±660 kV直流輸電工程換流閥絕緣試驗研究

彭玲，楊曉楠，王高勇，周軍川

(中國電力科學(xué)研究院，北京市，100192)

0 引言

國家電網(wǎng)公司于2008年11月以公開招標(biāo)的方式對寧東—山東±660 kV直流輸電工程換流站主設(shè)備之一換流閥進(jìn)行招標(biāo)，最終確定中國電力科學(xué)研究院(以下簡稱中國電科院)為工程兩端換流閥設(shè)備供貨商，并于2009年2月與之簽訂采購合同［1-2］。

由于高壓直流輸電換流閥在電力系統(tǒng)中的運行工況極為復(fù)雜，為了提高其安全可靠性，需對其進(jìn)行深入細(xì)致的試驗研究。國際電工委員會(IEC)提出了直流輸電換流閥的試驗標(biāo)準(zhǔn)IEC 60700－1，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了針對高壓直流輸電換流閥可采取的試驗手段，型式試驗分為絕緣試驗和運行試驗，其中絕緣試驗針對閥對地、閥端間和閥相間的絕緣進(jìn)行，包括交、直流耐壓試驗，沖擊電壓試驗和局部放電試驗；運行試驗是模擬閥實際運行工況的試驗方式，它包括周期觸發(fā)和熄滅試驗、保護(hù)觸發(fā)連續(xù)動作試驗、短路電流試驗等一系列試驗。這些試驗項目的有效實施對保證換流閥在實際工況中的無故障運行具有重要意義［3-6］。

針對本工程直流系統(tǒng)拓?fù)浜蛥?shù)設(shè)計［7-8］，對換流閥絕緣試驗方案進(jìn)行了詳細(xì)研究，并進(jìn)行了參數(shù)核算，發(fā)現(xiàn)換流閥絕緣試驗存在以下技術(shù)難點：

(1)修正系數(shù)的確定。

(2)多重閥絕緣試驗中等效負(fù)載保護(hù)方案確定以及電源裝置的隔離和保護(hù)方案確定。

(3)單閥絕緣試驗中試品閥加熱方案的確定［9］。

(4)單閥非周期觸發(fā)試驗方案的確定。

由于本工程兩端換流站換流閥均由中國電科院供貨，且兩端換流閥設(shè)計思路和結(jié)構(gòu)形式完全相同，為了提高工作效率、促進(jìn)工程進(jìn)度，決定僅對銀川東站換流閥進(jìn)行型式試驗，但試驗參數(shù)按兩端換流站換流閥更高應(yīng)力執(zhí)行［10］。本文將全面介紹本工程換流閥絕緣試驗各試驗項目和實際試驗參數(shù)，重點介紹試驗難點和解決方案。

1 試品閥總體結(jié)構(gòu)

銀川東換流站換流閥采用空氣絕緣、水冷卻、懸吊式二重閥塔結(jié)構(gòu)，試品閥塔見圖1。

二重閥是將2個單閥串聯(lián)連接，結(jié)構(gòu)上形成1個閥塔。每個單閥包括10個閥模塊，由111個晶閘管級組成(包括4個冗余晶閘管級)，布置在20個閥組件中，其中11個閥組件含6個晶閘管級和1個飽和電抗器，另外9個閥組件含5個晶閘管級和1個飽和電抗器。

圖1 銀川東站型式試驗試品閥Fig.1 Sample valve of type test for Yinchuandong Station

2 試驗判據(jù)

任何1項試驗期間都不允許有1個以上的晶閘管級發(fā)生短路，如果有1個以上的晶閘管級發(fā)生短路，則認(rèn)為試品未通過該項型式試驗。

如果型式試驗期間有1個晶閘管級發(fā)生短路，應(yīng)當(dāng)修復(fù)該故障晶閘管級以繼續(xù)進(jìn)行型式試驗。

不允許發(fā)生閥外部閃絡(luò)，與閥互聯(lián)的公共電氣設(shè)備不允許被擊穿，閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)不允許被擊穿，構(gòu)成脈沖傳輸及分配系統(tǒng)一部分的絕緣材料不允許有破壞性放電。

在所有型式試驗期間，短路的晶閘管級數(shù)量累計不得大于3個晶閘管級。如果在所有型式試驗期間累計有3個以上的晶閘管級短路，則認(rèn)為試品未通過型式試驗。

型式試驗結(jié)束后應(yīng)對所有晶閘管級重復(fù)進(jìn)行《閥模塊例行試驗規(guī)范》第3.1節(jié)規(guī)定的功能性(VTE)試驗［11］，重復(fù)例行試驗期間發(fā)生的晶閘管級短路應(yīng)計入型式試驗判據(jù)。

在型式試驗期間發(fā)現(xiàn)的未導(dǎo)致晶閘管級短路的故障應(yīng)得到清除，以繼續(xù)進(jìn)行型式試驗。通常應(yīng)由閥數(shù)據(jù)回報系統(tǒng)監(jiān)測閥故障。如果在型式試驗或隨后的例行試驗期間發(fā)現(xiàn)有3個以上的晶閘管級存在未導(dǎo)致晶閘管短路的故障或缺陷，那么應(yīng)分析故障的數(shù)量和分布情況以決定發(fā)生的故障是系統(tǒng)的還是隨機(jī)的。

3 絕緣試驗

在確定絕緣試驗電壓參數(shù)時，首先需要確定修正系數(shù)，修正系數(shù)K是海拔修正系數(shù)Ka與溫度修正系數(shù)Kt的乘積。

根據(jù)業(yè)主要求并參考文獻(xiàn)［12］，最終參照標(biāo)準(zhǔn)IEC 60071－2確定海拔修正系數(shù)［13］

式中：H為換流站現(xiàn)場的海拔，本工程銀川東換流站取1 235 m；m值對雷電沖擊和工頻電壓取1，對操作沖擊進(jìn)行修正時，m為操作沖擊耐受電壓的函數(shù)。

根據(jù)業(yè)主要求并參考文獻(xiàn)［14］，最終確定溫度修正系數(shù)

式中t為閥廳最高溫度，本工程取60℃。

交、直流耐壓試驗中的局部放電測量遵照標(biāo)準(zhǔn)IEC 60270進(jìn)行。交流耐壓試驗局部放電測量應(yīng)注意上述標(biāo)準(zhǔn)定義的用于確定局部放電脈沖幅值的測量儀器特性，以及用于排除與試驗對象無關(guān)的放電脈沖的方法。每個晶閘管級門極電子電路取能單元消弧電路產(chǎn)生的電子噪聲都會被局部放電測試儀記錄，因此測量儀器應(yīng)采用時間窗門，在每個周期中取能單元產(chǎn)生電子噪聲時關(guān)閉時間窗門以排除這些電子噪聲。如果測試儀不帶時間窗門，則應(yīng)區(qū)別并不計這些電子噪聲。

3.1 閥支架絕緣試驗

在考慮了修正系數(shù)后，閥支架絕緣試驗參數(shù)如表1所示。

表1 閥支架絕緣試驗參數(shù)Tab.1 Insulation test parameters of valve support

3.2 多重閥絕緣試驗

按照換流閥技術(shù)協(xié)議的要求，多重閥絕緣試驗時，在被試多重閥周圍應(yīng)安裝接地屏蔽(也稱為地電位面)，以模擬鄰近建筑中鋼結(jié)構(gòu)、接地網(wǎng)以及其他結(jié)構(gòu)對被試多重閥對地雜散電容的影響。根據(jù)本工程閥廳設(shè)計，二重閥塔對地距離達(dá)到10 m以上。為了確保換流閥出廠質(zhì)量，以及其在工程現(xiàn)場布置條件下可靠運行，采取了更嚴(yán)苛的試驗條件，所設(shè)置的地電位面與多重閥最外側(cè)的距離為8.5 m，雖然增加了試品對地閃絡(luò)的概率，但試品閥耐受住了考驗。

多重閥絕緣試驗的冷卻條件如下：流量1 250 L/min，±10％；入水溫度為25℃，±5℃；冷卻介質(zhì)為純水；電導(dǎo)率大于0.525μS/cm(45℃)，但不超過1μS/cm。

在考慮了修正系數(shù)后，多重閥絕緣試驗參數(shù)如表2所示。

表2 多重閥絕緣試驗參數(shù)Tab.2 Insulation test parameters of multiple valve unit(M VU)

3.2.1 試驗難點1

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60700－1，多重閥試驗要求針對完整四重閥進(jìn)行，但當(dāng)直流工程電壓達(dá)到500 kV及以上時，一般實驗室由于空間的局限往往只能懸掛二重閥。為了解決此困難，采用等效負(fù)載模擬相鄰換流閥對試品閥的影響，使得在試驗過程中無須將換流站閥廳內(nèi)安裝的所有多重閥全部安裝在實驗大廳，其基本原理是針對不同電氣強度下直流換流閥對外展示的電氣特性，利用電容、電感和電阻的組合來等效與試品閥相鄰多重閥的影響，使其與試品閥形成正確的分壓關(guān)系［15］。等效負(fù)載的采用大大簡化了試驗準(zhǔn)備工作，縮小了試驗場地面積，節(jié)省了試驗費用并提高了試驗效率。但是在實際多重閥試驗中，由于存在試品閥被保護(hù)觸發(fā)或擊穿的可能，若發(fā)生此情況則全部試驗電壓施加在等效負(fù)載上，因此必須考慮等效負(fù)載的保護(hù)方法。

本工程多重閥試驗等效負(fù)載結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，圖中C、L、R分別為電容、電感和電阻元件，利用抽頭改變元件電氣值以形成試驗需要的等效負(fù)載電氣特性，P是對等效負(fù)載實施的保護(hù)，采用并聯(lián)球隙或并聯(lián)避雷器2種方案。

圖2 等效負(fù)載結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Structure schematic diagram of the equivalent load

3.2.2 試驗難點2

多重閥雷電、陡波前沖擊試驗裝置既包含沖擊試驗裝置(沖擊源)，又包含交流裝置(為試品閥電子單元補能用，又稱為補能電源)，現(xiàn)有沖擊裝置不允許交流電壓加在沖擊本體上，同時由于試驗電壓值較高，交流裝置無法承受如此之高的沖擊電壓，因此應(yīng)在沖擊裝置和交流裝置之間增加隔離和保護(hù)，本工程可選方案為以下4種：

(1)采用球隙隔離沖擊與交流裝置，在交流源和試品上串聯(lián)大電阻和保護(hù)電容，以保護(hù)交流源；

(2)采用斷路器隔離沖擊與交流裝置，并利用斷路器保護(hù)交流源；

(3)采用球隙隔離沖擊與交流裝置，并利用斷路器保護(hù)交流源；

(4)采用斷路器1隔離沖擊與交流裝置，并利用斷路器2保護(hù)交流裝置。

3.3 單閥絕緣試驗

單閥絕緣試驗采用20個閥模塊，其中10個構(gòu)成試品閥，另外10個組成1個用于驗證試品閥在運行時能免受鄰近閥干擾的輔助閥(電磁干擾試驗)。在閥結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置地電位面以模擬閥廳中的其他設(shè)備。

除非周期觸發(fā)試驗外，試品閥的4個晶閘管級將被短接，以模擬試品閥失去冗余，只剩107個晶閘管級是完好的。輔助閥短路接地。

非周期觸發(fā)試驗中，10個閥模塊構(gòu)成的輔助閥上的回報數(shù)據(jù)用于監(jiān)視電磁干擾。

單閥絕緣試驗冷卻條件同多重閥絕緣試驗冷卻參數(shù)。

單閥還需進(jìn)行濕態(tài)下的直流耐壓和操作沖擊試驗，用于驗證閥由于少量偶然泄漏的冷卻液而變濕時的電壓耐受能力，泄漏條件如下：流量15 L/min，+0，－5％；溫度為實驗室溫度(應(yīng)記錄此溫度)；冷卻介質(zhì)為純水；電導(dǎo)率大于0.525μS/cm(45℃)，但不超過1μS/cm。

按照標(biāo)準(zhǔn)IEC 60700－1的要求，單閥絕緣試驗電壓參數(shù)無須進(jìn)行修正。

3.3.1 電壓應(yīng)力折算

參數(shù)計算表明，對于單閥交、直流耐壓試驗和操作沖擊試驗，通過青島換流站折算到銀川東換流站的電壓應(yīng)力更高，折算前后電壓應(yīng)力對比見表3。

根據(jù)業(yè)主要求，采用更嚴(yán)苛的試驗條件，最終試驗電壓參數(shù)取折算后水平。

單閥絕緣試驗參數(shù)如表4所示。

表3 單閥電壓應(yīng)力折算Tab.3 Translation of voltage stresses of single valve

圖3 單閥非周期觸發(fā)試驗浪涌電流波形Fig.3 Surge current waveform under non-periodic firing test

表4 單閥絕緣試驗參數(shù)Tab.4 Insulation test parameters of single valve

3.3.2 試驗難點1

對于單閥雷電和陡波前沖擊，應(yīng)進(jìn)行熱閥試驗，可視實驗室實際情況采用電加熱法或冷卻水加熱法實現(xiàn)［3，7-8］。相關(guān)文獻(xiàn)介紹了采用直流電源加熱回路對單閥進(jìn)行加熱，使晶閘管結(jié)溫達(dá)到要求值的加熱方案［9］。但是，由于沖擊試驗涉及的試驗裝置多，包括沖擊源、補能電源及其他隔離、保護(hù)裝置，且補能電源還分為試品閥補能電源和輔助閥補能電源。為了不增加試驗復(fù)雜度，降低試驗裝置配合難度，最終決定采用冷卻水加熱法進(jìn)行熱閥試驗。

根據(jù)換流閥電氣和熱設(shè)計結(jié)果［16］，結(jié)合業(yè)主對熱閥試驗晶閘管結(jié)溫的要求，最終確定采用冷卻水加熱法時晶閘管結(jié)溫不低于85℃。

3.3.3 試驗難點2

單閥非周期觸發(fā)試驗可以采用2種試驗拓?fù)?，即采用預(yù)先儲能的電容器對試品閥放電產(chǎn)生所需浪涌電流試驗波形，或采用與試品閥并聯(lián)的閥避雷器作為能量源。

避雷器法能夠更為真實地再現(xiàn)故障工況，但實際試驗受到國內(nèi)設(shè)備廠家制造水平的限制。為了完整復(fù)現(xiàn)流過單閥的電流應(yīng)力，采用PSCAD軟件對避雷器法進(jìn)行仿真，得出浪涌電流波形，如圖3所示。

由圖3可見，浪涌電流峰值接近8 kA；仿真程序中閥避雷器沖擊電壓/配合電流水平為667 kV/5 kA。

在實際試驗時，需要產(chǎn)生的浪涌電流波形在最初的10μs內(nèi)至少要與圖3給出的波形同樣嚴(yán)酷。

仿真計算出目標(biāo)電流波形后，繼續(xù)仿真計算采用電容器法時大電容的電容值，在實際試驗時進(jìn)行相應(yīng)配置。

相比同樣采用5英寸晶閘管的其他同類直流輸電工程(例如三峽—常州±500 kV直流輸電工程、三峽—上海I回±500 kV直流輸電工程、三滬II回±500 kV直流輸電工程)，本工程閥避雷器操作沖擊配合電流過高，造成非周期觸發(fā)試驗工況下流過換流閥的浪涌電流過大，接近晶閘管元件物理極限，對本工程換流閥設(shè)計、試驗和供貨提出了很大的挑戰(zhàn)，各典型工程浪涌電流對照見表5。

表5 單閥非周期觸發(fā)浪涌電流峰值對比Tab.5 Com parison of surge current peak values under non-periodic firing test

由表5可見，對于5英寸晶閘管換流閥，一般高壓直流輸電工程浪涌電流峰值均不高于5 kA，本工程電流峰值8 kA是世界首例，超過傳統(tǒng)電流水平60％還多，試驗風(fēng)險極高，對試驗裝置、試品提出了前所未有的挑戰(zhàn)。

為了確保本項試驗的可行性，在開始試驗之前，要求晶閘管元件供貨商(株洲南車時代電氣股份有限公司，以下簡稱株洲南車)先進(jìn)行8 kA浪涌電流試驗。株洲南車對5英寸晶閘管進(jìn)行了隨機(jī)抽樣，并于2009年10月委托英國DYNEX半導(dǎo)體有限公司對隨機(jī)抽樣的5只晶閘管按照提出的試驗條件開展了浪涌電流試驗，5只晶閘管均通過了該項試驗［17］。

在確保晶閘管元件能夠耐受如此高的電流應(yīng)力后，研究了非周期觸發(fā)試驗方案，建立風(fēng)險防范機(jī)制，深入研究試驗裝置的配合，一次成功通過本項世界上難度最高、風(fēng)險最高的試驗，創(chuàng)造了新的試驗強度記錄，為我國以后的直流工程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計提供了真實可靠的試驗數(shù)據(jù)，進(jìn)一步拓展了國內(nèi)換流閥試驗?zāi)芰Γ柟塘宋覈鴵Q流閥設(shè)計開發(fā)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

中國電科院在歐洲以外的地方第1次自主承擔(dān)了直流工程換流閥的全部型式試驗任務(wù)，為本工程換流閥順利投運提供了重要的技術(shù)支撐。換流閥絕緣試驗的試驗難點及解決方案總結(jié)如下：

(1)電壓試驗參數(shù)經(jīng)過了嚴(yán)格的修正；

(2)對多重閥絕緣試驗中的等效負(fù)載以及多種試驗裝置實施了隔離和/或保護(hù)；

(3)在單閥雷電和陡波前沖擊試驗時利用冷卻水加熱法對試品進(jìn)行了加熱，達(dá)到了業(yè)主要求的晶閘管結(jié)溫；

(4)本工程單閥非周期觸發(fā)峰值電流達(dá)8 kA，為世界最高，雖然該峰值電流已經(jīng)接近晶閘管元件和換流閥設(shè)備的物理極限，但是通過詳細(xì)研究試驗方案，一次成功通過該項試驗。

［1］國家電網(wǎng)公司.西北(寧東)—華北(山東)±660千伏直流輸電工程換流閥(銀川東換流站)供貨合同［R］.北京：國家電網(wǎng)公司，2009.

［2］國家電網(wǎng)公司.西北(寧東)—華北(山東)±660千伏直流輸電工程換流閥(青島換流站)供貨合同［R］.北京：國家電網(wǎng)公司，2009.

［3］IEC 60700－1∶1998 Thyristor valves for high voltage direct current (HVDC)power transmission-part1：electrical testing［S］.

［4］湯廣福，溫家良，賀之淵，等.大功率電力電子裝置等效試驗方法及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28 (36)：1-9.

［5］溫家良，湯廣福，查鯤鵬，等.高壓晶閘管閥運行試驗方法與試驗裝置的研究與開發(fā)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(21)：26-31.

［6］楊一鳴，曹燕明.用合成回路進(jìn)行±800 kV向家壩—上海工程換流閥運行試驗［J］.高電壓技術(shù)，2010，36(1)：281-284.

［7］國家電網(wǎng)公司.西北(寧東)—華北(山東)±660千伏直流輸電工程換流閥(銀川東換流站)技術(shù)協(xié)議［R］.北京：國家電網(wǎng)公司，2009.

［8］國家電網(wǎng)公司.西北(寧東)—華北(山東)±660千伏直流輸電工程換流閥(青島換流站)技術(shù)協(xié)議［R］.北京：國家電網(wǎng)公司，2009.

［9］崔東，馮建強，賈濤，等.±500 kV HVDC換流閥沖擊試驗技術(shù)［J］.電力設(shè)備，2006，7(3)：30-32.

［10］中國電力科學(xué)研究院.寧東—山東±660 kV直流輸電工程銀川東站換流閥型式試驗規(guī)范［S］.北京：中國電力科學(xué)研究院，2009.

［11］中國電力科學(xué)研究院.寧東—山東±660 kV直流輸電工程換流閥模塊例行試驗規(guī)范［S］.北京：中國電力科學(xué)研究院，2009.

［12］聶定珍，袁智勇.特高壓直流換流站外絕緣海拔修正方法的選擇［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(13)：1-4.

［13］IEC 60071－2∶1996 Insulation co-ordination-Part 2：Application guide［S］.

［14］GB 311.1—1997高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合［S］.

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［16］中國電力科學(xué)研究院.寧東—山東±660 kV直流輸電工程換流閥設(shè)計報告［R］.北京：中國電力科學(xué)研究院，2009.

［17］英國DYNEX公司.5英寸晶閘管浪涌電流耐受能力試驗報告［R］.林肯：英國DYNEX公司，2009.