试验技术论文：阀例行试验方法在工程中的运用研讨

本文作者：查鲲鹏、周万迪、高冲、王华峰、魏晓光、汤广福 单位：国网智能电网研究院

高压直流换流阀及其例行试验

高压直流换流阀基本单元为12脉动换流器，采用2重阀或者4重阀结构。单阀由阀模块串联组成，每个阀模块包含2个阀组件，每个阀组件由多个晶闸管及其辅助回路串联组成。各晶闸管两端并联有均压电路保障电压均衡，阴阳级与散热器相连传导其因损耗而产生的热量，还配有电子电路提供触发脉冲和必要保护，晶闸管及其辅助回路构成1个晶闸管级，如图1所示。散热器电子电路均压电路R2C1散热器R1图1换流阀晶闸管级Fig.1Thyristorlevelofaconvertervalve高压直流换流阀例行试验是一种基础性检验，其试验对象为组装完成的换流阀组件及各晶闸管级，其试验目的为检验阀整体安装以及组件性能是否符合设计要求，其检验任务包括如下4个方面：1）阀中所用的所有部件和子设备已按照设计正确安装；2）阀设备预期的功能和预定的参数都处在规定的验收范围内；3）阀组件和晶闸管级（适当的）有足够的电压耐受能力；4）产品性能具备相容性和一致性。

阀例行试验方法研究

换流阀中所用开关器件晶闸管，并不是一个绝对理想开关，施加到其两端的电气应力影响着换流阀运行，其运行状态有开通、关断、通态、断态4种。开通和关断这2种状态主要反映了阀运行中晶闸管的动态性能，如开通时刻的电流上升率和关断时刻的反向电压上升率，这些应力需要在阀运行试验中重点研究。而本文研究的例行试验关注的是阀装配完成后的静态特性，需要重点研究阀在通态和断态这2种状态下的电气应力。当阀处于通态时，需要重点关注的是阀的电流应力。由于晶闸管并非理想开关，其两端存在通态压降，导致了晶闸管损耗的产生。当由故障引发的过电流流过晶闸管时，会使晶闸管结温迅速升高，而过高的结温会使得晶闸管丧失阻断电压的能力。因此，需要配备合适的水冷系统，使得水冷系统的散热功率与阀稳态损耗功率相等，使阀处于热平衡状态限制晶闸管稳态结温，以确保即使出现最严重过流之后，阀仍不丧失其电压阻断能力。换流阀输出直流是存在纹波的，当阀中流过较小的电流时，会发生电流断续现象。电流断续不仅会对系统运行造成影响，而且其造成的暂态过电压还可能损坏晶闸管，需要阀电子电路提供相应保护使得晶闸管能够安全开通。直流系统中阀电流每周期的脉动数为4，发生电流断续的次数最多为3次。在阀断态时，将会承受正、反向电压应力。对于阀设计要求范围内的电压应力，换流阀需要具备耐受能力。换流阀交流侧出现最大稳态空载线电压时，在阀晶闸管两端产生最大的交流稳态电压应力，晶闸管级需要能长期耐受这种电压应力而且局放值应在符合工程寿命要求范围内。在此基础上换流阀运行于90工况且考虑反向过冲，会在阀晶闸管两端形成最大的交流暂态电压应力，晶闸管级需要具备耐受此种电压应力的能力。对于超过设计要求的电压应力，需对阀提供相应的保护。阀的反向保护通过阀避雷器来实现,一般情况下，阀要能够承受住比避雷器保护水平高出15%的操作冲击波。阀的正向保护通过阀电子电路提供，动作水平接近于晶闸管的正向断态重复峰值。阀在反向恢复期内，对正向电压冲击耐受的能力较弱，同样需要阀电子电路提供相应的保护。由于串联的各晶闸管元件不可避免地存在差异，需要选择合适的均压电路参数尽量降低阀内电压的分散性和抑制电压过冲。均压电路上的电压应力与晶闸管上的电压应力相同，考虑到长期运行，以及会经历许多正常和非正常工作状况，对阻尼电阻R1的功率性能提出了较高的要求。在开通情况下出现过压保护以50Hz重复动作时，阻尼电阻消耗最大的脉冲功率。还需要保证均压电路能够承受在极限值以内的电气应力[6-7]。

为保障晶闸管两端出现超过其设计承受的过电压、在反向恢复期内遭受正向冲击和通态电流发生断续时能够被正确触发，需要对其电子电路进行相关试验。要求试验动作电压不得大于晶闸管的正向断态重复峰值，模拟电流断续现象不低于3次。为保障晶闸管级能够长期承受交流系统施加于其两端的电压应力，需要对阀晶闸管级开展交流耐压和局放试验。要求晶闸管级能够耐受的电压不低于实际最大的交流暂态电压，并且在承受实际最大的交流稳态电压时，局部放电值在实际工程允许范围内。为保障换流阀晶闸管级单元在串联压装时结构紧凑和水冷系统组装的正确性，需要对换流阀阀组件开展热运行试验，使其在一定幅值的通态电流下稳定运行。要求在试验中能够复现晶闸管稳态运行时的结温，为节省试验设备容量，可在试验前对阀加热使其结温或接近于稳态温度。为保障阀对操作冲击电压的耐受性、阀内各晶闸管级两端的电压均衡性和保护触发时动作的一致性，需要对换流阀阀组件开展操作冲击试验。要求阀不动作时施加操作电压峰值应高于其操作保护水平的15%。为保障均压电路能够正常发挥其作用，需要对其中阻尼电阻开展高压重复触发试验，通过对均压电路电容C1重复充放电模拟阀运行中电阻工况。要求试验中电阻产生的功率损耗应不低于实际中的损耗。为保障冷却回路安装的可靠性，需要对其开展过水压试验。要求施加压力以厂家提供水管材料为依据，施加时间不低于1h。表1为标准IEC60700-1[3]提出的阀例行试验检验任务和本文提出的阀例行试验项目。表1中所列试验项目不仅涵盖了标准要求的全部检验任务，而且更为严格，其中热运行和高压重复触发这2项试验是对标准要求检验任务作出的补充。这些试验目的能够更为全面地考察换流阀组装及组件性能。

阀例行试验可按如下顺序开展，依次为阀电子电路功能试验、过水压试验、耐压局放试验、高压重复试验、热运行试验和操作冲击试验[8-16]。阀电子电路功能试验电路如图2所示，交流电源为试品提供正常触发电压，冲击电压发生器为试品提供正向冲击，电力电子开关回路能够强制性截止试品通态电流，这3部分按照一定控制时序投入运行。过水压试验通过水泵向阀模块打压即可，较为简单。交流耐压局放试验电路如图3所示，耐压试验电压高，可先进行耐压试验后降压进行局放测试，为保证试验的准确性，应尽量在没有电磁或噪音干扰下进行该项试验。热运行试验电路如图4所示，将2个阀组件反并联连接于交流电源两端，并在各晶闸管阳极与门极间串联小电阻，使得晶闸管在低电压情况下实现开通。2个阀组件分别在电源正、负半波流过试验电流。试验前需要对冷却水进行加热。高压重复触发试验电路如图5所示，直流电源对电容充电提供电路工作电源，经逆变升压后在整流输出恒定电流对试品充电。通过控制电源电路与试品电路的充放电时序，使得试验重复进行。操作冲击试验电路如图6所示，依据试验要求操作冲击试验需要开展2次，分别使得试品晶闸管导通和不导通。

阀例行试验方法在工程中的应用

锦屏—苏南800kV直流工程是我国首个采用自主研制换流阀特高压直流工程，依托此项工程，开发阀例行试验成套装备，将所研究阀例行试验方法付诸实践，根据所提试验电路和试验方案，开展阀例行试验，部分试验波形如图7所示。图7所示波形中发生电流断续4次，晶闸管均被正确触发。在反向恢复期间，对晶闸管施加正向冲击，晶闸管被正确触发(如图8所示)，有效检验了阀电子电路功能。热运行试验中经测量各级晶闸管阴阳级温度均稳定在60左右，且根据试验电流幅值可以估算出晶闸管结温接近运行稳态结温75，满足试验要求(如图9所示)。高压重复重复触发试验通过对均压回路中电容进行充电，在晶闸管过压保护动作后停止充电，电容储存能量被均压回路中阻尼电阻R1消耗，放电结束后又重新恢复充电。试验频率为130Hz时，电阻消耗功率即超过实际运行中消耗的功率(如图10所示)。图11给出了操作冲击试验中晶闸管阀保护动作的试验波形，依据施加波形幅值阀动作正确，有效地反映了阀段内电压的均衡性和保护动作的一致性。通过上述试验结果分析，所进行各项试验均满足试验要求，阀例行试验得到有效开展，验证了所研究阀例行试验方法的正确性。

结论

本文调研了高压直流换流阀例行试验技术的现状，指出了进行全面试验的必要性，开展了例行试验方法研究：1）研究了试验对象的组成包括组成元件的基本功能，与标准IEC60700-1关于阀例行试验检验任务。2）分析了换流阀在通态和断态下的电压、电流和热应力，以此为依据并结合标准要求提出了阀例行试验项目和相关试验要求。3）建立了阀例行试验的合理流程，给出了阀试验电路和试验方案，并投入锦苏特高压直流工程中应用，通过实际试验验证了所研究方法的正确性和合理性。