A5000型換流閥晶閘管快速更換工具的研制

劉釗，李昊

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011）

隨著國家西電東送戰(zhàn)略以及國家電網(wǎng)公司 全球能源互聯(lián)網(wǎng) 戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，特高壓直流輸電工程數(shù)量呈逐年增長的趨勢，截至目前，在運換流站包括跨區(qū)柔性直流站共有47座，換流閥作為特高壓直流輸電工程的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是把交流電變換成直流電（稱為整流）或者把直流電變?yōu)榻涣麟姡ǚQ為逆變），而構(gòu)成換流閥的核心單元是晶閘管。根據(jù)歷年在運直流工程換流閥故障統(tǒng)計情況，晶閘管故障為換流閥最常見的故障情況，處理該類故障需要停運相應(yīng)換流閥組，為了縮短停電檢修時間，保證直流輸電系統(tǒng)能量可用率，需要提高晶閘管的故障處理時間。

±800kV特高壓靈州換流站采用中電普瑞生產(chǎn)的A5000系列換流閥，自2016年以來共計發(fā)生6次晶閘管擊穿故障，其中晶閘管發(fā)生鼓脹現(xiàn)象的共計4次，利用現(xiàn)有晶閘管更換工具處理鼓脹晶閘管平均工作耗時為未鼓脹晶閘管更換處理工作的3.25倍，嚴(yán)重影響直流輸電系統(tǒng)的功率外送，以單閥組送電功率2000MW計算，單次鼓脹晶閘管的更換處理工作耗時將至少導(dǎo)致5000MW的功率損失，而傳統(tǒng)更換晶閘管工具使用相對煩瑣，更換一只故障晶閘管的時間較長，針對此情況，研制一種快速更換晶閘管的工具具有很重要的意義。

1 A5000換流閥簡介

A5000型換流閥閥組件包括了晶閘管壓裝結(jié)構(gòu)（Thyristor Clamped Assembly，TCA）、門極單元組件、飽和電抗器組件、阻尼電阻組件、阻尼電容組件、直流均壓電阻、取能電阻、冷卻管路以及附屬的支撐結(jié)構(gòu)和電氣連接結(jié)構(gòu)。阻尼電阻組件、阻尼電容組件和門極單元組件圍繞TCA布置。晶閘管、阻尼電阻、直流均壓電阻和取能電阻采取水冷卻方式。A5000型換流閥晶閘管級原理如下：每個晶閘管級配備一塊TTM板。當(dāng)換流閥需要觸發(fā)導(dǎo)通時，VBE通過光纖向晶閘管TTM傳輸觸發(fā)脈沖編碼，TTM解碼后觸發(fā)晶閘管。TTM為晶閘管提供過電壓保護(hù)、反向恢復(fù)期保護(hù)、電流斷續(xù)保護(hù)。在保護(hù)動作時，TTM觸發(fā)晶閘管，實時監(jiān)測晶閘管狀態(tài)是否良好，并通過光纖向VBE傳輸過電壓保護(hù)動作信息和晶閘管狀態(tài)信息。

2 晶閘管更換現(xiàn)狀分析

目前，靈州站晶閘管更換主要采用硅堆壓力緊固專用工具，主要包括晶閘管拆卸手動液壓泵、壓力表、緩壓閥組件，晶閘管保護(hù)綁帶、TCA輔助支撐框架、25t液壓缸、轉(zhuǎn)接頭組件、壓力加載柱塞等。

（1）現(xiàn)有的手動液壓泵油管路僅設(shè)置了2條分支，在對大液壓缸加壓或泄壓時選用其中一條支路，完成大液壓缸工作后再將該支路取下，與另一支路分別接入小液壓缸進(jìn)行加壓或泄壓。在晶閘管鼓脹情況下，步驟（3）～（6）反復(fù)進(jìn)行時，油管路的來回切換將耗費大量時間。

（2）小液壓缸缸體4支頂柱完全撐開時，能夠?qū)沃д＞чl管兩側(cè)散熱器夾持距離撐開3～5mm。若晶閘管發(fā)生鼓脹，且鼓脹厚度超過5mm時，即使小液壓缸缸體4支頂柱完全撐開，散熱器仍然緊貼晶閘管，無法取出。

有鑒于此，我們有必要設(shè)計一款晶閘管快速更換工具，針對上述問題進(jìn)行優(yōu)化。

3 晶閘管更換工具設(shè)計

3.1 液壓缸缸筒的設(shè)計和計算

（1）液壓缸內(nèi)徑D的計算

（Fmax=5kN；P=60MPa；η=0.95）

解得D=0.024m。

圓整成標(biāo)準(zhǔn)值后，得液壓缸內(nèi)徑D=24mm。

（2）缸筒壁厚和外徑計算

本設(shè)計的內(nèi)徑D為24mm，查液壓設(shè)計手冊液壓缸的外徑D1為34mm，缸壁的厚度為7.5mm。一般按正規(guī)的方法選取液壓缸壁厚都能滿足其強(qiáng)度，但為安全起見，我們還要進(jìn)行校核。

由于D=24mm，外徑D1=34mm，則可按第一強(qiáng)度理論，即按照薄壁圓筒的中徑公式計算，則有

式中，δ為缸筒壁厚；D缸筒內(nèi)徑；Pmax為缸筒試驗壓力，液壓缸的額定壓力Pn≤16MPa時Pmax=1.5Pn，額定壓力Pn＞16MPa時Pmax=1.25Pn；[]σ為材料許用應(yīng)力。

σb為材料的抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，n=3.5～5，這里取n=5。選用45號鋼，并且調(diào)質(zhì)241～285HB，查閱《工程力學(xué)》劉靜香著可知45號鋼的抗拉強(qiáng)度σb=530～598MPa，現(xiàn)取σb=560MPa，故：

因為7.5mm＞0.8mm，故強(qiáng)度足夠。

3.2 最小導(dǎo)向長度H的確定

當(dāng)活塞桿全部伸出時，從活塞支撐面中點到導(dǎo)向套滑動面中點的距離稱為最小導(dǎo)向長度。如果導(dǎo)向長度過短。將使液壓缸因間隙引起的初始撓度增大，影響液壓缸的工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計時，必須保證液壓缸有一定的最小導(dǎo)向長度。對于一般液壓缸，最小導(dǎo)向長度應(yīng)滿足下式要求：

圖1 活塞柱平面圖

液壓缸工作行程的確定：升降液壓缸的最大升起高度為15mm，依據(jù)國標(biāo)選取液壓缸工作行程為25mm。

故L=0.025m，D=0.024m，代入公式得：

活塞寬度B的計算：

取B=15mm。

導(dǎo)向套滑動面的長度A，由公式A=(0.6～1.0)d。

由前面的數(shù)據(jù)可知，d=40mm，故取A=（0.6～1.0）d=9.6～16mm

取A=11mm。

3.3 晶閘管更換工具的整體設(shè)計

晶閘管更換工具的整體設(shè)計圖如下圖所示。首先，對手動液壓泵油管路進(jìn)行優(yōu)化，定制專用換流閥用分支管路，達(dá)到無須來回倒換油管路即可快速切換大、小液壓缸的加壓卸壓的目的。其次，對小液壓缸缸體進(jìn)行優(yōu)化，加厚缸體5mm，加長頂柱3mm，該缸體仍能放入晶閘管兩側(cè)散熱器之間，完全撐開后能夠使撐開距離增加至11～13mm，滿足使用需求，無須松散處理TCA壓裝結(jié)構(gòu)即可取出發(fā)生鼓脹晶閘管。同時，為使小液壓缸更快速地插入散熱器間隙，對小液壓缸底部由原來的矩形設(shè)計重新優(yōu)化為楔形設(shè)計，減少調(diào)整時間。

圖2 晶閘管更換工具整體設(shè)計圖

4 結(jié)語

目前，國內(nèi)外暫無便捷、高效的A5000型換流閥故障晶閘管更換工具，研究及探索均處于空白。本文所描述的A5000型換流閥晶閘管快速更換工具，已成功應(yīng)用于靈州換流站2020年年度檢修故障晶閘管更換，效果顯著。A5000型換流閥晶閘管快速更換工具可推廣到全國其他換流站使用，發(fā)展前景良好。