高压直流输电系统换流变压器与换流阀设计

高压直流输电系统换流变压器与换流阀设计规范
1.1 换流变压器
在高压直流输电系统中，换流变压器是最重要设备之一。

在整流站，用它将交流系统和直流系统隔离，通整流装置将交流电能转换为高压直流电能，再利用直流输电线路传输；在逆变站，通过逆变装置将直流电能再转换为交流电能，再通过换流变压器输送到受端交流系统；从而实现不同交流系统的联络。

1.1.1 换流变压器功能与特点
换流变压器功能有：1、降低交流侧谐波电流，特别是降低了5、7次谐波电流，这是由于绕组接法为YNyn0和YNd11，提供相位差为30°的12脉波交流电压；2、作为交、直流系统的电气隔离，可削弱侵入直流系统的交流侧过电压幅值；3、限制故障电流，换流变压器的阻抗限制了阀臂短路和直流母线上短路时的故障电流，使换流阀免遭损坏；4、通过换流变压器可实现直流电压较大幅度的分档调节。

由于换流变压器的运行与换流器的换相所造成的非线性密切相关，所以换流变在漏抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压和试验等方面与普通电力变压器有不同的特点。

(1)短路阻抗
为了限制当阀臂及直流母线短路时的故障电流以免损
坏换流阀的晶闸管元件，换流变压器应有足够大的短路阻抗。

但短路阻抗也不能太大，否则会使运行中的无功损耗增加，需要相应增加无功补偿设备，并导致换相压降过大。

大容量换流变压器的短路阻抗百分数通常为12%~18%。

(2)绝缘
换流变压器阀侧绕组同时承受交流电压和直流电压。

由两个6脉动换流器串联而形成的12脉动换流器接线中，由接地端算起的第一个6脉动换流器的换流变压器阀侧绕组直流电压垫高0. 25U d(U d为12脉动换流器的直流电压)，第二个6脉动换流器的阀侧绕组垫高0. 75U d，因此换流变压器的阀侧绕组除承受正常交流电压产生的应力外，还要承受直流电压产生的应力。

另外，直流全压起动以及极性反转，都会造成换流变压器的绝缘结构远比普通的交流变压器复杂。

(3)谐波
换流变压器在运行中有特征谐波电流和非特征谐波电流流过。

变压器漏磁的谐波分量会使变压器的杂散损耗增大，有时还可能使某些金属部件和油箱产生局部过热现象。

对于有较强漏磁通过的部件要用非磁性材料或采用磁屏蔽措施。

数值较大的谐波磁通所引起的磁致伸缩噪声，一般处于听觉较为灵敏的频带，必要时要采取更有效的隔声措施。

(4)有载调压
为了补偿换流变压器交流网侧电压的变化以及将触发
角运行在适当的范围内以保证运行的安全性和经济性，要求有载调压分接开关的调压范围较大，特别是可能采用直流降压模式时，要求的调压范围往往高达20%~30%。

(5)直流偏磁
运行中由于交直流线路的藕合、换流阀触发角的不平衡、接地极电位的升高以及换流变压器交流网侧存在2次谐波等原因将导致换流变压器阀侧及交流网侧绕组的电流中产生直流分量，使换流变压器产生直流偏磁现象，导致变压器损耗、温升及噪声都有所增加。

但是，直流偏磁电流相对较小，一般不会对换流变压器的安全造成影响。

(6)试验
换流变压器除了要进行与普通交流变压器一样的型式试验与例行试验之外，还要进行直流方面的试验，如直流电压试验、直流电压局部放电试验、直流电压极性反转试验等。

1.1.2 换流变的型式
换流变压器的型式可以分为四类(如图3-1)：三相三绕组式、三相双绕组式、单相三绕组式、单相双绕组式。

采用哪种换流变压器的结构型式，应该根据换流变压器的交直流侧系统电压的要求、变压器运输的条件、变压器的容量以及换流站的布置情况等因素全面的考虑来确定。

图3-1 (a)三相三绕组；(b)三相双绕组；(c)单相三绕组；
(d)单相双绕组
对于中等额定容量和额定电压的换流站来说，应该充分优化运输方案，可优先考虑采用三相变压器，能够有效的减少材料使用量，减少变压器占地空间和损耗，其中最为明显的是空载损耗。

特别的，如果是12脉动的换流变压器的两个6脉动换流桥，可以采用两台三相变压器。

对于容量较大的换流变压器，可以考虑采用单相变压器组，如果制造条件和运输条件允许的情况下，也可以采用单相三绕组式的换流变压器。

和单相双绕组变压器相比较来看，单相三绕组的换流变压器所使用的套管、铁芯、油箱及有载开关较少，因此也更经济、可靠。

然而单相三绕组换流变压器的运输质量约为单相双绕组换流变压器的1.6倍，宽度也比较大，对于大容量换流变压器来说，运输难度增加许多。

将单相双绕组变压器和单相三绕组变压器在选型原则上进行对比（表3-1），其中换流变容量由式(3-19、20、21、
22)确定。

表3-1 换流变压器选型对比
哈郑工程双极输送的功率为8000MW，考虑到运输风险、制造难度以及国产化等因素，采用的是单相双绕组换流变压器。

1.1.3 换流变的结构
哈郑工程两端的换流变压器均采用单相双绕组型式，整流站的铁芯结构采用单相两柱带旁轭式，逆变站的铁芯结构为单相四柱式结构，中间两个主柱上套绕组，外边两个旁柱作为磁通回路，不套绕组。

两个主柱上的绕组在电气上并联连接。

每极为两组12脉动换流阀组的串联，分为高端和低端两个阀组。

与高端的阀组相连接的六台换流变压器组成两个三相组，分别接成YNyn0和YNd11两种接线，分别称为“Y H”和“D H”组。

与低端的阀组相连接的六台换流变压器也组成了两个三相组，分别称为“Y L”和“D L”组。

所以，一个极需要四个6脉动换流变压器，而一个6脉动换流变压器需要3个单相双绕组变压器，即一个极需要12个单相双绕组变压器，一个站就需要24个单相双绕组变压器，加上备用的4台，一个站需要的变压器台数为28台。

换流变压器的电气连接如图3-2所示。

图3-2 换流变与换流阀接线示意图
1.1.3 脉动换流器主要参数计算
(1)换流器直流电压降
该工程采用6英寸晶闸管换流阀，在主回路计算值需考虑换流阀的各种损耗及压降。

依据换流阀特性及以往工程经验，两端换流站每个6脉动换流器的相对阻性压降d r 取为0.3%，换流阀的前向压降U T 取0.3kV [7]。

(2)额定相对感性压降
换流器相对感性压降d x ，可根据文献[7]化简为 k x u 21d =N 式(3-1) 一般在设计阶段，主回路计算中需考虑为PLC 滤波器预留空间。

由于PLC 滤波电抗器的相对感性压降较小，通常可取为约0.2%[7]，可得。

PLC N u u 21d k x += 式(3-2) 根据1.1.4(四)给出的换流变短路阻抗值和式(3-2)可得整流站和逆变站的额定相对感性压降为
0.1020.0022.02
1u u 21d d k x x =+⨯=+==PLC NI NR (3)换流器消耗的无功
换流器在运行过程中要消耗大量的无功，需要利用无功设备进行补偿。

额定运行工况下，每个12脉动换流器消耗的无功功率计算为[7]
di0N dN d U χI 2=N Q (式3-4) 式中的因子χ定义为 )(cos -cos )(sin2-2sin 180241χμααμααπμ+++= 式(3-5)
对于逆变器，需将式(3-5)中的α换成γ。

每个换流站2极共有4个12脉动换流器，因此消耗的无功功率应为式(3-4)的4倍[7]。

据此可得两端换流站平衡双极额定运行时消耗的无功功率，计算中用到了上文2.2(8)中确定的换相角μR 和μI 和下文式(3-8)和式(3-9)确定的换流器额定直流空载电压U di0NR 和U di0NI ，得
整流侧
4884.0)
368.2515(cos -15cos )368.2515(sin2-152sin 180368.25241)
(cos -cos )(sin2-2sin 180241χ=︒+︒︒︒+︒︒⨯+︒⨯=+++=πμααμααπμvar 1774.45456565.23254884.024U χI 24di0NR dN d M Q NR =⨯⨯⨯⨯=⨯= 逆变侧
0615.0)
21.2417(cos -17cos )21.2417(sin2-172sin 18021.24241)
(cos -cos )(sin2-2sin 180241χ=︒+︒︒︒+︒︒⨯+︒⨯=+++=πμγγμγγπμ var 1453.4449776.21950615.024U χI 24di0NI dN d M Q NI =⨯⨯⨯⨯=⨯=
1.1.4 换流变压器主要参数计算
(1)额定空载直流电压
换流变压器额定空载直流电压U di0N 可由6脉动换流器电压计算公式转换得到:
T R di NR di dN d rR xR R di dR U U U I I d d U U -⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=000)(-cos n α 式(3-6) T I di NI di dN d rI xI I di dI U U U I I d d U U +⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=000)(-cos n γ 式(3-7)
式中：U dR 和U dI 分别为整流侧和逆变侧的双12脉动换流器电压；n 为每站每极6脉动换流器的个数，在该特高压直流工程中取4。

在额定运行工况下，对上述二式进行变换整理，得
V U U U NR NR T NR NR k 6565.232003.0102.0-15cos 3.04800d d -cos n r x d 0di =+︒+=++=）（）（α
式(3-8)
V U N U U NR NR T I NI NI k 7760.219003.0102.0-17cos 3.041855.747d d -cos r x d 0di =+︒+=++=）（）（γ
式(3-9)
(2)换流变压器阀侧额定交流线电压
换流变压器阀侧额定交流线电压与理想空载直流电压之间的关系为 35.1320di 0di vN N N U U U ==π 式(3-10) 式中U di0N 为在额定触发角αN 或关断角γN 、额定直流电压U dN 及额定直流电流I dN 下，一个6脉动换流器的理想空载直流电压。

对于整流侧：
V U U NR k 3381.17235.16565.232320di vNR ===π 式(3-11) 对于逆变侧： V U U NI k 7970.16235.17760.219320di vNI ===π 式(3-12) 换流变压器阀侧交流线电流有效值为 A I I k 0824.453232d v =⨯=≈ 式(3-13) 换流变阀侧Y 绕组额定电流
A I I N YN k 0824.4v v == 式(3-14) 换流变阀侧△绕组额定电流 A I I DN k 3570.230824.43vN v === 式(3-15)
(3)换流变压器额定容量S N
对于连接6脉动的三相换流变压器的额定容量为 N N N N N I U I U S d 0di v v 33π== 式(3-16) 对于连接12脉动的单相三绕组换流变压器额定容量为 N N N N W N I U I U S d 0di v v 392323π=⨯= 式(3-17) 对于连接12脉动的单相双绕组换流变压器额定容量为 N N W N W N I U S S d 0di 3292π== 式(3-18) 哈郑工程中采用连接12脉动的单相双绕组换流变压器，对于整流侧和逆变侧的额定容量分别为：
MVA I U S N NR WR N 0622.40656565.23299d 0di 2=⨯⨯==ππ 式(3-19)
MVA I U S N NI WI N 5815.38357760.21999d 0di 2=⨯⨯==ππ 式(3-20)
在1.1.1变压器选型中，需单相三绕组换流变容量，计算如下
MVA I U S N NR WR N 1244.81256565.2329292d 0di 3=⨯⨯==ππ 式(3-21)
MVA I U S N NI WI N 1630.76757760.2199292d 0di 2=⨯⨯==ππ 式(3-22)
(4)换流变压器短路阻抗
为了限制当阀臂及直流母线短路时的故障电流，以免损坏换流阀的晶闸管元件，换流变压器应有足够大的短路阻抗。

但短路阻抗越大，换流变压器将消耗更多的无功，并导致换相压降过大。

短路阻抗的选择应考虑的因素有：①短路阻抗u k 确定了换流变压器的漏磁电感值以及晶闸管允许的短路浪涌电流I M 的值；②由于短路阻抗u k 越大，换流站内部的电压降就越大，因此这对于已确定的高压直流输电系统的额定输送功率，换流变压器及换流阀就需要有更大的标称容量；③短路阻抗u k 确定了换相角μ的大小，从而也影响逆变站超前触发角α或关断角γ的大小；④影响换流站无功功率的需求以及所需的无功补偿设备容量；⑤短路阻抗u k 将影响谐波电流的幅值，一般来说，短路阻抗增大会减小谐波电流的幅值。

根据换流阀的浪涌水平选择。

哈郑工程中整流站和逆变站晶闸管的浪涌电流均为52kA 。

S NR 为换流变压器的三相容量，S sc-max 为最大交流三相短路容量，U 为交流系统电压水平，整流侧KV U 530=，逆变侧KV U 515=，sc I 为交流系统最大短路电
流为KA 19。

其中最小短路阻抗应该满足范围%22~%12。

整流侧
MVA I U S N NR NR 5896.12180824.43381.17233v v =⨯⨯== 式(3-23)
MVA UI S sc SC 7516.174411953033max =⨯⨯==- 式(3-24)
%2441.127516.174415896.121852522max min =-⨯=-=--SC NR M dN k S S I I u 式(3-25)
逆变侧
MVA I U S VN VN NI 1252.11510824.47970.16233=⨯⨯== 式(3-26)
MVA UI S sc SC 1171.169481951533max =⨯⨯==- 式(3-27)
%4387.121171.169481252.115152522max min =-⨯=-=--SC NR M dN k S S I I u 式(3-28)
特高压直流输电工程设计两端换流站的换流变短路阻抗u k 一般为19%一20%，由于计算得出的u k 偏小，故在主
回路设计中采用20%计算。

1.2 换流阀
哈密南到郑州特高压直流输电工程，采用了A5000型换流阀。

A5000型换流阀绝缘配合设计综合考虑了阀塔在运行过程中交流、直流和冲击电压下空气间隙和局部放电等要求，设计了合理的空气净距和爬电距离。

同时还考虑了高海拔运行环境下绝缘材料表面的污秽累积对绝缘性能的影响。

在哈郑工程中，每个完整单极由2个12脉动换流单元串联组成，分别位于高压阀厅与低压阀厅。

每个12脉动换流单元的额定电压为400kV，其中低压12脉动桥连接0电位和400kV直流电位，高压12脉动桥连接400kV和800kV 直流电位。

每个12脉动换流单元都跨接直流旁通断路器，使得当某一换流单元故障时另一换流单元还可以继续运行。

1.2.1 6英寸晶闸管简介
直流输电工程换流过程中，晶闸管的阀片是组成晶闸管换流阀的关键元件，哈郑工程由于电压高，功率大，每一极换流阀采用双脉动桥串联，采用了电触发的6英寸晶闸管，其额定电压为8500V，额定电流为5000A，短路电流能力可达52KA，在通流能力方面留有很大的裕度。

高压直流输电对于晶闸管有两个特点，第一，换流阀是
由数千只的晶闸管串联而成，为了保证一个换流阀臂上的器件能够同时开通或者同时关断，对于晶闸管的参数一致性要求很高；第二，对于器件的长期可靠性的要求很高，能够保证换流阀具备长期连续可靠运行的能力。

6英寸晶闸管在设计的过程中主要考虑它的电流特性、电压特性、可靠性以及动态特性4个方面。

通过选择台面的双负角造型、并结合合适的硅单晶以及杂质的分布，来实现晶闸管的预期耐压设计。

同时，要在单晶电阻率、杂质分布、片厚以及芯片内少子寿命之间进行优化，使晶闸管的电压特性和电流容量满足特高压换流阀的应用要求。

晶闸管设计的最终目的是使器件的各种动态参数和静
态参数大道最佳的效果。

其中，晶闸管动态的特性包含有开通特性和关断特性，具体表现在电压上升率()dt
du、电流上升率()dt
di、开通时间、关断时间、门极特性以及反向恢复电荷等参数[8]。

1.2.2 换流阀设计基本要求
高压直流输电系统中，把实现换流所需的三相桥式换流器的一个桥臂，称为换流阀。

换流阀是直流系统的核心装备，它由数量繁多的多种元器件组成，结构较复杂，对于换流阀的电气优化设计，对于直流输电系统运行的可靠性和能量利用率的评估具有重要的意义。

(1)系统对换流阀定值的要求
①连续运行额定值
根据本工程的要求，换流器应应具有的连续运行额定值有:额定直流电压，±80okV;额定直流电流，5000A；额定直流功率，8000MW。

阀的冷却系统及其他辅助系统的设计须满足的连续运行额定值的要求。

②过负荷能力
依照系统要求的换流阀的过负荷能力可以分为三种：①暂时过负荷额定值，一般指的是数秒之内的过负荷的能力；
②短时过负荷额定值，一般指的是半小时到数小时之内可以连续运行的过负荷的能力；③连续过负荷额定值，指的是可以长期连续运行的过负荷的能力。

系统要求换流阀的过负荷能力应该能够和高压直流输电系统的过负荷能力相匹配。

前两种过负荷额定值是由相应电力系统故障后为减少经济损失以及为电力系统故障后的恢复提供必要的功率支持而提出来的，该定值的合理性应顾及相应设备费用的增加。

后一种过负荷额定值是由直流输电系统以各种调制方式阻尼交流系统的振荡和提高系统运行稳定性的要求而提出的。

上述过负荷额定值均应考虑过负荷前的运行状态，例如实际的负荷情况及冷却设备投运情况。

由于本文主要讨论额定状态下的换流阀设计，这部分不涉及。

(2)对运行触发角工作范围的要求
从减少谐波分量，减少无功的消耗，降低运行的损耗等方面来考虑，换流阀的额定运行触发角应该是越小越好，然而，要是从保证足够的调节裕度和换流阀安全可靠的换相的角度来看，应该是有最小的角度限制。

换流阀的运行触发角的工作范围的优化选择应该考虑的因素有以下几种：要满足正常的启停和事故时的启停的要求；要满足交流母线的电压控制和无功调节的控制要求；要满足最小负荷、额定负荷和直流降压等各种运行方式的要求等等。

根据经验，整流器的触发角一般在︒15左右，最小为︒5；逆变器的关断角一般为︒︒18~15左右，最小为︒15。

根据直流输电工程的经验和目前晶闸管的制造水平以及触发控制系统的性能水平，本工程中整流器的额定触发角︒=15N α，最小值为5°;逆变器的额定关断角取︒=17N γ，最小值为15°。

1.2.3 换流阀电气设计
(1)晶闸管设计
晶闸管串联极数由阀避雷器的操作冲击保护水平决定，关系如下： DSM V SIPL im
d min k k n ⨯⨯= 式(3-29)
式中：SIPL 为跨阀的操作冲击保护水平，SIPL=451kV ；
V DSM 为晶闸管正向断态不重复峰值电压，规定断态重复峰值电压V DRM 为断态不重复峰值电压(即断态最大瞬时电压)V DSM 的90%，V V V DRM DSM k 5.89.0==； 1.1k im =为操作冲击电压下的安全系数；051.k d =为单阀的电压分布系数。

在哈郑工程中，晶闸管串联极数最小值为 6128.615.805.11.1451k k n im d min ≈=⨯⨯=⨯⨯=DSM V SIPL 式(3-30) 依据工程经验，晶闸管换流阀的冗余度不宜小于1.03(即83.636103.1n 03.1n min =⨯==)，且每阀臂冗余元件数不应少于3个，故每个换流阀中的晶闸管一共为64个。

(2)饱和电抗器
为增加换流阀设计的通用性，A5000换流阀的每个阀组件都串联2个EET-3型饱和电抗器。

(3)阻尼电路
阻尼电阻为直接水冷电阻，阻尼电容同时采用了空气绝缘和固态树脂绝缘。

直流均压的作用是确保阀承受的直流电压在晶闸管级之间均匀分配，同时为触发和监控系统(thyristor triggering and monitoring ，TTM)提供晶闸管电压的测量采样。

功能有：①在每个晶闸管两端均匀分配阀电压；②为TTM 提供工作电源；③限制晶闸管关断时的反向恢复过冲电压。

1.2.4 换流阀结构设计
A5000型换流阀采用了标准化模块设计，基本功能单元是阀组件，每个阀组件由8个8.5kV晶闸管级和2台饱和电抗器串联而成，2个阀组件组成1个阀模块。

(1)晶闸管及晶闸管级(Thyristor Level)。

晶闻管是组成晶闸管阀的关键元件，除了光电转换触发晶闸管外，光直接触发晶闸管也已在高压直流输电工程中应用。

光电触发的晶闸管级由晶闸管元件及其所需的触发、保护及监视用的电子回路、阻尼回路等构成[9]，晶闸管触发控制原理如图3-3。

(2)阀组件。

对于A5000型换流阀，每个阀组件由8个串联连接的晶闸管级与2个阳极电抗器串联后再并联上均压电容元件构成。

(3)阀模块。

由2个阀组件串联组成，共16
⨯个晶闸管。

2=
8
(3)单阀(或阀臂)。

由4个阀模块串联连接组成，共⨯个晶闸管级，它构成了6脉动换流器的一个臂，故又4=
64
16
称阀臂。

(4)二重阀，2个单阀垂直组装在一起构成6脉动换流器一相中的2个阀，称为二重阀，共8个阀模块，在结构上构成一个阀塔，共128
8=
⨯个晶闸管。

16
四重阀，由4个单阀垂直安装在一起构成12脉动换流器的一相中的4个阀，称为四重阀，共256
⨯
⨯个晶闸管。

8
2=
16
(5)三相12脉动换流器。

本工程中由2个相位相差30°
的6个单阀连接构成三相12脉动换流器串联构成，共3=
⨯个晶闸管。

768
256
整流站和逆变站各4个12脉动换流器，每站需3072个晶闸管。

上述晶闸管级、阀组件、单阀的电气结构如图3-4。

图3-3 晶闸管级触发控制结构
图3-4 阀电气连接示意图。