换流阀

第二章宁东山东±660kV直流输电工程换流阀技术特点研究1±660千伏直流换流阀关键零部件技术研究1.1晶闸管及其压装组件由于HVDC换流阀包含一定数量的串联晶闸管，为了方便，可以在电气和机械上都将一个阀看作是由若干个阀组件组成的。

阀组件通常由5/6个晶闸管级和一个饱和电抗器串联，电抗器可以在阀开通时保护阀不承受过高的di/dt。

阀组件内的晶闸管都固定在高效的液体冷却散热器之间，组成一个“压装结构”，通过GRP（玻璃增强塑料）绷带的紧固，使晶闸管和散热器之间产生很大的压紧力，保证了元件间良好的电气和热接触。

绷带具有足够的绝缘强度，能承受阀关断期间的电压应力。

压装结构允许在不断开任何电气和水路连接的情况下方便地更换晶闸管。

图2-1所示为具有6个晶闸管级的压装结构。

图2-1晶闸管压装结构1.2阻尼及均压电路阀作为一个整体，它的电压耐受能力总是小于每个串联晶闸管的电压耐受能力之和。

这是由串联晶闸管之间的断态漏电流和关断时存储电荷的差异引起的。

因此，当一个阀中有两个或者更多晶闸管串联的时候，必须考虑阀内的电压分布问题。

每个晶闸管级有两个并联的RC电路用于正常运行工况下的均压。

电路中元件的电感和布线需经过精心考虑，以保证在阀承受频率很高的陡波头冲击电压时阻尼电路都能连续提供有效的均压。

主RC阻尼电路也用于控制晶闸管开通和关断期间的暂态电压电流应力，此外它们还为每个晶闸管级的门极单元提供电源。

阻尼均压电路中还包括一个直流均压电阻，可以在阀承受单一的直流电压时提供均压作用，也用于门极单元对晶闸管电压的测量。

1.2.1阻尼电阻阻尼电阻是由几个无感厚膜电阻组成的，安装在每个晶闸管级中一个单独的散热器上（如图4-1所示）。

均压电路两个支路的电阻都安装在散热器上。

为了使电阻底座承受的绝缘应力最小，散热器与其中一条电阻支路的电气中点连接。

图4-1 阻尼电阻和散热器组件1.2.2阻尼电容阻尼电容采用自愈式金属化聚丙烯材料、干式无油结构，将故障引发火灾的风险降到最低。

每个电容都安装在一个独立的金属圆筒中，此设计使体积最小。

电容固定在一个独立的支架上，支架与阻尼电阻相邻。

每个晶闸管级的支架安装两个阻尼电容。

图5-1为一个完整阀组件的6个阻尼电容支架的紧凑布置。

图5-1 一个完整阀组件的阻尼电容1.3饱和电抗器饱和电抗器是阀组件的一部分，用于限制晶闸管开通过程初始阶段的di/dt（见图6-1）。

在晶闸管开通的最初几个微秒中，电抗器在小电流下表现出很大的不饱和电感，限制了晶闸管电流的上升率。

晶闸管安全开通后，电抗器为完全饱和状态，电感值很小。

电抗器还提供了足够的阻尼来保护晶闸管，避免振荡涌流过零。

图6-1 饱和电抗器1.4晶闸管门极电路每个晶闸管级都配备了门极电路以提供晶闸管的触发、监视和保护功能。

门极电路根据运行要求提供正常触发信号，并在过电压、高dv/dt和提前恢复时进行保护性触发。

每个晶闸管级的状态都被监视并传送到地电位的VBE柜中，同时VBE也向门极电路发送启动和停止信号。

地电位和门极单元之间的通讯通过光纤实现。

每个晶闸管级有两根光纤，一根“触发”线用于传送启动和停止脉冲，一根“回报”线将晶闸管级的状态信息（晶闸管正常、失效以及正常但依赖独立触发回路）反馈给VBE。

在晶闸管断态期间，每个晶闸管级门极电路的电源来自于本地晶闸管电压。

并联在晶闸管两端的两路RC阻尼回路中的一路会流过容性位移电流对门极电路充电。

在阀两端无电压的情况下，充电回路中有一个足够大的储能电容仍能保持阀正常工作两秒。

自动数据回报系统监视的状态包括但不限于晶闸管状态（正常或短路）以及VBO保护是否重复触发。

收到VBE发出的启动脉冲后，每个晶闸管级的门极电路会发出一个触发脉冲。

晶闸管两端出现正向电压时，门极电路会将选通脉冲联锁。

如果晶闸管在一个启动和停止脉冲之间不导通（例如在断续电流运行工况下），门极电路会监测到正向电压并发出补充脉冲。

这种短脉冲触发系统与“按需脉冲”逻辑相结合，便可产生有效宽度为120°、耗能最少的导通脉冲。

2±660千伏直流换流阀设计技术研究直流输电换流阀设计包含了成套电气设计、机械结构设计、监控保护设计、零部件设计、水路设计及光纤布线设计等。

为实现换流阀在各种运行条件下的高性能和高可靠性，H400换流阀满足以下设计要求：1）阀塔结构采用国际通用的悬吊式、柔性防震结构设计；2）空气绝缘、二重阀（或四重阀）阀塔结构设计；3）标准的晶闸管组件、电抗器组件设计；4）去离子水或纯水/乙二醇混合液的串联/并联冷却系统设计；5）结构布局简单合理，充分考虑了换流阀防火阻燃特性要求；6）换流阀和阀基电子设备之间采用高压光纤实现高低压电隔离，提高抗干扰能力；7）换流阀控制及监控柜采用双冗余设计，提高了可靠性。

H400换流阀的设计不但能够完全满足上述要求，而且在整体设计上遵循“贴近用户、紧跟未来”的设计理念，具有独特的技术优势，达到了更高可靠性和更强的性能：1）可采用更高电压参数晶闸管元件，明显降低晶闸管串联级数，大幅提高换流阀运行可靠性；2）更加紧凑和可靠的多阻尼电路设计，最大程度提高了换流阀的整体可靠性；3）在饱和电抗器（又称阀电抗器、阳极电抗器、di/dt电抗器）设计方面采用了多种先进设计技术和制造工艺，实现了在各种运行工况下（各种冲击电压下，晶闸管组件上动态电压保护，晶闸管组件开通时，开通振荡电流的有效抑制等）更好地保护晶闸管组件，有效降低换流阀噪声，提高饱和电抗器及换流阀整体运行可靠性等目的；4）在动态电压分布特性方面进行了深入的研究，采取多种技术措施，如加装组件电容等，实现动态电压的均匀分布；5）智能化的门极电路设计，完备的屏蔽及抗干扰设计大幅提高了门极电路的性能及可靠性；2.1换流阀的电气设计本工程采用传统的线路换相换流阀，换流阀设计使用5英寸电触发晶闸管，额定电流3030A、额定电压7.2kV，芯片直径125mm。

单个晶闸管元件可以独立承担系统额定电流、过负荷电流及各种暂态冲击电流，不需要并联使用。

晶闸管级的串联数要参考阀避雷器的保护水平确定，在最大设计结温条件下，并考虑所有冗裕晶闸管级数都损坏的极端情况，单阀和多重阀的绝缘应具有以下安全系数：1）对于操作冲击电压，超过避雷器保护水平的10%；2）对于雷电冲击电压，超过避雷器保护水平的10%；3）对于陡波头冲击电压，超过避雷器保护水平的15%。

图3-1和图3-2分别为晶闸管级与阀组件电气原理图。

图3-1 晶闸管级电气原理图图3-2 阀组件电气原理图根据换流阀的电气强度要求及其结构设计，银川东站和青岛站的换流阀参数如下：表1换流阀的技术参数表2.2换流阀的机械设计2.2.1换流阀模块设计1）框架设计阀模块框架是由2根GRP主槽、2根铝侧梁组成的矩形框架及1根铝中心梁构成的基本支撑结构。

3根铝梁除了作为结构件起到支撑作用，还具有多种电气作用，它是阀模块一次电气回路的连接部分，此外3根铝梁分别在两个阀组件两端产生了电容效应，相当于每个阀组件端间并联了一个电容，起到了一定的动态均压作用，尤其是对电压等级比较高、单阀串联模块数比较多的换流阀，进一步改善了动态电压分布。

框架的四角设钢制角支架，除了起到固定阀框架的作用，还作为阀吊装时的承力结构，悬吊结构与角支架采用柔性连接，最大限度保持阀模块免受地震产生机械应力的损坏，同时阻尼机械共振。

2）支撑及连接结构每个阀模块内部由两根特殊设计的方管形交叉梁支撑，是阀内元部件的主要承重结构，同时还增加了框架的强度。

阀内其余的支撑件和紧固件（螺杆和螺母等）都采用GRP材料，起着固定和支撑阀模块内晶闸管组件、饱和电抗器、主水管等换流阀元部件的作用。

一方面达到了机械设计要求，增加了整个支架的强度和韧性，另一方面也满足了阀模块的防火及电气隔离的设计要求。

3）外屏蔽设计模块外屏蔽为铝制材料，用于防止阀模块中电气元部件电位不等、电场分布不均引起的局部放电现象。

屏蔽罩表面设计光洁平整、无毛刺和突出部分，以防止电场集中引起局部放电。

模块屏蔽罩分为管状屏蔽罩和板状屏蔽罩，安装于阀模块的外围，仅阻尼电容侧GRP 主槽外侧没有安装屏蔽罩。

屏蔽罩有效避免了外界电磁干扰的影响，且分别固定在阀层的不同电位点上，从而避免了悬浮电位。

每层两个阀模块无屏蔽的一侧相对布置，这样整个阀层外侧都有屏蔽结构，既可以防止外界的电磁干扰，也能有效屏蔽阀运行中产生的电磁噪声。

4）冷却水管及光纤设计阀塔顶部装有冷却水总管，既有不锈钢水管，又有PEX水管，PEX冷却水总管的进水管和回水管分别与每个阀模块内进水管和出水管相连，进水管位于出水管的外侧。

阀层间的冷却水总管使用柔性防振设计弯曲成圆弧状，同时满足了爬电距离的要求。

阀模块采用串联冷却方式。

冷却水从进水管分多路进入晶闸管、阻尼电阻和饱和电抗器，带走热量后汇集到出水管。

光纤在每层分线后沿GRP主槽走线，分别与该层每个晶闸管门极单元的光纤接口连接。

5）滴水盘设计阀模块专门设置了滴水盘，由工程塑料（ABS或聚碳酸酯）制成，向晶闸管组件的中心倾斜，使泄漏的冷却液按指定的位置流到下一个阀模块，直到流进底部屏蔽罩的滴水盘中。

2.2.2二重阀结构设计图二重阀阀塔外形尺寸图换流阀布置于干燥、低污秽、区域环境可控的阀厅内，阀厅应通风良好，并安装空调，呈微正压以减少灰尘进入。

换流阀主要包括阀模块、屏蔽罩、悬吊支撑结构、阀避雷器等，通过不锈钢（AISI 316）或交联聚乙烯（PEX）冷却水管、管母、光纤等实现与冷却系统、直流输电系统其它一次设备以及二次控制系统的连接。

1）阀塔整体结构阀塔的整体布局不仅考虑了美观和电气设计的需要，而且仔细考虑了许多相关的复杂因素，如爬电距离、绝缘间隙、内部干扰、杂散电感和电容分布、水压要求、重量分布、安装简便性、维护和试验简易性等。

同时，为了实现高可靠性和长期运行，设计方仔细考虑了结构材料和零部件设计，减小了换流阀发生火灾的风险。

阀塔采用模块化及标准化结构设计，主结构使用了强度高、重量轻、导电及导热性能好的铝合金材料，还使用了易于加工、防火阻燃性能好的高强度玻璃增强塑料（GRP）、PEX等合成材料，同时最大限度减少电气和水路连接接头，实现了结构简单、组装方便、可靠性高、便于维护及现场安装等换流阀优化设计目标。

2）阀塔屏蔽结构阀塔顶部和底部都安装了屏蔽罩。

屏蔽罩表面光洁平整、无毛刺和凸出部分，能有效降低静电放电的危险。

屏蔽罩的边缘和棱角按圆弧设计，确保它们在高电压下对地没有火花放电。

屏蔽罩同时也屏蔽了外界对阀内的电磁干扰，使阀塔内部电场分布均匀，隔离了阀塔之间的相互影响。

本工程采用了专为±800kV特高压直流工程开发的顶部和底部屏蔽罩（已经通过型式试验），这种屏蔽罩从外形上改为一体化形式，对屏蔽罩的边缘曲率半径进行了优化，使其具有更好的屏蔽效果，能进一步降低电磁噪声。