新型换流阀在“向~上”直流输电工程中的应用

摘要：常规直流输电工程中，换流阀采用的都是5英寸晶闸管，而“向家坝～上海”±800kV特高压直流输电工程却首次使用6英寸晶闸管。基于6英寸晶闸管新型换流阀的研发，标志着我国通过自主创新，已经达到了国际大功率半导体器件技术的领先水平，代表了世界直流输电技术的最高水平。本文主要以复龙换流站为例，介绍了新型6英寸晶闸管换流阀的基本结构和工作原理及相关保护，以期望能为特高压直流输电换流阀的正常、稳定运行和日常维护提供参考意义。

关键词：特高压 直流输电 6英寸晶闸管 换流阀

1、引言

“向家坝～上海”±800kV特高压直流输电示范工程采用了由国内外共同研制的世界上电压等级最高、容量最大、技术水平最先进的额定电压800kV、额定电流4000A的新型换流阀，其核心元件采用了世界上最新研制的6英寸、8500V、4000A的大功率电触发晶闸管器件，结构设计具有重大创新，各项技术指标均创世界最高水平，为“向～上”直流输电工程的安全、稳定、可靠运行提供了强有力的保障。

2、新型换流阀概述

2.1 新换流阀的技术优点

“向～上”直流输电工程中，换流阀的设计为双极直流系统，系统包括2个完整单极，每个完整单极每端由2个电压相等的12脉动换流器串联组成，每个完整单极中任何一对12脉动换流器退出运行，都不影响剩余换流器构成不完整单极运行。是在HVDC技术的研发及后来多个工程工业性运行经验的基础上逐步发展起来的，集中了以下技术优点：

（1）由晶闸管及其散热器压装在一起的硅堆组成的阀组件标准化设计；

（2）去离子水冷却晶闸管及阀电抗器；

（3）直接水冷式均压阻尼电阻，功率大散热能力强；

（4）冷却回路采用经验证的防火材料及合理的布局；

（5）减少了辅助零部件的数量，使故障率降低，维修简便；

（6）大功率6英寸晶闸管，使传输电流的范围得到显著提高。

2.2 换流阀的基本参数

2.2.1 基本结构参数

“向～上”直流输电工程换流阀型号为：KGWF―4000/±800，其中：

K――可控晶闸管；G――高压变流器；W――水；F――强迫；

4000――额定输出电流4000A；

±800――额定输出电压±800kV。

其换流阀基本结构参数如表二：

2.2.2换流阀的主要特性

（1）采用6英寸晶闸管，额定电压：8500V，短路电流能力为46kA；

（2）主回路不采用晶闸管元件并联设计；

（3）每个晶闸管级并联一个阻尼回路；

（4）TCU动作可靠、快速而精确；

（5）每个单阀内有2个冗余晶闸管；

（6）每个单阀包括8个饱和电抗器。

3、换流阀的基本结构及原理

3.1 换流阀的组成结构

基于6英寸晶闸管的新型换流阀，每个晶闸管级组成部分如下：

（1）6英寸电触发晶闸管；

（2）晶闸管触发监测（TFM）板，为阀控制系统的一部分；

（3）用于晶闸管冷却的散热器；

（4）并联的阻尼电路，由串联连接的电容和电阻组成；

（5）并联的直流均压电阻，安装在TFM板上。

3.2 换流阀的基本原理

以“向～上”直流输电工程起始端――复龙换流站的换流阀为例，对新型换流阀做一个具体的介绍，复龙换流站换流阀的设计原理图如图三：

复龙换流站换流阀采用双12脉动换流阀串联结构，每个12脉动换流阀由2个6脉动换流阀串联组成，即单极由4个6脉动换流阀串联组成。两个单阀上下排列，与其中1个6脉动桥的同一AC相相连，一个6脉动换流器由3个双重阀构成，一个单极由12个双重阀组成，一个双重阀包括2个单阀，每个单阀包括2个晶闸管组件，每个晶闸管组件又包括2个阀段，每个阀段有15只晶闸管元件，由一个硅堆和2个电抗器串联再与一个均压电容并联组成。

3.2.1 结构设计优点

（1）采用悬吊结构，确保阀体具有足够的柔韧性，能够耐受7级地震；

（2）采用模块化结构。每个晶闸管组件采用30个串联的晶闸管组成，重量轻，易于在现场组装和维护；

（3）冷却系统采用串联回路，减少了接头的数量，数量大约是并联回路的1/3；

（4）管路直径大，不易堵塞；

（5）爬电距离大于14mm/kV；

（6）防火性能强。

3.2.2 换流阀的相关保护

为了确保换流阀的安全运行，换流阀提供了下列保护：

（1）电流保护；

（2）电压保护；

（3）漏水保护。

3.2.2.1 电流保护

换流阀的电流保护有：

（1）过电流保护；

（2）短路电流保护；

（3）换相失败保护；

（4）换流阀不触发保护。

3.2.2.2 电压保护

晶闸管阀的正向和反向保护，主要由阀避雷器提供。每个单阀配有一台无间隙氧化锌避雷器，阀避雷器可以限制阀上的动态过电压（DOV），包括单次的浪涌动态过电压和重复的动态过电压。

此外，还为各个晶闸管级提供了下列保护：

（1）过大延迟角保护；

（2）保护触发；

（3）恢复期保护；

（4）均压电路；

（5）能够补发触发脉冲的短脉冲系统。

晶闸管级具有各自的保护触发功能。当晶闸管级上的正向电压过高时，保护触发回路会将晶闸管保护触发导通，使其免受过电压的损坏。晶闸管的的保护触发水平高于避雷器侧操作冲击保护水平，这样，在交流侧出现故障时，阀不会出现保护触发，在交流侧故障清除后，不会影响直流系统的恢复。在电压斜率过高时，保护触发水平会相应降低，在非重复的严重故障情况下，比如接地故障时，为晶闸管级提供了更好的保护。

出现陡度高于1200kV/μs 陡波冲击时，大部分过电压被饱和电抗器吸收，进而降低了晶闸管级上的电压应力。晶闸管处于反向恢复期时，要保护阀免受正向过电压的损坏，每个晶闸管级的保护回路，在晶闸管处于反向恢复期时，会为各个晶闸管提供保护，保护水平比正常的保护触发水平要低大约20%。反向恢复期是指从晶闸管电流过零开始，到晶闸管恢复阻断能力能够完全阻断正向电压的时间。也就是说，晶闸管上出现的各种正向过电压，晶闸管控制单元（TCU）都能提供相应的保护。反向时，阀避雷器，在均压回路、饱和电抗器的配合下，保护阀免受高电压和陡波冲击电压的损坏。

3.2.2.3 漏水保护

为了减少漏水几率和降低漏水对元件的损害，采取了下列措施：

（1）尽量减少阀内的水管接头；

（2）组件上所有的水管接头都位于阀的外部；

（3）在不断开水路连接的条件下，就可以进行元件的维护或更换。所有的内部连接是密封的，整个组件在工厂里要通过热循环和水压压力试验。现场安装完成后，会对整个冷却水系统进行水压压力试验；

（4）阀在漏水的情况下能够耐受一定的电压，以防在运行期间出现漏水的情况。

对于漏水，有下列保护方式：

① 24小时漏水报警；

② 漏水跳闸；

③ 膨胀水箱水位偏低跳闸。

这三种方式，都是通过测量膨胀水箱中冷却剂液面的高度实现的。

4、总结

本文概述了目前世界上输送容量最大、耐压能力最强、通流能力最高的最新6英寸晶闸管的基本情况，并以中国“向～上”特高压直流输电工程的起始站―复龙换流站换流阀为例，具体介绍了6英寸晶闸管换流阀的基本结构和原理，为换流阀的安全、稳定运行和日常维护提供了参考，同时也让运维人员对最新6英寸晶闸管换流阀有一个初步的认识和掌握，在平时的运维工作中起到一定的指导作用。

参考文献：

[1] 6英寸高压晶闸管的研制[M]．电网技术．

[2] 6英寸晶闸管的研究开发与特性控制[M]．电网技术．

[3] ±800kV级直流系统用换流阀技术规范．

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文