A5000型換流閥晶閘管擊穿故障處理方案優(yōu)化

李昊, 劉釗

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

隨著國家西電東送戰(zhàn)略、國家電網(wǎng)公司“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，特高壓交直流輸電工程的數(shù)量逐年增長[1-3]。

換流閥是特高壓直流輸電工程的核心設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)交直流電能轉(zhuǎn)換的核心功能單元[4]。A5000型換流閥是由我國自主研制的世界首個(gè)±800 kV、5 kA特高壓直流換流閥，在靈州換流站、沂南換流站、廣固換流站等多個(gè)800 kV換流站內(nèi)均已工程化應(yīng)用。

晶閘管是構(gòu)成換流閥的基本單元。晶閘管擊穿故障為換流閥常見故障之一，處理此類故障要求換流閥處于檢修狀態(tài)，因此提高晶閘管擊穿故障處理效率，能夠縮短換流閥停電時(shí)間，保證直流輸電系統(tǒng)功率輸送能力?，F(xiàn)有A5000型換流閥晶閘管擊穿故障處理方案耗時(shí)不穩(wěn)定，處理環(huán)節(jié)繁雜，影響了故障處理效率，導(dǎo)致?lián)Q流閥停電時(shí)間延長?；谝陨蠁栴}，本文設(shè)計(jì)了一種新型晶閘管擊穿故障處理工具并根據(jù)該工具對晶閘管擊穿故障處理方案進(jìn)行了優(yōu)化，大幅提升了故障處理效率，為A5000型換流閥晶閘管擊穿故障事故處理節(jié)約了大量時(shí)間。

1 晶閘管擊穿故障處理方案

A5000型換流閥采用6英寸電觸發(fā)晶閘管，單閥冗余晶閘管數(shù)量為3個(gè)，閥組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。為保證直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，避免非計(jì)劃停電或設(shè)備事故擴(kuò)大，當(dāng)單閥故障晶閘管數(shù)量達(dá)到2個(gè)時(shí)，換流站將向國調(diào)申請停電進(jìn)行故障處理。在排除閥控系統(tǒng)、門極單元TTM板卡及光纖回路故障后，初步確定該級晶閘管存在擊穿故障。

圖1 A 5000型換流閥組件結(jié)構(gòu)

1.1 晶閘管擊穿后鼓脹機(jī)理

通過對擊穿后鼓脹晶閘管解體，晶閘管內(nèi)部電壓失效后，大電流流過臺(tái)面區(qū)域，出現(xiàn)大面積燒損，燒損過程中元件內(nèi)部溫度快速上升，導(dǎo)致密閉空間內(nèi)氣壓急劇增大，最終使元件膨脹。該失效模式屬于工程上常見的電壓失效，該機(jī)理下的元件膨脹也屬于常見現(xiàn)象[5-8]。

1.2 晶閘管擊穿故障處理方案

(1)在晶閘管所在TCA壓裝結(jié)構(gòu)底部安裝支撐固定龍骨，確保在擊穿故障晶閘管更換過程中其余正常晶閘管及兩側(cè)散熱器仍然處于對齊狀態(tài)；

(2)在故障晶閘管陰極側(cè)安裝保護(hù)綁帶，防止其兩側(cè)散熱器被撐開后松動(dòng)墜落；

(3)在TCA壓裝結(jié)構(gòu)的壓力加載適配器中裝入壓力加載柱，并將液壓工具中的大液壓缸(25 t)固定在壓力加載適配器上，保證大液壓缸的套筒與壓力加載適配器連接牢固；

(4)將故障晶閘管的電阻接線、門極接線拆除，并將小液壓缸(2 t)固定在故障晶閘管兩側(cè)散熱器的間隙中，小液壓缸的4個(gè)頂柱對準(zhǔn)散熱器的頂壓位置；

(5)使用手動(dòng)液壓泵對大液壓缸進(jìn)行加壓，當(dāng)液壓泵壓力表示數(shù)在50～60 MPa時(shí)，TCA壓裝結(jié)構(gòu)的填隙墊片會(huì)松動(dòng)，取出部分墊片后進(jìn)行大液壓缸卸壓至剩余墊片處于壓緊狀態(tài)。若壓力大于60 MPa的情況下TCA壓裝結(jié)構(gòu)的填隙墊片仍未松動(dòng)，說明步驟(3)中大液壓缸及壓力加載柱的安裝位置不合適，需要調(diào)整后重新進(jìn)行加壓操作。若卸壓后剩余墊片未處于壓緊狀態(tài)，說明墊片取出過多，需要略微加壓補(bǔ)充部分墊片后重新卸壓；

(6)拆下大液壓缸油管，轉(zhuǎn)接至小液壓缸，使用手動(dòng)液壓泵對小液壓缸進(jìn)行加壓，觀察4個(gè)頂柱是否撐開故障晶閘管兩側(cè)散熱器。若手動(dòng)液壓泵壓力表示數(shù)超過35 MPa仍未撐開兩側(cè)散熱器，說明步驟(3)中大液壓缸及壓力加載柱的安裝位置不合適或步驟(5)中填隙墊片取出過少，需要重新進(jìn)行調(diào)整。若手動(dòng)液壓泵壓力表示數(shù)在35 MPa內(nèi)時(shí)，4個(gè)頂柱已達(dá)到最大行程，說明故障晶閘管可能存在鼓脹情況，小液壓缸的最大行程小于故障晶閘管鼓脹厚度，晶閘管仍然受到兩側(cè)散熱器的壓力，該種情況下需要重新調(diào)整步驟(3)中的大液壓缸位置并取出步驟(5)中的全部填隙墊片對TCA壓裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底的松散處理，待更換故障晶閘管后重新校正整個(gè)TCA壓裝結(jié)構(gòu)；

(7)取出故障晶閘管后，利用電力紡布或無絨布蘸取無水酒精，清洗散熱器表面。在新晶閘管表面涂抹一層導(dǎo)電膏后，放入散熱器間空位。

(8)調(diào)整好TCA壓裝結(jié)構(gòu)各元件位置后，將小液壓缸逐步卸壓并取出。手動(dòng)液壓泵與大液壓缸相連，逐步加壓至50～60 MPa，放入取下的填隙墊片，然后卸壓，檢查TCA壓裝結(jié)構(gòu)各元件位置正常后，取下大液壓缸，取出壓力加載柱塞。

(9)對整個(gè)TCA壓裝結(jié)構(gòu)內(nèi)的晶閘管及對應(yīng)門極單元TTM板卡進(jìn)行VTE試驗(yàn)，對該閥段兩側(cè)主通流回路進(jìn)行回路電阻測量，滿足要求后即完成晶閘管擊穿故障的處理工作。[3]

2 晶閘管擊穿故障處理耗時(shí)分析

以±800 kV靈州換流站為例，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際統(tǒng)計(jì)，歷次晶閘管擊穿故障處理步驟(1)-(9)所需時(shí)間如表1所示。

表1 晶閘管擊穿故障分步驟耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，當(dāng)晶閘管擊穿故障未發(fā)生鼓脹現(xiàn)象時(shí)，步驟(1)-(9)總耗時(shí)平均約1.8 h。當(dāng)故障晶閘管存在鼓脹現(xiàn)象時(shí)，圖2中的步驟(3)-(6)需要反復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)致步驟(1)-(9)平均總耗時(shí)增加至5.85 h，且有統(tǒng)計(jì)以來最長一次時(shí)長達(dá)7.6 h。

自2016年以來，靈州換流站A5000換流閥共計(jì)發(fā)生6次晶閘管擊穿故障，其中晶閘管發(fā)生鼓脹現(xiàn)象共計(jì)4次，占全部故障數(shù)量的66.7%。共計(jì)增加耗時(shí)19.8 h。當(dāng)前故障處理方案下，鼓脹晶閘管的更換處理工作耗時(shí)平均為未鼓脹晶閘管更換處理工作的3.25倍，嚴(yán)重影響直流輸電系統(tǒng)的功率外送，以單閥組送電功率2 GW計(jì)算，單次鼓脹晶閘管的更換處理工作耗時(shí)將至少導(dǎo)致5 GW的功率損失，因此晶閘管擊穿故障處理的方案亟待優(yōu)化。

3 晶閘管擊穿故障處理方案優(yōu)化措施

3.1 手動(dòng)液壓泵油管路優(yōu)化

現(xiàn)有的手動(dòng)液壓泵油管路僅設(shè)置了2條分支，如圖2所示，在對大液壓缸加壓或泄壓時(shí)選用其中1條支路，完成大液壓缸工作后再將該支路取下，與另一支路分別接入小液壓缸進(jìn)行加壓或泄壓。在晶閘管鼓脹情況下，步驟(3)-(6)反復(fù)進(jìn)行時(shí)油管路的來回切換將耗費(fèi)大量時(shí)間，在現(xiàn)有TCA壓裝結(jié)構(gòu)備件上進(jìn)行多次試驗(yàn)后測得單次切換耗時(shí)為0.2 h。

圖2 現(xiàn)有手動(dòng)液壓泵油管路

對手動(dòng)液壓泵油管路進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示，在分支1始端增設(shè)1個(gè)針型閥a和1個(gè)二分支接頭并擴(kuò)展成2路分支，命名為分支1.1、分支1.2。在分支2始端增設(shè)1個(gè)針型閥b。分支1.1、分支1.2接至小液壓缸，分支2接至大液壓缸。

圖3 優(yōu)化后手動(dòng)液壓泵油管路

手動(dòng)液壓泵油管路優(yōu)化后，當(dāng)步驟(3)-(6)反復(fù)進(jìn)行時(shí)，無需來回倒換油管路，只需控制新增的針型閥a、b即可快速切換大、小液壓缸的加壓卸壓。

(1)對大液壓缸加壓卸壓時(shí)，關(guān)閉針型閥a、打開針型閥b即可。

(2)對小液壓缸加壓卸壓時(shí)，打開針型閥a、關(guān)閉針型閥b即可。

3.2 小液壓缸缸體優(yōu)化

現(xiàn)有小液壓缸缸體側(cè)視如圖4所示，以A5000換流閥TCA壓裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際測量，目前小液壓缸缸體4支頂柱完全撐開時(shí)，能夠?qū)沃д＞чl管兩側(cè)散熱器夾持距離撐開3～5 mm。若晶閘管發(fā)生鼓脹，且鼓脹厚度超過5 mm時(shí)，即使小液壓缸缸體4支頂柱完全撐開，散熱器仍然緊貼晶閘管，無法取出。此種情況下，只能對TCA壓裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底的松散處理，待更換故障晶閘管后重新校正整個(gè)TCA壓裝結(jié)構(gòu)，據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，重新校正平均需要1 h完成。

圖4 現(xiàn)有小液壓缸缸體側(cè)視

對現(xiàn)場發(fā)生鼓脹現(xiàn)象的晶閘管厚度進(jìn)行測量，結(jié)果如表2所示，最厚厚度為46.23 mm，標(biāo)稱厚度為35.3 mm，鼓脹厚度為10.93 mm。

表2 晶閘管鼓脹厚度測量

據(jù)此對小液壓缸缸體進(jìn)行優(yōu)化，加厚缸體5 mm，加長頂柱3 mm，該缸體仍能放入晶閘管兩側(cè)散熱器之間，完全撐開后能夠使撐開距離增加至11～13 mm，滿足使用需求，無需松散處理TCA壓裝結(jié)構(gòu)即可取出發(fā)生鼓脹晶閘管。同時(shí)為使小液壓缸更快速地插入散熱器間隙，對小液壓缸底部由原來的矩形設(shè)計(jì)重新優(yōu)化為楔形設(shè)計(jì)，減少調(diào)整時(shí)間，優(yōu)化后的小液壓缸缸體側(cè)視如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后小液壓缸缸體(側(cè)視)

4 效果評價(jià)

(1)對手動(dòng)液壓泵油管路的優(yōu)化有效避免了故障晶閘管更換過程中大、小液壓缸加壓卸壓的油管切換過程，提升效率效果明顯。

(2)對小液壓缸缸體的優(yōu)化有效提升了故障晶閘管尤其是發(fā)生鼓脹現(xiàn)象的晶閘管的取出效率，避免了對TCA壓裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底的松散處理以及重新校正。

(3)對處理方案優(yōu)化后，靈州換流站共進(jìn)行3次晶閘管更換工作，故障晶閘管均有鼓脹現(xiàn)象，更換用時(shí)及厚度統(tǒng)計(jì)如表3所示，可以明確看出，與原處理方案相比，鼓脹晶閘管更換工作平均耗時(shí)縮短了68.9%。

表3 方案優(yōu)化后更換用時(shí)及晶閘管厚度統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

(1)優(yōu)化后的A5000型換流閥晶閘管擊穿故障處理方案能夠有效避免晶閘管更換過程中反復(fù)調(diào)整的繁雜步驟，一步到位，極大地提升了A5000型換流閥晶閘管擊穿故障處理效率。

(2)通過該方案優(yōu)化的思路，可以深入分析其他類型換流閥相關(guān)故障處理方案的優(yōu)化措施，為運(yùn)維檢修工作提供便利。