高压直流输电换流阀晶闸管试验研究

高压直流输电换流阀晶闸管试验研究

夏鹏侯宇冯育杰金石炜陈兆兴

国网辽宁省电力有限公司检修分公司辽宁鞍山114000

摘要：随着经济社会的发展，我国已成为世界最大的能源消费国，但国内能源生产和能源消费呈现明显的逆向分布，负荷中心主要在东部地区，能源基地主要分布在西部和北部地区。传统以化石能源为主的能源传输方式，受到环境保护、气候变化、运输容量等因素的影响，已经难以为继，为满足大容量、远距离、高效的能源传输需求，建设特高压电网是现阶段最优的选择。

关键词：高压直流输电；换流阀；晶闸管；分析

1导言

为了耐受更高的电压，高压直流输电的换流阀都是由晶闸管级串联组成的；例如贵广直流输电工程中，采用西门子的光控阀，每个换流阀体包含了78个晶闸管级；葛南直流工程中采用的是原BBC的电控阀，每个换流阀体则包含了120个晶闸管级。SVC(StaticVarCompensator)中TCR(ThyristorControlledReactor)或TSC(ThyristorSwitchedCapacitor)阀体，也根据补偿的电压等级和选用晶闸管的耐压等级，由不同数量的晶闸管级串联组成。如下所示为三广直流工程换流阀中晶闸管级电气连接的示意图(不同的阀体可能稍有区别)。

2换流阀晶闸管级原理

高压直流输电换流阀中的每个单阀一般由几十个甚至上百个相同的晶闸管串联构成。每个晶闸管需要并联1个阻尼电路和1个静态均压电路。阻尼电路用来缓冲晶闸管关断电压过冲，并使串联电压线性化分布，解决动态均压问题。在晶闸管关断状态，静态均压电路使晶闸管级间电压分布均匀。每个晶闸管级配备一块TTM板。当换流阀需要触发导通时，VBE通过光纤向晶闸管TTM传输触发脉冲编码，TTM解码后触发晶闸管。TTM为晶闸管提供过电压保护、反向恢复期保护、电流断续保护。在保护动作时，TTM触发晶闸管，实时监测晶闸管状态是否良好，并通过光纤向VBE传输过电压保护动作信息和晶闸管状态信息。TTM工作所需的能量从阻尼电路和静态均压电路获取。当交流系统出现三相对地金属短路时，三相电压降至0V，持续时间至少为0.7s。

3换流阀换流阀晶闸管试验

3.1换流阀晶闸管级电气结构

随着高压直流输电技术的不断成熟，现阶段换流阀多采用12脉动换流器，使用2重阀或4重阀的形式，同时，设备制造厂结合多年生产维护经验，对换流阀采用模块化设计：每个单阀由多个阀模块串联而成，阀模块含有2个阀组件，阀组件则是由多个晶闸管级单元串联形成。其中基本的晶闸管级单元是由晶闸管、晶闸管控制单元（（thy-ristorcontrolunit，简称TCU）、阻尼电路、均压电路及并联在晶闸管阴阳级的散热器构成。晶闸管是晶闸管级的通流元件，由于现在技术成熟，因此不需要并联来增加通流能力，但由于晶闸管是一种四层（P1-N1-P2-N2）三端（A、K、G）的半控功率半导体元件，只具备正向控制导通、反向截止的功能。在晶闸管两端并联着阻尼电路，主要功能是抑制关断时的电压过冲。均压电路则均衡电压分布，避免因为参数差异引起的阻断状态和陡前波状态下的电压分布不均。模块化换流阀多采用光电转换触发方式，通过光纤将阀控系统输出的触发信号传送到每个晶闸管级的TCU中，实现上百个晶闸管的可靠触发，其触发能量和工作电压可由TCU从晶闸管的阴阳两极中耦合取得；同时TCU中还集成了正向保护触发和反向恢复期保护触发，保证晶闸管在上述高压直流输电换流阀晶闸管试验研究非正常工况下能够产生触发脉冲，保护晶闸管免于承受过电压。

3.2换流阀晶闸管试验

高压直流换流阀晶闸管级的试验主要针对组装完成、运行达到一定年限或大修等情况下，对换流阀组件及晶闸管级进行的基础性检验，检查换流阀整体性能是否达到设计性能，阀组件和晶闸管级是否具有足够的电气绝缘性能，各组件的功能是否能在允许的范围内。根据GB/T20992—2007、Q/GDW1168—2013及国内外阀制造厂技术条件，晶闸管级试验主要开展以下几个项目：阻抗试验、短路试验、低电压触发试验、反向恢复期保护触发试验、电流断续试验、正极性冲击试验、负极性冲击试验等。

3.3试验系统

试验时，一般将试验系统集成到一个系统内，称为换流阀功能测试仪（ValveTestElectronics，VTE）。根据试验功能需要，试验系统集成了工频电源、冲击电源和高频电源等电源，通过高压继电器的时序控制完成三者之间的切换；同时，系统内部集成控制模块、通讯模块、输入输出（I/O）接口模块以及系统内部保护模块等。为保证测试仪在升降车上使用及上下吊装，需要对测试仪的外形尺寸、箱体结构有一定要求：一般测试仪需要在下方加装滚轮，顶部加装吊扣；内部元件安排紧凑以便缩小体积和重量；操作界面设计符合人体工学，便于试验人员在升降车上长时间使用。

3.4试验项目及试验原理

试验的项目可以根据试验性能的不同，分为阻抗类试验、触发类试验、保护触发试验和反向阻断试验几类。阻抗试验主要是通过变频电源和直流电源在晶闸管级两端施加不同频率段的电压，测量流过的电流，计算该频率段下电压与电流的比值。对比该计算阻抗与设计值间的相对误差，从而检查出晶闸管两端辅助回路中各元件参数是否满足设计要求、接线是否符合标准。一般为综合考虑系统成本和性能，采用峰值检测的方式来测量电压和电流信号，二者相除得到阻抗。触发类试验主要通过在晶闸管级两端带电的情况下，施加触发信号，看晶闸管是否能够可靠导通；在电流断续时，能否补发脉冲，保持晶闸管持续导通。试验时使用变频电源提供工频电压，通过电阻限制输出的电流大小，电子开关给晶闸管级提供触发指令，对触发相角进行控制。在整个过程中对晶闸管级试品两端电压电流进行检测，导通时，晶闸管处压降近似于零。保护触发试验考验的是晶闸管级单元在运行中，承受正极性或负极性过电压时，TCU能否紧急触发晶闸管，保证过电压不会对元件造成破坏。试验中，工频电源提供晶闸管导通时需要的正向电压和关断时的反向截止电压，冲击电源模拟元件正常工作时遇到的暂态过电压，两种电源的切换由继电器实现。

4结论

基于晶闸管级的换流阀是高压直流输电的核心设备之一，但由于功率元器件故障率在整个系统中较高，为保证直流工程的正常运行，需要在安装完毕后、投运达一定年限后对换流阀的晶闸管单元进行例行试验，以及早发现劣化的晶闸管，进行检修或更换。使用集中式的试验系统，便于放置在升降车上进行作业，对减少技术人员工作量、加快作业进度有很极大帮助，尤其在换流站有限的年检时间内完成所有换流阀晶闸管的例行试验，减少因为漏试造成缺陷隐患。

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