±800kV 特高壓直流輸電換流閥核相試驗

郭緋陽 張 濤 吳 鑫 李國楷 楊云龍

（1. 河南九域恩湃電力技術有限公司，鄭州 450052；2. 河南合眾電力技術有限公司，鄭州 450001）

0 引言

隨著特高壓直流輸電（ultra-high voltage direct current, UHVDC）工程項目規模逐漸增大，直流輸電的安全性及可靠性變得至關重要。特高壓直流輸電工程在跨區域、高功率輸電方面有著廣泛的應用[1]。±800kV 特高壓直流輸電工程進行系統調試之前，必須完成換流閥核相試驗，該環節不僅可檢驗特高壓直流工程項目現場設備是否安裝正確，也可保證系統調試的順利進行[2-4]。

特高壓直流輸電換流閥核相試驗是對換流閥是否能夠正確按照觸發信號進行導通的實際驗證，同時也是對現場工程項目一次接線、換流變壓器一次接線的檢測驗證，從而保證工程調試前各環節處于安全穩定狀態。整個試驗主要針對交流電壓相序和換流閥電壓相序是否一致、控制信號與觸發脈沖是否一致、觸發脈沖角度與晶閘管導通角度是否一致進行分析驗證。整個核相試驗可有效檢驗特高壓直流輸電工程系統相關環節的配合邏輯是否正確，因此，換流閥核相試驗對直流工程系統調試的順利進行具有一定的實際意義[5-9]。

本文針對±800kV 特高壓輸電換流閥核相試驗進行研究，詳細介紹換流閥核相試驗的原理與主回路接線，并對試驗參數進行數學建模和設備選型分析，總結換流閥核相試驗的試驗步驟。最后，針對試驗波形進行詳細對比，驗證換流閥觸發控制電壓的正確性和觸發脈沖對應閥組觸發順序的正確性，為特高壓輸電換流閥核相試驗提供一種新思路和新方法[10-14]。

1 試驗主回路接線

特高壓直流輸電換流閥核相試驗是在換流變壓器交流側模擬施加較低的交流試驗電壓，通過十二脈動整流橋將交流電壓變為直流電壓，對試驗過程中換流變壓器交流側的同步電壓、換流閥直流側電壓及晶閘管兩端電壓進行核相分析[15]。

特高壓直流輸電工程受電端的換流閥正常工作在逆變狀態，本文所涉工程額定直流輸送能力為8 000MW，換流站采用雙極四閥組，每個閥組為一個12 脈沖雙橋換流器。換流閥為許繼柔性輸電系統公司生產，一個單閥由59 個晶閘管級構成，控制保護系統由南瑞集團公司制造。換流閥系統接線結構如圖1 所示[16]。

圖1 換流閥系統接線結構

特高壓直流輸電換流閥中的晶閘管通常采用串并聯方式組合使用，試驗用臨時短接線將其組成12脈動整流橋，將直流側正、負極電壓和單閥陽極電壓接入測量裝置。試驗采用的直流電流Id在能使晶閘管連續導通的前提下盡可能低，但能維持晶閘管正常觸發導通并允許觸發延遲角在一定的范圍內變動，換流閥臨時短接圖如圖2 所示。

試驗電源接線：換流閥核相試驗的低壓加壓設備由三相調壓器和升壓變壓器組成，經過調壓變壓器調節升壓變壓器的輸出電壓。變壓器采用Yy 聯結可降低變壓器高低壓側的相角誤差，避免Yd 聯結方式產生的30°相位差，同時，試驗變壓器的輸入與輸出實際相位差可忽略不計，核相試驗系統接線圖如圖3 所示。

圖2 換流閥臨時短接圖

圖3 核相試驗系統接線圖

試驗變壓器與換流閥觸發控制系統之間需連接三相調壓器，該調壓器的輸出電壓需調節到電壓互感器（PT）二次電壓值（約為100V 線電壓）。進行換流閥核相試驗時，務必檢查試驗變壓器的電壓相序與同步電壓是否一致，且試驗前需保證換流變壓器交流電壓與觸發控制電壓之間的相位差一致。

2 試驗參數計算分析

2.1 試驗電源容量計算

試驗先后對每一閥組進行核相試驗，極I 與極II 參數基本一致，因此，本文以極I 為例。在閥塔交流側加試驗電壓，對換流器每片選用500V，試驗電流選用2A，換流變壓器分接頭取最低電壓。

500kV 換流變壓器高壓側電壓計算如下。

Y -Y 分支有

Y-△分支為

即500kV 換流變壓器高壓側電壓為2 553.2V。

直流側輸出電壓（最大值）：

式（3）和式（4）中：UdY為Y -Y 側輸出直流電壓；Ud△為Y-△側輸出直流電壓。

式（5）和式（6）中：Rd為直流側負載電阻；Ud為直流總電壓。

電阻消耗功率為

式中：Idtest為直流側試驗電流（2A）；Pd為試驗電阻消耗的功率。

電源容量為

式中，P1為極I 試驗電源容量。依據負載側功率選擇6kV·A 容量的調壓器，但考慮該容量的調壓器負載側電流較大不足以支撐，因此還需計算直流側最大輸出電流。

換流變壓器低壓側電流為

式（9）和式（10）中：I1Y為Y -Y 側換流變壓器低壓側電流；I△1為Y-△側換流變壓器低壓側電流。

換流變壓器高壓側電流為

式（11）和式（12）中：IY2為Y -Y 側換流變壓器高壓側電流；I△2為Y-△側換流變壓器高壓側電流。

試驗變壓器高壓側電流為

試驗變壓器低壓側電流為

其中，試驗變壓器低壓側電流為25.6A，考慮電源容量的最大輸出電流，最終選擇三相調壓器額定容量為50kV·A，輸入電壓為380V，輸出最大電流為67A。

2.2 試驗負載電阻的計算

根據換流閥及換流變壓器的參數，計算試驗所需電源容量和直流負載電阻值。現場Yy11 換流變壓器，額定容量為415MV·A，額定電壓比為530/(+24, -6)×1.25%/166.3/kV；Yy11 換流變壓器，額定容量為415MV·A，額定電壓比為530/(+24, -6)×1.25%/166.3/kV。

選用電阻性負載時計算如下：

式中：Ud為換流器直流側電壓；U2為換流變壓器閥側相電壓；α為控制觸發延遲角。

在控制觸發延遲角為60°時，直流側電壓為

則觸發延遲角為60°時負載電阻為

由于晶閘管最小導通電流為2A，此時電阻功率為P=I2Rd，實際工程中選用規格為500Ω/2kW 的電阻。

當控制觸發延遲角大于60°時，直流側電壓為

在控制觸發延遲角為90°時，直流側電壓為

則觸發延遲角為90°時的負載電阻為

由于晶閘管最小導通電流為2A，此時電阻功率為P=I2Rd，選用規格為125Ω/0.5kW 的電阻。經計算，核相試驗換流閥不同控制觸發延遲角下，試驗電阻及功率選型規格見表1。

表1 試驗電阻及功率選型

2.3 試驗儀器設備選型

1）三相調壓器、試驗變壓器選擇

依據式（14）得到試驗變壓器低壓側電流為25.6A，因此選擇三相調壓器額定容量為50kV·A，輸出電壓在0～430V，最大輸出電流為67A；三相調壓器1 輸出電壓應為102V；試驗變壓器選擇額定容量為200kV·A，額定電壓比10kV/380V。

2）試驗電纜

交流場選擇三種試驗電纜：①電壓等級為450V，截面積為10mm2；②電壓等級為450V，截面積為2.5mm2；③電壓等級為6kV，截面積為2.5mm2。

試驗過程中所用設備儀器見表2。

表2 試驗設備選型

3 試驗步驟

特高壓直流輸電工程核相試驗需在現場儀器和設備安裝完畢后進行，換流閥安裝及接線工作完成，所有晶閘管均檢查測試完成，換流變壓器安裝及檢查試驗已經完成，控制保護系統分系統調試已經完成，控制保護廠家完成試驗程序和保護出口臨時設置，換流站輔助電源系統調試完成，換流閥應已具備充電條件。

1）按試驗方案連接試驗回路構成12 脈動整流橋，將電阻負載接入直流側，完成接線檢查。

2）施加試驗電壓至換流變壓器。

3）檢查試驗電源和PT 端子箱的電壓相序及相位差是否正確，并做記錄。

4）未觸發脈沖時，檢查交流母線電壓相序與閥電壓相序是否一致。

5）檢查送入控制裝置的同步信號是否正確；若無異常，按控制觸發延遲角從 90°開始試驗，選擇控制觸發延遲角依次為90°、75°、60°，45°、30°、15°，觸發延遲角每改變15°記錄換流閥交、直流電壓波形。

6）檢查直流電阻電壓波形是否為十二脈動波形，分析晶閘管導通時間和觸發延遲角，若換流閥不能維持穩定通流，可適當升高試驗電壓直到通流穩定。

7）試驗完成，斷開試驗電源，恢復現場接線。

4 試驗波形

為了驗證本文所提±800kV 特高壓直流輸電換流閥核相試驗理論分析的正確性，進行±800kV 特高壓換流站極Ⅱ低壓端試驗。

圖4～圖9 所示為極Ⅱ端低壓加壓核相試驗波形，其中CH1顯示的是abc 三相同步電壓與單閥兩端電壓波形，在自然換相點由于施加觸發脈沖晶閘管導通，其電壓波形瞬間跌落時刻為該閥導通，控制觸發延遲角按照在工頻50Hz 下自然換相點距離晶閘管導通觸發時間計算。觸發延遲角為15°的時候自然換相點距離晶閘管觸發時間為0.83ms，如圖9 所示；觸發延遲角為60°的時候自然換相點距離晶閘管觸發時間為3.3ms，如圖6 所示。CH2為ua、uc電壓波形正半周相交且ua大于uc處為自然換相點。CH3為試驗交流電壓整流輸出的直流電壓波形，一個工頻周期內有12 個脈動數，顯示波頭均勻、完整。

圖4 觸發延遲角為90°時試驗波形

圖5 觸發延遲角為75°時試驗波形

圖6 觸發延遲角為60°時試驗波形

圖7 觸發延遲角為45°時試驗波形

圖8 觸發延遲角為30°時試驗波形

圖9 觸發延遲角為15°時試驗波形

對比圖4～圖9 試驗波形得到，十二脈動直流電壓幅值隨觸發延遲角α的降低而逐漸增大，驗證換流閥觸發延遲角的調節方向正確。

5 結論

本文通過理論分析和現場實驗得出以下結論：

1）在核相試驗準備工作期間，本文依據試驗系統進行參數整定計算，確定晶閘管導通電壓為500V、最小導通電流為2A，得到直流側輸出電壓最大值為2 258.6V。按照理論分析計算系統參數，合理選擇試驗設備，三相調壓器額定容量選擇50kV·A，輸出電壓在0～430V，最大輸出電流為67A。

2）在滿足晶閘管導通條件下，所加電流應接近導通臨界，且每個觸發延遲角對應的直流電阻應留有裕度。特高壓直流輸電核相試驗在進行現場試驗時，受到線路阻抗、直流負載、環境等復雜因素影響，測得直流電壓實際值相較于理論計算值偏小。

3）采用優化核相試驗方法，依據整流器電壓自然換相點至晶閘管導通時間，對比單閥電壓與同步電壓，可以較為準確地判斷觸發控制角，具有較好的魯棒性。若發生換相失敗或某相橋臂故障時，本文所提方法可有效判斷單閥故障位置，一定程度上提高了試驗可靠性。