特高壓直流輸電中換流閥施工技術(shù)研究

王德麗，韓軍華，李亞洲，劉建廷，敬 濤

（1.山東送變電工程有限公司，山東 濟(jì)南 250118；2.山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250011；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)公司，山東 濟(jì)南 250001；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司昌樂(lè)縣供電公司，山東 濰坊 262400）

0 引言

特高壓直流輸電技術(shù)是指采用直流電壓進(jìn)行輸電的技術(shù)。直流輸電作為特高壓輸電的一種形式，是目前解決高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離輸電和電網(wǎng)互聯(lián)問(wèn)題的重要手段。隨著電力系統(tǒng)的需求擴(kuò)大和電力電子技術(shù)不斷發(fā)展，特高壓直流輸電技術(shù)日漸成熟，換流站作為特高壓直流輸電的龍頭，其可靠性要求特別高，尤其是換流站的核心元件換流閥，由成千上萬(wàn)個(gè)元部件組裝，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝難度高。

1 特高壓直流輸電

1.1 特高壓直流輸電性能特點(diǎn)

特高壓直流輸電的原理為：發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出交流電，升壓后，送電端的換流器將交流電整流為高壓直流電，通過(guò)直流輸電線路將高壓直流電輸送到受電端，受電端再通過(guò)換流器將直流電逆變成交流電，最終送入送電端的交流電網(wǎng)［1］。與交流輸電相比，直流輸電技術(shù)具有線路造價(jià)低、輸送容量大、輸電距離遠(yuǎn)、控制靈活、節(jié)省輸電走廊占地的特點(diǎn)。因此我國(guó)電力遠(yuǎn)距離大規(guī)模輸送必然選擇特高壓直流輸電技術(shù)［2］。

1.2 主接線方式

圖1 雙12脈沖閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu)

我國(guó)±800 kV特高壓直流輸電換流閥采用雙12脈沖閥串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其電壓組合有±400 kV+±400 kV、±500 kV+±300 kV 和±600 kV+±200 kV 3種方式，一般情況下采用±400 kV+±400 kV組合（如上海廟至山東臨沂換流站）。運(yùn)行中根據(jù)需要，雙12脈沖閥主接線中需要配置旁路開(kāi)關(guān)，以便根據(jù)運(yùn)行情況而切換運(yùn)行方式。雙12脈沖閥可全電壓運(yùn)行，也可單極全壓、單極半壓運(yùn)行［3］。

2 換流閥施工技術(shù)研究

2.1 換流閥的工作原理

換流閥是特高壓直流輸電中實(shí)現(xiàn)整流、逆變功能的重要設(shè)備，是特高壓直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它的運(yùn)行情況與整個(gè)特高壓直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)。換流閥安裝于室內(nèi)，采用空氣絕緣和水冷卻方式。換流閥的類(lèi)型有汞孤閥、晶閘管閥和IGBT換流閥。為滿(mǎn)足功率輸送要求，變電站大多采用晶閘管閥。換流閥由晶閘管、晶閘管控制單元、阻尼電容、飽和電抗器、阻尼電阻、均壓電容、均壓電阻等元部件組成。其中，晶閘管是換流閥的核心元件，換流閥的通流能力取決于晶閘管的好壞，將多個(gè)晶閘管元件串聯(lián)可以得到想要的系統(tǒng)電壓。

換流閥有單閥、雙重閥、四重閥，兩個(gè)單閥可以組成一個(gè)雙重閥，兩個(gè)雙重閥可以組成一個(gè)四重閥。

單橋整流是換流閥換流工作的核心原理，通過(guò)晶閘管，電抗器、阻尼電阻等原件組合實(shí)現(xiàn)換流作用，原理如圖2所示。

圖2 單橋整流器的工作原理

圖2中三相交流電源的三相電勢(shì)為

由換流閥具有單向?qū)ㄐ郧覍?dǎo)通時(shí)間為三分之一周波，三相交流電經(jīng)過(guò)單橋整流后三相電勢(shì)為

換流閥單向?qū)?，?dǎo)通有兩個(gè)條件，一個(gè)是正向電壓，一個(gè)是觸發(fā)電流。換流閥關(guān)斷需要電流降為零，即使電壓降為零，只要有電流，換流閥還是會(huì)保持導(dǎo)通狀態(tài)。通過(guò)按照一定順序的閥的通斷將交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓。

2.2 換流閥現(xiàn)場(chǎng)固定方式

目前，常規(guī)直流輸電換流閥主要采用晶閘管串聯(lián)方式，為了實(shí)現(xiàn)輸送容量的要求，需要將大量的晶閘管進(jìn)行串聯(lián)連接。為了便于現(xiàn)場(chǎng)安裝、試驗(yàn)和運(yùn)輸，換流閥采用模塊化設(shè)計(jì)，不同模塊采用一定順序連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的電氣單元。換流閥主要采用戶(hù)內(nèi)安裝，換流閥在閥廳的固定方式主要包括支撐式和懸吊式兩種［4］。

1）支撐式固定方式。支撐式固定方式主要用于輸送容量較小的直流輸電工程領(lǐng)域，是借助支撐式絕緣子實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)支撐。在早期的常規(guī)低功率直流輸電工程中，換流閥閥塔主要采用支撐式的固定方式。

支撐式安裝簡(jiǎn)便，對(duì)閥廳屋架強(qiáng)度要求不高，但是對(duì)閥廳地面基礎(chǔ)強(qiáng)度及平整度要求較高；不適合用在地震活動(dòng)區(qū)或抗震要求高的場(chǎng)合；為了增加結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，需要增添更多支柱型絕緣構(gòu)件，使支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，閥整體質(zhì)量增加；支撐式固定方式采用自下而上依次疊層安裝，閥塔整體高度相對(duì)較低，現(xiàn)場(chǎng)施工作用高度相對(duì)懸吊式較低，安裝方便，但是隨著特高壓直流輸電的發(fā)展，電壓等級(jí)越來(lái)越高，工程需要的模塊越來(lái)越多，換流閥的高度也逐漸增加，采用該安裝方式將不能夠滿(mǎn)足安裝現(xiàn)場(chǎng)對(duì)抗震等級(jí)的要求。

支撐式固定方式以其自身的優(yōu)點(diǎn)，在電壓等級(jí)相對(duì)較低的輕型柔性直流輸電中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。

2）懸吊式固定方式。目前，國(guó)際上先進(jìn)的換流閥技術(shù)在結(jié)構(gòu)上都是采用戶(hù)內(nèi)柔性懸吊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。換流閥懸吊部分的作用主要是將閥塔通過(guò)絕緣子連接，組成一個(gè)水平方向可任意擺動(dòng)的柔性結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足抗震要求。該固定方式的特點(diǎn)是閥層間采用具有足夠強(qiáng)度的層間懸吊絕緣子，由于連接部分設(shè)計(jì)有鉸鏈機(jī)構(gòu)，可以有效降低地震波作用下閥塔的內(nèi)部應(yīng)力，提高閥塔整體抗震性能，因此，該種安裝方式是當(dāng)前高壓直流輸電工程主流的固定方式。

2.3 換流閥安裝施工技術(shù)特點(diǎn)

戶(hù)內(nèi)懸吊式閥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且具有良好的抗震性能。換流閥閥塔通過(guò)具有柔性結(jié)構(gòu)的懸吊式絕緣子固定在閥廳頂部鋼梁處，自上而下依次懸掛屏蔽罩、閥層組件等設(shè)備，整個(gè)安裝過(guò)程需要借助電動(dòng)葫蘆和升降平臺(tái)完成。安裝過(guò)程主要依賴(lài)升降平臺(tái)把技術(shù)人員送至高空中，借助固定在閥廳頂部鋼梁上的電動(dòng)葫蘆，吊起地面相關(guān)組件，安裝人員需在高空中完成閥塔的一系列裝配工作。換流閥閥塔主要由對(duì)地絕緣子、斜拉絕緣子、閥段、金具、水冷系統(tǒng)及光纖系統(tǒng)等組成，其安裝工藝及質(zhì)量控制有很高的要求。

1）由于輸送功率大，換流閥的輸送電流由以往的5 000 A升至6 250 A，金具接頭發(fā)熱風(fēng)險(xiǎn)增大。安裝過(guò)程中要嚴(yán)格把控安裝工藝，搭接面要求平整光滑，無(wú)毛刺和凹坑，母線接觸面加工后必須保持清潔，并涂以電力復(fù)合脂，所有接觸面安裝完后測(cè)電阻，確保電阻值在2μΩ以下。母線的接觸面應(yīng)保持緊密連接，螺栓連接應(yīng)采用力矩扳手緊固，緊固力矩值應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。螺栓緊固采用雙線標(biāo)識(shí)法，安裝過(guò)程中將打完力矩的螺栓用黑色記號(hào)筆豎向劃線，記錄螺栓與螺桿相對(duì)位置，項(xiàng)目質(zhì)檢員驗(yàn)收時(shí)將所有螺栓力矩值驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后用紅色記號(hào)筆劃線，確保每一個(gè)螺栓力矩值合格。

2）高空作業(yè)多，安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工難度大。閥塔采用懸掛式安裝，電壓等級(jí)高，高空作業(yè)多，安裝作業(yè)基本在10m以上高空進(jìn)行，工作中須采用升降平臺(tái)進(jìn)行安裝作業(yè)。為確保換流閥施工安全、有序地開(kāi)展，現(xiàn)場(chǎng)升降車(chē)，必須有經(jīng)過(guò)培訓(xùn)考試合格后的專(zhuān)人進(jìn)行操作，其他人員嚴(yán)禁操作；開(kāi)工前進(jìn)行施安全技術(shù)交底，全員確認(rèn)工作任務(wù)、安全措施、危險(xiǎn)點(diǎn)之后方可開(kāi)工。為保證高空作業(yè)人員的人身安全，在閥冷設(shè)備主水管安裝前，閥廳頂部滿(mǎn)鋪安全網(wǎng)，對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行第二重防護(hù)。

3）設(shè)備價(jià)值大，成品防護(hù)重中之重，安裝精度高，安裝過(guò)程平穩(wěn)、細(xì)致。換流閥為換流站的核心設(shè)備，其價(jià)值約占換流站成套設(shè)備總價(jià)的22%～25%，安裝過(guò)程中要平穩(wěn)、細(xì)致。施工過(guò)程中嚴(yán)防掛、碰，做好防碰撞、防跌落、防損壞、防遺漏措施，施工過(guò)程中做好成品保護(hù)措施。為了避免在換流閥閥模塊安裝過(guò)程中對(duì)模塊造成損壞，在進(jìn)站門(mén)口處放置防靜電釋放裝置，將身體所帶電荷釋放；施工人員穿棉質(zhì)工作服，防止身體與衣物摩擦產(chǎn)生靜電損壞閥模塊；閥層間施工時(shí)佩戴軟質(zhì)安全帽，在防護(hù)頭部的同時(shí)避免安全帽對(duì)閥模塊的碰傷。

4）施工環(huán)境要求高。

換流閥安裝前閥廳應(yīng)具備安裝條件換流閥安裝時(shí)閥廳應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：閥廳應(yīng)完成密封性施工，穿墻套管預(yù)留孔臨時(shí)封堵完成。閥廳內(nèi)其他洞口臨時(shí)密封，達(dá)到產(chǎn)品要求的清潔標(biāo)準(zhǔn)，每立方米直徑0.5μm顆粒數(shù)量不大于5 000萬(wàn)個(gè)。

每個(gè)閥廳都配備過(guò)渡間，風(fēng)淋房流轉(zhuǎn)使用，閥廳內(nèi)的地坪等設(shè)施完善。

閥廳通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)投入使用，閥廳內(nèi)保持微正壓狀態(tài)，采用溫濕度計(jì)對(duì)溫濕度進(jìn)行檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)施工用監(jiān)控設(shè)備投入使用，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，能隨時(shí)隨地對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

閥廳懸掛結(jié)構(gòu)上面的工作，包括光纖電纜通道、冷卻回路主管道等都完成鋪設(shè)。閥廳的地面和墻面引出線應(yīng)無(wú)灰塵；閥內(nèi)冷系統(tǒng)進(jìn)行管道清洗，滿(mǎn)足與換流閥水冷系統(tǒng)對(duì)接的條件，內(nèi)冷管道短接；全部鋼梁結(jié)構(gòu)徹底清掃，不能有遺留等雜物；對(duì)土建預(yù)留安裝孔與圖紙仔細(xì)核實(shí)，防止吊裝期間出現(xiàn)土建預(yù)留開(kāi)孔不合適，影響安裝。

3 結(jié)語(yǔ)

特高壓直流輸電所具有的優(yōu)勢(shì)決定其在長(zhǎng)距離、大容量輸電系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用前景。我國(guó)能源資源與負(fù)荷逆向分布的現(xiàn)實(shí)情況以及未來(lái)電力需求的巨大空間急切需要發(fā)展特高壓直流輸電技術(shù)。特高壓直流輸電對(duì)換流站的工程技術(shù)要求很高，換流閥的可以實(shí)現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)換，是換流站的技術(shù)核心。目前工程施工中針對(duì)換流閥的安裝難點(diǎn)已有相應(yīng)的控制方法，但并不完善。相信隨著直流工程的發(fā)展，換流閥將會(huì)更加合理有效的使用在換流站中，為未來(lái)特高壓直流輸電發(fā)揮更多的作用。