哈密南—鄭州特高壓直流輸電工程晶閘管閥設(shè)計與試驗

查鯤鵬，高 沖，湯廣福，楊 俊

(國網(wǎng)智能電網(wǎng)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(qū)哈密地區(qū)，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(qū)，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(shù)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(guān)鍵設(shè)備，在電能的交直流轉(zhuǎn)換中起著關(guān)鍵作用［2-4］。國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院作為國家電網(wǎng)主要研究機構(gòu)之一，承擔(dān)了哈密換流站極1 換流器的設(shè)計和生產(chǎn)工作。為滿足苛刻的絕緣和過載要求，能夠承受嚴(yán)格的電壓和電流應(yīng)力，該工程選用了具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(wěn)定運行。根據(jù)IEC 60700 －1 和特高壓直流輸電晶閘管閥技術(shù)規(guī)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(wǎng)智能電網(wǎng)研究院北京電力系統(tǒng)電力電子實驗室執(zhí)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(shè)計與型式試驗，包括電氣回路、散熱系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shù)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(lián)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(dāng)某一換流單元故障時另一換流單元還可以繼續(xù)運行。表1 列出了哈鄭工程換流閥的技術(shù)參數(shù)。

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

1．2 閥塔結(jié)構(gòu)與特點

二重閥將2個單閥串聯(lián)連接，其中每個單閥包括4個螺旋式聯(lián)接的閥模塊，共8個閥模塊，在結(jié)構(gòu)上構(gòu)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(lián)氧化鋅避雷器來實現(xiàn)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(fēng)險。側(cè)屏蔽罩采用圓弧設(shè)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(jié)構(gòu)圖。

圖2 A5000 型換流閥二重閥塔的三維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)(thyristors clamped assembly，TCA)中晶閘管級數(shù)多達9 級。其電氣與機械設(shè)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(shè)計可以有效減少單閥模塊數(shù)量，降低閥塔高度。

(3)閥塔的空氣絕緣、液體冷卻設(shè)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(zhì)量。

(4)換流閥采用串并聯(lián)型去離子水冷系統(tǒng)設(shè)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(fēng)險。

(5)晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)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(tǒng)故障下?lián)Q流閥的性能。

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

2 晶閘管閥設(shè)計

2．1 換流閥電氣設(shè)計

A5000 型換流閥絕緣配合設(shè)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(shè)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(huán)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(lián)級數(shù)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(tài)不重復(fù)峰值電壓;kim=1．1 為操作沖擊電壓下的安全系數(shù);kd=1．05 為單閥的電壓分布系數(shù)。

2．1．2 電流耐受能力

換流閥需能獨立承擔(dān)系統(tǒng)額定電流、過負荷電流及各種暫態(tài)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(tài)過電流，換流閥應(yīng)具有如下承受能力:

(1)帶后續(xù)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(yīng)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(xiàn)的最大工頻過電壓作用下，換流閥應(yīng)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(xù)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(yīng)具有承受3個完全不對稱的電流波的能力。

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

2．2 換流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足不同工程的具體要求，A5000 型換流閥還采用了標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)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(lián)而成，2個閥組件構(gòu)成1個閥模塊。

閥模塊框架是由2個采用環(huán)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(jié)構(gòu)，如圖3 所示。TCA 主要包括端板、壓裝導(dǎo)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(jié)構(gòu)圖Fig．3 3D structure diagram of A5000-type valve module

2．3 換流閥關(guān)鍵組件的開發(fā)

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(tài)不重復(fù)峰值電壓為8．5 kV，通態(tài)電流為5 000 A。

2．3．2 飽和電抗器

為增加換流閥設(shè)計的通用性，A5000 換流閥的每個閥組件都串聯(lián)2個EET-3 型飽和電抗器，飽和電抗器結(jié)構(gòu)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(fā)和監(jiān)控系統(tǒng)(thyristor triggering and monitoring，TTM)提供工作電源;

(3)限制晶閘管關(guān)斷時的反向恢復(fù)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(tài)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(fā)與監(jiān)控系統(tǒng)

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

1)根據(jù)控制保護系統(tǒng)需要可設(shè)定VBE 的工作模式;

2)對換流閥進行觸發(fā)和監(jiān)控。當(dāng)檢測到換流閥故障時，根據(jù)故障嚴(yán)重程度，發(fā)出報警或者請求跳閘信號，并通過Profibus 總線向SCADA 系統(tǒng)上報全面而準(zhǔn)確的故障信息;

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

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

(2)TTM 的主要功能包括:

1)TTM 收到VBE 發(fā)出的觸發(fā)脈沖后，向晶閘管門極發(fā)出觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通;此外，TTM 還對晶閘管的實時狀態(tài)進行監(jiān)測并向VBE 返回監(jiān)視信息;

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

3)當(dāng)正向過電壓保護連續(xù)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(fù)期具有保護功能，在晶閘管關(guān)斷的恢復(fù)期內(nèi)，若其承受過高的正向電壓，TTM 將保護觸發(fā)晶閘管，避免晶閘管損壞;

5)當(dāng)晶閘管在其應(yīng)該導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)斷流現(xiàn)象時，TTM 將再次發(fā)出保護觸發(fā)脈沖，使晶閘管維持在導(dǎo)通狀態(tài)，從而避免晶閘管損壞。

2．3．5 閥冷卻系統(tǒng)

閥模塊的2個閥組件采用獨立的串并聯(lián)水冷系統(tǒng)。它具有串聯(lián)冷卻連接點數(shù)少、并聯(lián)冷卻進出水溫差低的優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)如圖4(f)所示。串并聯(lián)水冷系統(tǒng)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(lián)構(gòu)成，飽和電抗器支路則由2 臺飽和電抗器串聯(lián)組成。進行水冷系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)電力電子實驗室的試驗?zāi)芰?/h3>

電力系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)，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(tǒng)電力電子實驗室主要絕緣和運行試驗?zāi)芰θ绫? 所示。

表2 特高壓直流換流閥的試驗設(shè)備及參數(shù)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(shè)計的換流閥在規(guī)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(tài)運行條件下的運行性能［11-13］，必須根據(jù)IEC 60700 －1 有關(guān)規(guī)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(fā)與關(guān)斷型式試驗、故障電流試驗和恢復(fù)期正向暫態(tài)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(shù)如表3 所示。其中，試驗電壓與試驗電流參數(shù)，均由對應(yīng)的工況下閥所承受的實際應(yīng)力折算至閥組件后，考慮一定的試驗安全系數(shù)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(shù)Table 3 Operation-type test items and test parameters

運行試驗采用合成試驗設(shè)備來完成。合成試驗設(shè)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(wěn)態(tài)試驗高壓，再通過輔助閥在特定時刻觸發(fā)產(chǎn)生正向或反向電壓。

沖擊電壓源用來在暫態(tài)電壓試驗中給處于反向恢復(fù)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(fā)，精度為±5 μs，因此，可以用來檢測正向恢復(fù)失敗時試品閥的性能以及對閥進行常規(guī)沖擊試驗。

低壓大電流源用以提供閥Vt 的穩(wěn)態(tài)試驗電流，其由1個6 脈動橋和輔助閥V5 構(gòu)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(gòu)成的諧振電路和1個獨立電壓源構(gòu)成，通過諧振產(chǎn)生滿足故障電流要求的半波正弦電流，其峰值和持續(xù)時間可調(diào)。

加熱電源用來預(yù)熱試品閥Vt，使Vt 的晶閘管達到不同的結(jié)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(xiàn)了雙注入試驗方法下電壓與電流的應(yīng)力。其基本工作流程為:

(1)t0時刻同時觸發(fā)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(chǎn)生半波注入電流;

(2)在t1時刻觸發(fā)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(fā)閥V1 使電容C 上的電壓恢復(fù)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(fā)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(guān)斷;

(6)t6時刻試品閥Vt 過0 關(guān)斷，同時觸發(fā)V3 使得暫態(tài)恢復(fù)電壓和反向恢復(fù)電壓施加在試品上;

(7)為了正常觸發(fā)V1 和V2，t7時刻電容電壓恢復(fù)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(jié)果如圖9 所示，由圖9 可知電壓和電流應(yīng)力均達到或超過規(guī)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?zāi)康臑?(1)驗證所有絕緣介質(zhì)的電壓耐受能力，這些絕緣介質(zhì)包括懸吊支架、冷卻水管、光纖和其他與閥支架相關(guān)的任何絕緣部件;(2)驗證多重閥與周圍環(huán)境之間的外部絕緣的電壓耐受能力;(3)驗證多重閥結(jié)構(gòu)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(guī)定范圍內(nèi)。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(shù)如表4 所示。

4 工程應(yīng)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(biāo)志著A5000換流閥已通過了所有的系統(tǒng)調(diào)試項目，能夠承受高壓、大電流以及過載應(yīng)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(xù)安全穩(wěn)定地運行，這說明了A5000 換流閥的一體化設(shè)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(jié) 語

本文主要介紹了應(yīng)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(shè)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(shù)指標(biāo)，驗證了其設(shè)計的合理性。

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