高压直流输电换流阀性能分析研究

±800kV/5000A自主化换流阀性能分析

马元社，李侠，刘宁，娄彦涛，张雷

（西安西电电力系统有限公司，陕西省西安市 710075）

摘要：文中介绍了西电电力系统公司(XDPS)自主研制的±800kV/5000A换流阀主要参数。从换流阀的电压耐受能力、电流耐受能力和大角度运行能力详细分析了自主设计换流阀的主要性能。在国家高压电器检测检验中心通过的型式试验验证了所设计换流阀性能可靠，满足实际工程应用。

关键词：特高压直流；换流阀；电压应力；电流应力

1引言

特高压直流输电具有输送距离远、输送容量大、损耗低的优势,是实现我国能源资源优化配置的重要途径之一[1]。目前我国已经建成的特高压±800kV直流工程有云南-广东和向家坝-上海直流工程，在建的有锦屏-苏南直流工程，已经开始招标的有哈密-郑州直流工程，十二五期间我国还将有数条特高压直流工程开始建设，其社会经济效益显著。随着我国特高压直流工程技术的不断发展以及我国社会经济发展的需要，自主研制±800kV特高压直流输电工程换流阀对于我国打破国外技术垄断，提升我国特高压直流工程国产化水平具有重要意义。

2011年11月西安西电电力系统有限公司设计具有自主知识产权的特高压±800kV/5000A换流阀研制成功，在国家高压电器检测检验中心通过了全部型式试验，并于2012年1月通过了国家能源局组织的国家级鉴定，技术指标达到国际先进水平。文中对西安西电电力系统有限公司研制的±800kV/5000A换流阀进行了介绍，重点对换流阀的性能进行了分析。

2±800kV/5000A换流阀设计参数

(1)环境条件

表1 阀厅内使用条件

名称参数

全封闭户内，微正压，带通风和空调

长期运行温度范围＋10～＋50℃

最高温度＋60 ℃

最低温度＋5 ℃

长期运行湿度50%RH

最大湿度60%RH

地面水平加速度0.2 g

海拔高度不超过1000m

(2)电气参数

为了满足不同工程的不同技术要求，换流阀采用标准化设计，模块化设计是实现标准化的最好途径。工程运行表明，模块化设计具有良好的可用率、高的可靠性及最经济的工程造价[2]。自主设计±800kV/5000A换流阀采用模块化设计，模块示意图见图1。

图1 换流阀模块设计

阀塔设计为双重阀塔结构，每个单阀由2个组件组成，每个组件包含2个阀段，每个阀段由15个6英寸晶闸管、1个均压电容、2个饱和电抗器等组成，具体的单阀设计参数见表2。

表2 单阀主要设计参数

名称参数

晶闸管串联数n t60

冗余数n red 2

阻尼电容C sn（μF） 1.6

阻尼电阻R sn （Ω）36

饱和电抗器数8

保护触发电压（kV）420

阀塔结构双重阀

3换流阀电压耐受能力分析

更高的电压也对换流阀提出了更高的要求，换流阀应能够承受正常运行电压以及各种过电压，设计中采用晶闸管串联的方式使换流阀获得足够的电压承受能力。

每个单阀由并联的氧化锌避雷器保护，为了可靠的保护阀，设计中充分考虑了各种冲击条件下沿晶闸管串的电压不均匀分布，同时还考虑了过电压保护水平的分散性以及阀内其它非线性因素对阀的耐压能力的影响。

(1)晶闸管电压应力

每个晶闸管级上的RC阻尼回路以及饱和电抗器、冲击均压电容联合实现阀的工频电压与瞬态电压的均压。系统工频和操作冲击过电压时的电压分布不均匀主要由两方面原因引起，即阻尼

回路元件（电阻、电容）的公差和晶闸管反向恢复电荷的差异。因此，阻尼回路的器件误差、晶

闸管参数范围要满足设计允许的公差值。稳态运行时，晶闸管的重复电压包括换相过冲要低于其允许的重复电压。晶闸管电压应力计算结果见表3。

表3 晶闸管电压应力

晶闸管电压（kV）

工况

电压计算值规格

反向U RRM7.54 8.0 正常换向运行

正向U DRM 6.63 8.0

反向U RRM 7.96 8.3 交流耐压试验

正向U DRM 6.8 8.0 直流耐压试验/ U D 5.79 7

反向U RSM8.16 8.3 操作耐受电压

正向U DSM8.16（1）8.4

反向U RSM7.3 8.3 雷电耐受电压

正向U DSM7.3 8.4

反向U RSM 6.0 8.3 陡波耐受电压

正向U DSM 6.0 8.4 注（1），阀可能会由于正向保护触发而开通。

由表4可以看出，换流阀中的晶闸管在各种工况下的电压应力均低于晶闸管的耐受能力而且有一定的裕量。

(2)单阀电压分布仿真

在设计时考虑了换流阀可能受到的各种暂态冲击电压的耐受能力。在陡前波冲击电压下，冲击均压电容使阀段电压分布线性化。另外，由于阀饱和电抗器相对晶闸管硅堆有较大的高频阻抗，大部分过电压由饱和电抗器承担。这样，保证了晶闸管硅堆上的电压应力低于允许的各种冲击应力。

操作冲击、雷电冲击和陡波冲击下换流阀的电压应力如图2~4所示。其中：

Uvalve —阀电压；

UThyr —晶闸管硅堆电压；

Ureact —饱和电抗器电压。

图2 操作冲击电压分布图

由图2可知，阀电压为451.0kV，晶闸管硅堆上承受的电压和阀上基本相同。

图3 雷电冲击电压分布图

由图3可知，阀总电压为434.0kV，晶闸管硅堆上最大承受385.6kV电压，电抗器上电压最大值为160.9kV，电抗器承担了一部分阀电压。

图4 陡波冲击电压分布图

由图4可知，阀电压为492.0kV，晶闸管硅堆上最大承受288.4kV电压，电抗器上电压最大值为306.5kV，阀电抗器承担了更多的阀电压。

绝缘型式试验对换流阀的耐压能力进行了考核，各项参数符合GB/T 20990.1-2007等标准和设计技术要求。

4换流阀电流耐受能力分析

根据系统运行工况，换流阀应具备承担额定电流、过负荷电流及各种暂态冲击电流的能力。

(1)过负荷能力

换流阀的过负荷能力主要是根据换流阀的热应力限值设计的，因此它受到环境温度、水冷系统、晶闸管结温和损耗等限制。根据目前的换流阀元件性能、水冷系统技术水平，在最高进水温度43℃和12脉动阀组最小流量为4200L/min时的换流阀固有过负荷能力如图5所示：