250 A的特高壓超大容量直流輸電技術。

為支撐全球能源互聯網建設，中電普瑞電力工程有限公司開展了±1 100 kV、6 250 A及以上等級換流閥研制及試驗研究工作。

換流閥的型式試驗是檢驗換流閥設計的重要手段，可以驗證其絕緣介電特性及閥內各部件運行性能[4-5]，是支撐換流閥研制的重要基礎和關鍵技術。

國家電網公司重點實驗室(電力系統電力電子實驗室)按照滿足±800 kV/5 000 A直流換流閥試驗要求進行規劃設計，凈空距離和裝置能力都存在著不同程度上的制約。為了避免因工程電氣能力提升而重建新的實驗室導致資源浪費，必須研究試驗能力升級改造方法，為更高電壓更大容量直流換流閥的研制奠定試驗基礎。

1 原有試驗能力及升級預期參數

1.1 升級前試驗能力

電力系統電力電子實驗室(簡稱“實驗室”)具有FACTS、特高壓直流及柔性直流換流閥的型式試驗能力。實驗室的布置及外觀分別如圖1和圖2，其中運行試驗區54 m×27 m × 16 m，絕緣試驗區54 m× 44 m×30 m。實驗室接地電阻0.283Ω，對于100 kHz～100 MHz的信號屏蔽效率大于55 dB。實驗室已成功完成錦屏—蘇南±800 kV/4 500 A、哈密—鄭州±800 kV/5 000 A、廈門±320 kV/1 000 MW等多個重大特高壓直流和柔性直流工程換流閥的型式試驗。

圖1 高壓實驗室布置

圖2 實驗室外觀

升級前實驗室特高壓直流換流閥試驗設備及試驗能力如表1所示，可完全滿足±800 kV/5 000 A換流閥試驗需求[6-7]。

表1 試驗設備及試驗能力

Table 1 Test equipment and capability

1.2 試驗升級預期參數

絕緣試驗預期參數計算以準東—皖南±1 100 kV 特高壓直流換流閥技術規范為依據，試驗項目及參數如表2所示[8-9]。

表2 ±1 100 kV電壓等級絕緣型式試驗項目及參數

Table 2 ±1 100 kV dielectric test items and parameters

運行試驗預期參數計算以錫盟—泰州6 250 A特高壓直流換流閥技術規范為依據，試驗項目及參數如表3所示。

對比表1～3可知，實驗室運行試驗裝置的直流電流和故障電流輸出能力無法滿足6 250 A工程需求。絕緣試驗裝置輸出能力可滿足±1 100 kV換流閥絕緣試驗需求，但絕緣距離、空間尺寸能否滿足絕緣試驗要求亟待研究。

2 絕緣試驗能力提升關鍵技術研究

2.1 直流耐壓試驗裝置升級

直流耐壓試驗裝置額定電壓為±2 400 kV，體積為9.5×8.3×20.2 m3，頂屏蔽罩距實驗室頂部和周圍墻壁最近距離為8.8 m。空間布局是否滿足±1 100 kV特高壓換流閥多重閥單元直流耐壓試驗需求，需要結合理論分析和試驗驗證共同開展。

表3 6 250 A運行型式試驗項目及參數

Table 3 6 250 A operational test items and parameters

本文以ANSYS軟件為工具，建立了空間電場仿真分析模型，如圖3所示，得到了1 795 kV直流電壓下屏蔽罩表面電場分布規律。裝置最高電場強度約為22 kV/cm，低于空氣擊穿場強30 kV/cm；試驗大廳局部尖端的最高場強則超過了30 kV/cm，理論分析認為試驗大廳無法滿足試驗需求[10]。

圖3 直流裝置和試驗大廳模型圖

在理論分析基礎之上開展的試驗研究結果表明，在電壓達到1 842 kV時裝置對實驗室頂部鋼梁的尖端部位產生了放電，如圖4所示。試驗結果進一步驗證了實驗室原有內部條件不滿足±1 100 kV特高壓換流閥多重閥直流耐壓試驗需求。

因此，結合理論分析和試驗驗證結果，重新優化設計了絕緣試驗大廳頂部屏蔽系統，改善了直流裝置場強分布，最高場強都限制在30 kV/cm以內，升級后的大廳如圖5所示。

圖4 直流耐壓試驗裝置擊穿圖

圖5 升級后實驗室頂部圖

改造完成后，在試驗大廳內重復進行了直流耐壓試驗，電壓升高至1 900 kV未發生擊穿等現象，試驗大廳升級后的屏蔽系統可滿足±1 100 kV多重閥直流耐壓試驗需求。

2.2 沖擊電壓試驗裝置升級

改造前實驗室沖擊裝置輸出操作沖擊電壓峰值接近2 000 kV時，沖擊本體屏蔽罩和墻壁之間出現放電，證明原有試驗條件不滿足±1 100 kV換流閥多重閥單元操作沖擊試驗要求，試驗能力需要完善提高。

沖擊本體和墻壁之間的空氣凈距不小于10m，屬于長空氣間隙。長空氣間隙的放電過程可分為電暈放電、先導放電和主放電3個階段，若能嚴格控制屏蔽罩表面電場強度，選取較大的場強裕度，完全抑制屏蔽罩電暈放電，則可以從根本上避免長空氣間隙的擊穿放電[11]。因此，為滿足±1100kV換流閥操作沖擊試驗的要求，可以從表面場強控制著手，通過優化設計閥試驗大廳空氣凈距和沖擊本體屏蔽罩結構來實現。

沖擊裝置的ANSYS電磁場分析模型如圖6所示，通過水平移動沖擊本體實現空氣凈距優化如圖7示。由于屏蔽罩的表面電場是對墻距離(水平距離)和對頂距離(垂直距離)共同決定的，水平距離變化到一定程度后，垂直距離對電場起決定性的作用，僅僅調整沖擊本體水平位置，對屏蔽罩表面電場不會帶來大的改善。因此，水平移動方案實際意義不大。

圖6 沖擊試驗裝置和試驗大廳模型圖

圖7 沖擊本體水平移動(俯視圖)

表面曲率優化可以通過增加屏蔽罩的半徑實現，但表面場強隨半徑的變化規律必須首先通過電磁場數值計算獲取，屏蔽罩仿真模型如圖8所示。

圖8 屏蔽罩結構

由仿真可知屏蔽罩骨線半徑r0的增大可有效地減小屏蔽罩表面電場，如圖9所示，選擇合適的屏蔽罩半徑，可將屏蔽罩表面電場控制在既定值以下，從而抑制電暈現象產生，防止空氣間隙擊穿。

本文基于伽遼金邊界元法，從電磁場數值分析角度，研究了沖擊本體屏蔽罩表面電場強度的變化規律，比較了增加閥廳空氣凈距和減小屏蔽罩表面曲率對控制屏蔽罩表面電場強度的作用，研究結果實現了±1100 kV直流換流閥的操作沖擊試驗。

圖9 屏蔽罩電場隨半徑變化規律

3 運行試驗能力提升關鍵技術

3.1 試驗回路介紹

運行試驗裝置采用合成試驗原理，電氣原理圖如圖10所示，主要包括高電壓回路、大電流源回路、故障電流源回路和沖擊電壓回路[12]。

圖10 運行試驗裝置原理拓撲圖

3.2 升級方案

為滿足相應工程模塊試驗需求，并考慮今后直流輸電工程的發展，直流電流設備的目標電流定為直流7 500 A，故障電流設備目標電流峰值為60 kA。

對直流電流試驗設備進行升級，增大冷卻能力，提升整流變壓器容量，優化平波電抗器電感值，在不改變試驗原理的情況下實現7 500 A直流電流的試驗能力。

對故障電流試驗能力提升的方案有2種，一種是在保證電流半波振蕩周期及峰值電流一定的情況下，重新設計電容電感值，另一種是在原有振蕩電路的基礎上疊加放電回路以滿足電流峰值要求。

經計算，使用第1種方法，試驗回路在與實際工程電流峰值相等時，其I2t大于實際工程的I2t，造成晶閘管結溫偏高。而第2種方法在與實際工程電流峰值相等的條件下，其I2t更接近于實際工程的I2t，見圖11。故本文選用第2種方法對故障電流設備進行升級改造。其電路拓撲如圖10虛線框中所示。

圖11 故障電流原理波形

疊加回路為電容電感振蕩回路，主要工作原理為：t0時刻觸發V61，引入故障電流I1；t1時刻觸發V71，引入疊加回路的故障電流I2，I1和I2疊加共同作用于試品閥，保證故障電流峰值達到試驗值，試驗回路其余觸發時序不變。原理圖如圖12所示。

圖12 故障電流原理波形

疊加回路不僅提高了故障電流的峰值，而且提高了試驗等效性，滿足了試驗要求。

4 試驗驗證

為驗證升級后的試驗裝置是否滿足試驗要求，分別對±1 100 kV/5 500 A和±800 kV/6 250 A這2種規格參數的換流閥樣機進行了全套絕緣和運行型式試驗驗證。

4.1 ±1 100 kV/5 500 A換流閥試驗

±1 100 kV直流換流閥塔為二重閥塔結構，每個單閥含有5個模塊。單閥由81個晶閘管與20臺飽和電抗器串聯組成，其中包含3個冗余晶閘管，閥塔外觀如圖13所示。

圖13 ± 1 100 kV雙重閥塔絕緣試驗

±1 100 kV換流閥在實驗室順利通過全套絕緣及運行型式試驗，多重閥直流耐壓達1 800 kV，操作沖擊達2 100 kV，雷電沖擊達2 350 kV，試驗波形如圖14所示，試驗過程中未出現閃絡或擊穿等放電現象，試驗順利通過。

圖14 多重閥沖擊試驗波形

4.2 ±800 kV/6 250 A換流閥試驗

±800 kV/6 250 A換流閥塔為二重閥塔結構，每個單閥含有4個模塊，每個閥模塊由18級晶閘管與4臺飽和電抗器串聯組成，首次應用7.2 kV/6 250 A大功率晶閘管，閥模塊外觀如圖15所示。

圖15 6 250A閥模塊外觀

±800 kV/6 250 A閥模塊均按表3要求順利通過了全套運行型式試驗，其中典型的最大持續運行負載試驗和故障電流試驗波形如圖16、17所示。

圖16 最大持續運行負載試驗電流電壓波形

圖17 故障電流源電壓電流波形

5 結 論

本文針對±1 100 kV/5 500 A和±800 kV/6 250 A特高壓直流換流閥，完成了絕緣和運行試驗能力提升的技術研究、實施和驗證工作，順利完成了2種規格換流閥的全部型式試驗，結果表明：

(1)通過對優化實驗室屏蔽系統和改善屏蔽罩曲率半徑，提升了直流試驗裝置和沖擊試驗裝置的試驗能力，升級后的試驗裝置可滿足±1 100 kV換流閥絕緣試驗需求；

(2)采用新型的故障電流拓撲，完成了運行試驗裝置升級，額定直流電流達到7 500 A，故障電流峰值達到60 kA，升級后試驗裝置滿足6 250 A換流閥運行型式試驗需求；

(3)±1 100 kV/5 500 A和±800 kV/6 250 A換流閥順利通過全部型式試驗，進一步驗證了試驗能力提升的正確性和有效性。

在54m×44 m× 30m的空間內，完成了±1 100 kV特高壓換流閥的絕緣試驗能力升級實現工作，使得電力系統電力電子實驗室成為世界上占地面積最小，試驗功能最高的換流閥實驗室，為±1 100 kV/5 500 A和±800 kV/6 250 A特高壓直流工程順利實施奠定了良好基礎。

[1] 劉振亞.全球能源互聯網[M].北京：中國電力出版社，2015.

[2] Stewart T.未來能源將在洲際互聯[J]. 能源評論，2013，3(3)：80-83.

[3] 楊青. 如何構建全球能源互聯網[J]. 能源評論，2014，9(9)：22-27.

[4] GB/T 20990.1—2007 高壓直流輸電晶閘管閥 第一部分：電氣試驗[S].

[5] IEC 60700—1 Thyristor valves for high voltage direct current (HVDC) power transmission，Part 1：Electrical Testing[S].

[6] 査鯤鵬，溫家良，王高勇，等.靈寶擴建工程6英寸換流閥的設計和試驗[J].電網技術，2010，34(12)：136-141. Zha Kunpeng，Wen Jialiang，Wang Gaoyong，et al.Design and type test of 6-inch valve for Lingbao II project [J].Power System Technology，2010，34(12)：136-141.

[7] 查鯤鵬，溫家良，高沖，等.特高壓直流換流閥試驗能力建設[C]//北京：2009特高壓輸電技術國際會議，2009.

[8] 曹均正，湯廣福，王高勇，等. ±1 100 kV特高壓直流輸電換流閥研制及型式試驗[J]. 南方電網技術，2012，6(6)：67-71. Cao Junzheng，Tang Guangfu，Wang Gaoyong，et al.The development and type test of converter valve for ±1 100 kV UHVDC transmission [J].South Power System Technology，2012，6(6)：67-71.

[9] Xu Weihua，Cao Junzheng，Wei Xiaoguang，et al.The development and type test of ±1 100 kV/5 000 A UHVDC valve [C]//APPEEC，2012.

[10] 査鯤鵬，劉遠，王高勇，等. ±1 100 kV特高壓換流閥直流耐壓試驗方法研究 [J]. 電工技術學報，2013，28(1)：88-93. Zha Kunpeng，Liu Yuan，Wang Gaoyong，et al.Study of DC test method of ±1 100 kV UHVDC valve[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(1)：88-93.

[11] 劉士利，魏曉光，曹均正，等. ±1 100 kV特高壓直流換流閥沖擊電壓試驗能力研究 [J]. 中國電機工程學報，2013，33(28)：161-167. Liu Shili，Wei Xiaoguang，Cao Junzheng，et al.Study on the impulse test capability of ±1 100 kV UHVDC converter valve [J].Proceedings CSEE，2013，33(28)：161-167.

[12] GAO C, ZHA K P, TANG G F, et al. Upgrade test capability for ±800 kV/6 250 A and ±1 100 kV/5 454 A UHVDC valve[C]// POWERCON,2014.

(編輯：劉文瑩)

Upgrading Technology of UHVDC Converter Valve Test Capability

ZHA Kunpeng1, WANG Gaoyong2, GAO Chong2

(1. C-EPRI Electric Power Engineering Co., Ltd., Beijing 102200, China; 2. State Grid Smart Grid Research Institute, Beijing 102211, China)

To meet the requirements of the intercontinental energy interconnection application, it is needed to develop the ±1 100 kV and 6 250 A ultra-large capacity UHVDC converter valve technology. Based on the existing test capability of China State Grid Corp Key Laboratory (Power System Power Electronics Laboratory), this paper studied the upgrading technologies of test capability, according to the research and development needs of the ultra-large capacity UHVDC converter valve. Through constructing the electromagnetic analysis models of DC and impacting equipment, this paper studied the electric field distribution characteristics and field intensity variation law on the equipment surface; proposed suppression measures for field strength; and completed the promotion of insulation test capability through the methods of optimizing laboratory shielding system, improving the curvature radius of shielding case, etc. According to the running test capability of converter valve, through the works of optimizing rectifier transformer, upgrading water-cooling systems’ parameters and the topology design of new fault current, the DC current test capability of operation test reached 7500 A, and the fault current test capability reached 60 kA, which completed the promotion of operation test capability. Finally, the test proved the correctness and effectiveness of ±1 100 kV and 6 250 A converter valve test capability.

DC converter valve; impacting equipment; DC equipment; synthetic circuit

國家電網公司科技項目(±1 100 kV特高壓直流換流閥產品化研制)。

TM 72

A

1000-7229(2015)09-0062-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.010

2015-06-13

2015-07-31

查鯤鵬(1977)，男，博士，教高，主要從事直流輸電技術、高電壓技術、大功率電力電子技術方面的研究工作；

王高勇(1983)，男，碩士，高工，主要從事直流換流閥設計及試驗技術方面的研究工作；

高沖(1982)，男，博士，高工，主要從事常規及柔性直流輸電技術、大功率電力電子技術方面的研究工作。