±660 kV直流輸電工程換流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計

廖敏，楊曉楠，欒洪洲，高學(xué)敏

(中國電力科學(xué)研究院，北京市，100192)

0 引言

寧東—山東±660 kV直流輸電工程是世界首個±660 kV電壓等級的直流輸電工程，也是建設(shè)±660 kV電壓等級序列的標(biāo)志性工程［1］。該工程在直流閥廳建設(shè)規(guī)模、單12脈動閥組的容量、單閥晶閘管數(shù)量等方面均創(chuàng)造了直流輸電工程領(lǐng)域新的世界紀(jì)錄，具有重要示范意義。

該工程是國家實(shí)施西電東送的重要輸電通道項(xiàng)目，把黃河上游水電和寧東火電打捆直送山東，對于促進(jìn)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、滿足山東省用電需求有重要作用。工程的投產(chǎn)有利于優(yōu)化配置能源資源、使水火電互補(bǔ)運(yùn)行，可取得顯著的輸電效益和諸多聯(lián)網(wǎng)效益［2-4］。

換流閥是直流輸電工程的核心設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行可靠性要求高，換流閥的設(shè)計性能直接影響整個直流系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行［5］。本文介紹了直流換流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計情況及其特點(diǎn)，并結(jié)合寧東—山東±660 kV直流輸電工程中換流閥的應(yīng)用情況論證了設(shè)計的可靠性和先進(jìn)性。

1 換流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

寧東—山東±660 kV直流輸電工程是雙極直流系統(tǒng)，包括2個完整單極，每個單極每端由1個12脈動換流器構(gòu)成［6-7］。本工程換流閥由中國電力科學(xué)研究院供貨，該換流閥采用了空氣絕緣、水冷卻、懸吊式二重閥結(jié)構(gòu)，6個二重閥組成1個12脈動換流器。

該換流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計以電氣設(shè)計為基礎(chǔ)，綜合考慮了機(jī)械強(qiáng)度的要求、過電壓與絕緣配合、關(guān)鍵器件的合理布局和散熱性能、水冷系統(tǒng)的良好配合以及換流閥的防火和抗震要求，將換流閥的各個組成部分及元器件整合在一起，具有低損耗、安裝快捷、維護(hù)方便等特點(diǎn)，有效保證了換流閥和整個直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及安全性。

2 閥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 閥塔結(jié)構(gòu)概述

閥塔主要由閥模塊、屏蔽罩、懸吊支撐結(jié)構(gòu)、閥避雷器等元部件組裝而成，通過冷卻水管、管母、光纖等實(shí)現(xiàn)與冷卻系統(tǒng)、直流輸電系統(tǒng)其他一次設(shè)備及二次控制系統(tǒng)的連接。

閥塔的整體布局在力求美觀和滿足電氣設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，綜合考慮了各種相關(guān)的復(fù)雜因素，如爬電距離、絕緣間隙、內(nèi)部干擾、雜散電感和電容分布、水壓要求、重量分布、安裝簡便性、維護(hù)和試驗(yàn)簡易性等。同時，為了確保高可靠性和長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，對結(jié)構(gòu)材料選擇和零部件設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，以降低換流閥故障后發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險。

閥塔采用模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)度高、重量輕、導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能好的鋁合金材料，并使用了易于加工、防火阻燃性能好的高強(qiáng)度玻璃增強(qiáng)塑料(glass reinforced plastic，GRP)、交聯(lián)聚乙烯(crosslinked polyethylene，PEX)等合成材料，同時最大限度減少電氣和水路連接接頭，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單、組裝方便、可靠性高、便于維護(hù)及現(xiàn)場安裝等優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。

換流閥的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 換流閥的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Key param eters for converter valve structure

2.2 閥塔屏蔽結(jié)構(gòu)

閥塔頂部和底部都安裝了屏蔽罩，以屏蔽外界對閥內(nèi)的電磁干擾，使閥塔內(nèi)部電場分布均勻，并且隔離閥塔之間的相互影響。

本工程首次采用了為±800 kV特高壓直流工程開發(fā)的頂部和底部屏蔽罩［8］，該屏蔽罩外形為一體化形式，對屏蔽罩的邊緣曲率半徑進(jìn)行了優(yōu)化，使其具有更好的屏蔽效果，進(jìn)一步降低電磁噪聲。同時該屏蔽罩設(shè)計可以有效增加閥端對地電容，均化閥端對地電場分布，改善沖擊電壓對閥端沖擊及沖擊電壓在整個閥塔的分布。屏蔽罩表面光潔平整、無毛刺和凸出部分，有效降低靜電放電的危險；邊緣和棱角按圓弧設(shè)計，確保它們在高電壓下對地沒有火花放電。

此外，底層屏蔽罩還裝有集水裝置及漏水檢測裝置，用以檢測整個閥塔的漏水情況。

2.3 閥塔懸吊及支撐結(jié)構(gòu)

懸吊部分采用標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合絕緣子和花籃螺栓將閥塔和避雷器懸掛于閥廳頂部的鋼梁上，為便于安裝，閥塔的懸吊高低位置可以通過調(diào)節(jié)花籃螺栓來調(diào)整。

閥頂部懸吊絕緣子的選擇與主回路的結(jié)構(gòu)有關(guān)，根據(jù)換流站主接線圖，閥頂部懸吊絕緣子需要耐受對應(yīng)直流母線上的最大基本絕緣水平值(basic insulation level，BIL)。

懸吊結(jié)構(gòu)與閥模塊采用柔性連接設(shè)計，使每個閥層可在水平方向上擺動。閥頂部的懸吊結(jié)構(gòu)除了能夠承受閥體的自重外，還能夠承受垂直方向的拉力，并且留出了很大的裕度，這種設(shè)計使換流閥能承受靜態(tài)和動態(tài)載荷，滿足工程抗震等級要求。

閥頂部懸吊絕緣子和閥層之間絕緣子的關(guān)鍵參數(shù)見表2和表3。

表2 頂部絕緣子的關(guān)鍵參數(shù)Tab.2 Key parameters for top insulators

表3 閥層之間絕緣子的關(guān)鍵參數(shù)Tab.3 Key parameters for inter-tier insulators kN

2.4 閥避雷器

閥避雷器通過懸吊絕緣子懸吊于閥塔外側(cè)。每個二重閥對應(yīng)串聯(lián)連接的2只閥避雷器，通過管母和金具與每個單閥并聯(lián)連接，形成柔性連接系統(tǒng)，從而滿足機(jī)械應(yīng)力及抗震設(shè)計的要求。

2.5 閥塔絕緣設(shè)計和模塊連接

閥層間距設(shè)計綜合考慮了交流、直流、沖擊電壓下的空氣間隙要求，以及交流、直流電壓下的局部放電要求，從而設(shè)計了合理的空氣間隙和爬電距離。

閥塔主體結(jié)構(gòu)采用對稱設(shè)計，有效減少了連接管母或母排的類型和數(shù)量，結(jié)構(gòu)更加簡單。層內(nèi)及層間利用鋁制管母連接閥模塊。

光纖槽固定在閥塔頂部并分2路垂直進(jìn)入閥內(nèi)。光纖槽采用圓弧型設(shè)計保證不同的電壓水平之間的光纖滿足絕緣要求，并有足夠的爬電距離，同時這種柔性設(shè)計有效隔離了振動時的相互影響，保證在各種應(yīng)力下光纖不會斷裂。

3 閥模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 閥模塊結(jié)構(gòu)概述

從機(jī)械結(jié)構(gòu)上，換流閥的基本構(gòu)成單元為閥模塊。電氣上閥模塊可以作為1個完整單閥來使用，只是在耐受電壓上作為整個閥塔的一部分。根據(jù)電壓等級的高低，多個閥模塊串聯(lián)連接可以滿足不同直流輸電方案的要求。閥模塊由2個閥組件組成，每個閥組件由多個串聯(lián)的晶閘管級與飽和電抗器串聯(lián)而成。每個晶閘管級包括了晶閘管、阻尼電容、阻尼電阻和門極單元等。閥模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮以下幾個方面：(1)元器件之間的過電壓絕緣配合；(2)可靠的機(jī)械強(qiáng)度、關(guān)鍵器件的良好散熱和合理布局；(3)元器件之間電氣接線的可操作性和可靠性；(4)同時考慮防火設(shè)計和電磁兼容要求。

3.2 閥模塊零部件設(shè)計和選型

3.2.1 晶閘管壓裝結(jié)構(gòu)

每個晶閘管壓裝結(jié)構(gòu)是由多個晶閘管元件及其散熱器通過專用的安裝工具壓裝在一起的，并通過GRP繃帶固定，既可以保證良好的電氣性能和導(dǎo)熱性能，還能有效降低運(yùn)行時產(chǎn)生的噪聲。散熱器與晶閘管的接觸面使用高導(dǎo)熱性材料，雖然為多層結(jié)構(gòu)，仍能保證很好的熱接觸。GRP繃帶具有足夠的絕緣強(qiáng)度，能承受閥關(guān)斷期間的電壓應(yīng)力。這種壓裝結(jié)構(gòu)使得在不需斷開電氣連接及冷卻水管路連接的情況下，通過專用工具就可以輕松地更換損壞的晶閘管元件，迅速完成直流換流閥維護(hù)期間的維修任務(wù)。

3.2.2 飽和電抗器

飽和電抗器組件采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計，線圈采用鋁管繞制而成，兩端焊接鋁排，線圈外部澆注了環(huán)氧樹脂，線圈外側(cè)套裝了多個環(huán)形鐵心。電抗器鐵心的振動是閥運(yùn)行中主要的噪聲源，為此，在降低電抗器運(yùn)行噪聲方面做了精心的設(shè)計。電抗器鐵心通過鐵心夾緊結(jié)構(gòu)即鋼制夾具固定，再利用螺栓施加足夠的夾緊力，有效限制了電抗器鐵心的機(jī)械振動，降低了機(jī)械噪聲。這種結(jié)構(gòu)的鋼制夾具具有很強(qiáng)的抗疲勞性，使用壽命長，不容易發(fā)生夾緊結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂。

電抗器為主要發(fā)熱元件，電抗器鐵心的損耗通過環(huán)氧樹脂和管型線圈導(dǎo)熱，最后由流經(jīng)空心繞組的冷卻水帶走，確保鐵心任何情況下都能得到充分冷卻，從而保證在各種運(yùn)行工況下電抗器鐵心溫度不超過110℃。

3.2.3 阻尼電容、阻尼電阻和直流均壓電阻

阻尼電阻采用間接冷卻的方式進(jìn)行散熱。每個晶閘管級的阻尼電阻由多個無感電阻器通過串并聯(lián)組成，即使某個電阻損壞，對阻尼電阻的整體阻值影響不大，提高了可靠性。這些電阻固定在1個較大的鋁質(zhì)水冷散熱器上，這種設(shè)計大大增加了散熱面積，改善了散熱效果，同時又可以減小電阻通流時的機(jī)械振動，降低噪聲。阻尼電容采用自愈式金屬化聚丙烯電容，為干式無油結(jié)構(gòu)，減小了發(fā)生著火事故的風(fēng)險。為了減小阻尼電容的體積，將每個阻尼電容放在管狀安裝支架上。直流均壓電阻采用模塊化電阻，直接固定在晶閘管的散熱器上，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。

3.3 閥模塊框架設(shè)計

閥模塊框架是由2個槽形的GRP側(cè)梁、2個端部鋁板及1個中心梁構(gòu)成的矩形框架支撐結(jié)構(gòu)。GRP側(cè)梁和端部鋁板通過4個鋁合金角連接部件固定，整個框架的設(shè)計既考慮閥模塊元器件承載的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又考慮了組裝和維護(hù)的可操作性。

閥模塊內(nèi)部由2根特殊設(shè)計的方管形鋁制交叉梁支撐，是閥內(nèi)元部件的主要承重結(jié)構(gòu)，同時還增加了框架的強(qiáng)度，與中心梁一起構(gòu)成了晶閘管壓裝結(jié)構(gòu)、飽和電抗器、阻尼電阻、阻尼電容和門極單元的支撐框架。閥模塊內(nèi)其余的支撐件和緊固件都為GRP材料，起著固定和支撐元部件的作用，達(dá)到了機(jī)械設(shè)計要求，增加了整個框架的強(qiáng)度和韌性。

3.4 閥模塊外屏蔽設(shè)計

模塊外屏蔽為鋁制材料，用于防止閥模塊中電氣元部件電位不等、電場分布不均引起的局部放電現(xiàn)象，同時有效避免了外界電磁干擾的影響。

針對本工程電壓等級高、電磁輻射較強(qiáng)及容易產(chǎn)生局部放電的特點(diǎn)，對模塊屏蔽罩進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，用管狀屏蔽罩替代了部分板狀屏蔽罩。閥模塊端部與門極側(cè)靠近端部的屏蔽罩做成了整體設(shè)計，并由原來板狀屏蔽罩改為管狀屏蔽罩，增加了屏蔽層有效厚度，可以有效地改善閥模塊內(nèi)部和外部的電場分布，避免電暈放電、產(chǎn)生電磁干擾，保證換流閥的正常運(yùn)行。每層2個閥模塊無屏蔽的一側(cè)相對布置，這樣整個閥層外側(cè)都有屏蔽結(jié)構(gòu)，既可以防止外界的電磁干擾，也能有效屏蔽閥運(yùn)行中產(chǎn)生的電磁噪聲。

3.5 閥模塊水路設(shè)計

閥模塊內(nèi)的2個閥組件都具有獨(dú)立的冷卻回路。閥組件的冷卻回路是由3個彼此獨(dú)立的冷卻支路并聯(lián)組成的，各冷卻支路的連接采用串聯(lián)方式。閥組件的冷卻水路原理見圖1。

晶閘管散熱器、阻尼電阻散熱器和飽和電抗器之間通過較小口徑的軟管連接起來。軟管的接頭上配有O型密封圈，水管接頭與散熱器采用螺紋連接，并安裝有止動片，防止運(yùn)行中水管固定螺母由于振動而松脫。

所有與冷卻介質(zhì)接觸的材料都應(yīng)考慮到保持冷卻介質(zhì)高純度和低電導(dǎo)率的要求。組件中與水路接觸的材料選擇如下：

圖1 閥組件冷卻水路原理圖Fig.1 Shematic diagram of cooling water channel for valve section

(1)用于閥模塊內(nèi)水流分配的主水管為316或316L不銹鋼；

(2)晶閘管散熱器為高導(dǎo)熱率鋁合金材料(低含銅量)；

(3)冷卻水管內(nèi)的密封 O型圈為 EPDM (ethylene-propylene-dienemonomer)橡膠；

(4)水管材料為PEX或PVDF(polyvinylidene fluoride)材料。

由于冷卻水路要流過不同位置、有著不同電位的金屬件，不同電位的金屬件之間的水路有可能產(chǎn)生電流，并使金屬件受到電解腐蝕。因此，在每個散熱器的進(jìn)出口都安裝了316不銹鋼電極，以避免電流流入鋁散熱器的表面造成腐蝕。

3.6 集水裝置設(shè)計

為了收集泄漏的冷卻劑，并防止其濺漏到其他模塊，每個閥模塊都配有1個集水裝置，即滴水盤，由工程塑料制成。滴水盤安裝在閥模塊底部，并向模塊的中心傾斜，使泄漏的冷卻液按指定的位置流到下一層閥模塊的滴水盤內(nèi)，直到流入底屏蔽罩的滴水盤中。

4 換流閥防火設(shè)計

換流閥長期運(yùn)行于高電壓、大電流工況下，任何元器件的故障或電氣連接不良都可能導(dǎo)致局部過熱、絕緣破壞，產(chǎn)生電弧或引起失火［9］。

本工程換流閥在防火阻燃設(shè)計方面做了大量的工作，使用了新型材料并在材料樣品和組件上都進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)，滿足技術(shù)規(guī)范的要求。

換流閥中所有暴露于空氣中的質(zhì)量超過25 g的材料和元件都具有自熄和阻燃特性，在水平和垂直兩個方向的阻燃性都達(dá)到了阻燃材料標(biāo)準(zhǔn)垂直較高阻燃等級UL94V－0的要求。阻尼電容為無油設(shè)計并采用阻燃樹脂填充，冷卻系統(tǒng)的PEX水管和光纖也都具有阻燃性。

換流閥防火設(shè)計中還考慮到盡量減少電氣連接點(diǎn)的數(shù)量，在能夠采用焊接連接的地方盡量采用焊接方式，減少螺釘連接的數(shù)量，避免因螺釘連接不牢固而產(chǎn)生放電引起火災(zāi)。

在設(shè)計中對于引起火災(zāi)的可能性也給予了充分考慮。所有元件額定值的選擇都要從熱性能(減小過熱的風(fēng)險)和電氣性能兩方面考慮。晶閘管并聯(lián)元件額定電壓的設(shè)計均大于晶閘管的額定電壓值。

作為輔助的安全措施，模塊框架及滴漏盤也被設(shè)計為1道屏障，阻止火災(zāi)沿水平及豎直方向向單個閥組件蔓延。

5 抗震設(shè)計

直流換流閥建設(shè)要求能夠抗7級地震，銀川東換流站和青島換流站的設(shè)計地震水平加速度分別為0.2和0.1 g，垂直加速度按水平加速度的65％考慮，換流閥結(jié)構(gòu)阻尼為2％［6-7］。

換流閥物理尺寸較為龐大，為了達(dá)到抗震要求，閥塔采用懸吊系統(tǒng)，并將其作為1個柔性系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計，同時盡可能對結(jié)構(gòu)設(shè)計的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

在具體的換流閥抗震設(shè)計中，綜合考慮了地震加速度大小、自振頻率以及結(jié)構(gòu)位移變化的影響。采用避震設(shè)計避免發(fā)生共振或采用隔震設(shè)計的方式分離頻率來隔離共振，并盡可能在設(shè)計中采用吸能結(jié)構(gòu)用于增加振動能量消耗，從而起到減小地震對換流閥的影響。

換流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將閥模塊、頂/底屏蔽罩通過絕緣子機(jī)械地串接在一起，組成1個水平方向可擺動的靈活鉸接結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是一種避震設(shè)計，可以滿足抗震要求。

閥塔的每層間均采用柔性的螺栓鉸接連接，螺栓有一定的旋轉(zhuǎn)剛度。這樣的布置有利于整個閥塔結(jié)構(gòu)避開地震動和閥廳的峰值頻率(1.1～8.0 Hz之間)，而且可以有效地增大連接件的吸能能力，降低地震對結(jié)構(gòu)影響，降低最大位移、應(yīng)力的值。

針對本工程的抗震要求，對換流閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析，分析結(jié)果表明本工程使用的換流閥能滿足抗震要求。

(1)靜態(tài)安全系數(shù)。由于采用懸吊式二重閥設(shè)計，絕緣子的機(jī)械應(yīng)力與其下面模塊的層數(shù)成正比，故最頂層絕緣子受力最大。在閥的抗震設(shè)計中，僅對頂層的絕緣子受力進(jìn)行分析計算，頂層絕緣子機(jī)械強(qiáng)度如表4所示。

表4 頂層絕緣子機(jī)械強(qiáng)度Tab.4 M echanical strength of top insulators

震動負(fù)荷：滿足標(biāo)準(zhǔn) IEEE 693—2005的規(guī)定［10］，符合上述耐地震能力要求。

(2)動態(tài)安全系數(shù)。按照有限元分析的方法，首先對閥塔中各個零部件材料、密度、彈性模量等參數(shù)進(jìn)行定義，然后將整個換流閥塔進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，得到換流閥閥塔的有限元模型，如圖2所示。

圖2 銀川東站閥塔有限元模型Fig.2 FEA model of valve tower in Yinchuandong station

得到閥塔的有限元模型后，施加邊界條件和約束，對其進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到閥塔結(jié)構(gòu)各階模態(tài)頻率，以及各階模態(tài)下?lián)Q流閥的各個零部件的位移云圖或應(yīng)力云圖。在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上對閥塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，可以得到各個零部件在該地震條件下所承受的最大位移和最大應(yīng)力。這樣就可以計算出在地震條件下的動態(tài)安全系數(shù)。

按照上述方法，通過ANSYS有限元分析得出的動態(tài)安全系數(shù)，完全滿足IEEE 693—2005的規(guī)定［10］。

6 結(jié)語

本文介紹了寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程換流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括各個部分的組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)和功能作用。本工程換流閥結(jié)構(gòu)簡單、組裝方便、可靠性高、便于維護(hù)及現(xiàn)場安裝。該換流閥順利通過了型式試驗(yàn)考核，工程極1換流閥已經(jīng)于2010年11月28日正式投入商業(yè)運(yùn)行，充分驗(yàn)證了設(shè)計的先進(jìn)性和可靠性。

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