直流输电工程晶闸管换流阀.pptx
高压直流输电用（HVDC）晶闸管换流阀是当代世界上先进的输变电技术重要组成部分。直流输电以其特有的优点，在我国的交流输电和电力系统中起着十分重要的补充和完善的作用，具有广泛的发展前景。换流阀是直流输电的核心设备，它是集高电压、电力电子、自动控制、微电子、光电技术等为一体的高新技术产品，其主要作用有远距离大功率高压直流输电和跨大区电网互联，其价值约占其成套直流设备总价的22%左右。第1页/共119页高压直流输电系统的基本工作原理是通过整流站将送端系统的交流电转变为直流电，再由逆变站将直流电转换为交流电送入受端系统。在此过程中实现换流(交流变直流整流，或直流变交流逆变)功能的装置称之为换流装置。在高压直流输电系统中，换流装置的基本功能单元通常为三相桥式换流器。而三相桥式换流器的每个桥臂，在直流输电系统中称之为直流换流阀。第2页/共119页从20 世纪50 年代开始运行的第一个瑞典哥特兰岛一瑞典本土的直流工程到目前投运的高岭背靠背直流联网工程，直流换流阀的制造技术随着大功率半导体器件的制造技术的发展而发展，它经历了从汞弧换流阀，到门极可关断晶闸管换流阀(GTO 阀)，再到绝缘栅双极晶体管换流阀(IGBT 阀)的发展过程。第3页/共119页一、概 述直流输电中使用的换流阀是从汞弧阀开始的：哥特兰岛工程哥特兰岛工程2阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流200A，额定电压，额定电压50kV。英法海峡工程英法海峡工程4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流800A，额定电压，额定电压100kV。意大利撒丁岛工程意大利撒丁岛工程4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1000A，额定电压，额定电压100kV。日本佐久间工程日本佐久间工程4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1200A，额定电压，额定电压125kV。库克海峡工程库克海峡工程4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1200A，额定电压，额定电压125kV。康梯斯坎工程康梯斯坎工程4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1200A，额定电压，额定电压125kV。温哥华岛温哥华岛I工程工程4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1200A，额定电压，额定电压130kV。太平洋联络线太平洋联络线I工程工程6阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1800A，额定电压，额定电压133kV。伏尔加格勒顿巴斯伏尔加格勒顿巴斯1阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流900A，额定电压，额定电压125kV。金斯诺思伦敦金斯诺思伦敦4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1200A，额定电压，额定电压133kV。纳尔逊河工程纳尔逊河工程6阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1800A，额定电压，额定电压150kV。第4页/共119页从1970年开始，在瑞典的哥特兰岛扩建工程中首次采用晶闸管换流阀，额定电流200A，额定电压50kV。到目前为止，晶闸管换流阀的额定电流最高达4500A，额定电压最高达800kV。根据触发方式不同，晶闸管阀又可分为电触发晶闸管换流阀和光触发晶闸管换流阀。晶闸管阀有空气绝缘和油绝缘两种，空气绝缘占主导地位。空气绝缘阀有风冷、循环油冷和水冷等冷却方式，其中以水冷的效果最好。第5页/共119页葛上直流工程葛上直流工程四重阀结构，额定电流四重阀结构，额定电流1200A，额定电压，额定电压500kV。天广直流工程天广直流工程四重阀结构，额定电流四重阀结构，额定电流1800A，额定电压，额定电压500kV。三常直流工程三常直流工程双重阀结构，额定电流双重阀结构，额定电流3000A，额定电压，额定电压500kV。三广直流工程三广直流工程双重阀结构，额定电流双重阀结构，额定电流3000A，额定电压，额定电压500kV。三沪直流工程三沪直流工程双重阀结构，额定电流双重阀结构，额定电流3000A，额定电压，额定电压500kV。贵广直流工程贵广直流工程四重阀结构，额定电流四重阀结构，额定电流3000A，额定电压，额定电压500kV。灵宝换流站灵宝换流站双重阀结构，额定电流双重阀结构，额定电流3000A，额定电压，额定电压120kV。高岭换流站高岭换流站双重阀结构，额定电流双重阀结构，额定电流3000A，额定电压，额定电压125kV。国内已投运直流工程晶闸管换流阀：第6页/共119页包括特高压直流工程在内的目前国内直流工程使用的晶闸管换流阀，都是采用空气绝缘和水冷，其中贵广直流工程和德宝工程以及背靠背工程换流站的部分换流阀将采用光触发晶闸管，其它工程均采用电触发晶闸管。第7页/共119页由于晶闸管目前仍是耐压水平最高、输出容量最大的电力电子器件，在大容量、高电压应用领域，在国内外已经投运的近90项直流输电工程中，绝大多数采用晶闸管直流换流阀。特别是近些年在我国取得重大发展的800kV 级特高压直流输电技术采用了基于6inch晶闸管的直流换流阀技术。第8页/共119页800kV特高压直流输电工程中的晶闸管换流阀采用了近十几年来大功率高压直流输电工程中先进的设计和制造技术以及严格的质量保证体系，具有结构紧凑、可靠性高、损耗低的特点，并配备有完善的防火系统。这种换流阀经过了严格的型式试验的检验，试验结果表明，换流阀的各项性能指标均达到或高于IEC60700的标准和合同要求，为今后直流系统的安全运行提供了可靠保证。第9页/共119页二、晶闸管为了实现电流形态的转换，换流阀必须采用非线性器件，其电阻阻值会随着电流的方向不同而发生很大的变化。对于直流换流阀，其电流的方向只能通过一个方向，称之为正方向，这时换流阀的正向导通电阻很小;而在反方向，电流根本不能导通，其反向电阻可以认为是无穷大。第10页/共119页晶闸管是由PNPN四层半导体构成的，它中间形成三个PN结。由最外层的P和N分别引出两个电极，成为阳极和阴极，由中间的P引出控制极。晶闸管是一个可以控制的单方向导通的半导体元件。它的反向伏安特性与一般的二极管相似，在反向电流急剧增大时所对应的电压称为击穿电压。当不加控制电压时，其正向特性与反向相似；在正向电压达到某一转折电压后，元件突然导通，导通后的正向特性与二极管的正向特性相似。第11页/共119页晶闸管的导通有两个基本条件，一个是施加正向电压，另一个就是触发。只有在正向电压下进行触发，晶闸管才能安全导通。晶闸管正向能够通过多大电流，归根结蒂由管芯的允许温度(环温加上P结温)决定的。导致管芯温度升高的因素有环境温度、元件的各种损耗，以及冷却系统能力。第12页/共119页元件的损耗包括：正向导通损耗、泄漏损耗、开关损耗等。环境温度一般情况下比设备温度底，有利于散热。冷却系统可以带走损耗产生的热量，降低元件温度 换流阀的通流能力就是上述三个因素综合作用的结果第13页/共119页晶闸管通常与控制、辅助设备及阳极电抗器(又称di/dt 电抗器，为饱和电抗器)及阻尼回路元件等组装在一起，如下图所示：第14页/共119页在施加触发信号晶闸管开始导通的初期，只在硅片上靠近控制极的很小区域里导通，然后才扩展到整个硅片导通。所以，如果在晶闸管开始导通是就通过很大电流，这个电流将集中在控制极附近很小的区域中，很容易引起局部过热，损坏晶闸管元件。阳极电抗器能有效限制晶闸管开通初期电流的上升速度，避免晶闸管局部过热造成的损坏。第15页/共119页如果在晶闸管两端突然施加一个正向电压，即使这个电压未超过转折电压，也会使晶闸管导通。为了限制电压的上升速度，一般在晶闸管的两端并联一个电容与电阻的串联回路，阻尼晶闸管关断时的高频振荡造成的误导通。晶闸管在从导通状态变成截止状态需要一定的时间，为了加速晶闸管的关断，通常在晶闸管两端施加一个反向电压。但如果反向电压的时间过短，晶闸管可能再次导通，造成阀的换相失败。第16页/共119页近十年来晶闸管技术发展迅猛，通过改进技术和工艺，晶闸管具备了极高的抗冲击电压和冲击电流能力。目前高压直流输电中使用的晶闸管的最大管径为150mm（6英寸），最高阻断电压为8.5kV。特高压直流输电工程采用了6英寸的晶闸管，额定电流4500A，短路电流46-50kA，最大的非重复正向电压VDSM的承受能力为8kV，最大的反向非重复电压承受能力为8.5kV。这种规格的晶闸管在直流工程中第一次采用。第17页/共119页三、换流阀结构晶闸管换流阀是由晶闸管元件及其相应的电子电路、阻尼回路以及阳极饱和电抗器、均压元件等组成的换流阀组件，又由若干换流阀组件组成换流桥的一个桥臂。换流阀的额定电压等级取决于单个晶闸管元件的电压以及元件串联的个数，其电流取决于晶闸管的通流能力。第18页/共119页早期的直流输电工程多采用6 脉动换流器作为基本换流单元。由于6脉动换流器会在交直流侧产生较多的低次谐波，因此在现代高压直流工程中均采用12 脉动换流器作为其基本单元。因此可以认为三相6 脉动换流器由6个桥臂组成;直流输电常用的12 脉动换流器则由12 个桥臂组成。第19页/共119页典型传统HVDC换流器单线原理图第20页/共119页换流阀结构示意图第21页/共119页晶闸管及晶闸管级晶闸管级由晶闸管元件及其所需的触发、保护及监控电子电路、阻尼回路组成。晶闸管级是换流阀的最基本的功能单元。每一个晶闸管级包括一个RC均压阻尼回路。该回路和阀的电抗器合理匹配可以实现：限制换向关断过冲；确保从工频至瞬态陡前波电压时晶闸管级的电压均匀分布。第22页/共119页阀组件阀组件是由晶闸管和紧靠它们的辅助设备及阳极电抗器(又称di/dt 电抗器，为饱和电抗器)机械组装在一起的结构单元。第23页/共119页第24页/共119页单阀单阀(或阀臂)。由若干阀组件串联组成的单元，它构成了6脉动换流器的一个桥臂，故又称为阀臂第25页/共119页多重阀（双重阀）双重阀是将2个单阀串联连接，结构上做成一个阀塔。500kV高压直流输电工程每个换流站共需要12个这样的双重阀，每个双重阀塔如左图所示。第26页/共119页二重阀接线示意图第27页/共119页第28页/共119页四重阀接线示意图第29页/共119页贵州广东二回直流输电工程换流阀外形图 第30页/共119页四、换流阀的电气特点换流阀最主要的特性是仅能在一个方向导通电流，这个方向定为正向。电流仅在周期的1/3 期间内流过一个换流阀。不导通的换流阀应能耐受正向及反向阻断电压，换流阀电压最大值由避雷器保护水平确定。当换流阀上的电压为正时，得到一个控制脉冲换流阀就会从闭锁状态转向导通状态，一直到流过换流阀的电流减小到零为止，换流阀始终处于导通状态，不能自动关断。一旦流过换流阀的电流到零，阀即关断。换流阀要有一定的过电流能力，通过健全换流阀的最大过电流发生在阀两端间的直接短路，而过电流的幅值主要由系统短路容量和换流变压器短路阻抗所决定。第31页/共119页换流阀应能承受各种不同的过电压，换流阀的耐压设计应考虑保护裕度。当考虑到电压的不均匀分布、过电压保护水平的分散性以及其他换流阀内非线性因素对阀应力的影响时，保护裕度必须足够大。避雷器是换流阀的正方向和反方向的主要保护，每一个单阀都由一个无间隙的ZnO避雷器保护。对于操作冲击过电压，阀的耐受水平高于避雷器保护水平10%对于雷电冲击过电压，阀的耐受水平高于避雷器保护水平10%对于陡波头冲击过电压，阀的耐受水平高于避雷器保护水平15%。第32页/共119页通常，换流阀的过电压耐受能力是由每个晶闸管的耐压水平通过多个元件串联叠加来实现的，故在一定的元件耐压水平参数下，换流阀的耐压能力由晶闸管的串联元件数所决定。阀臂中每个阀组件与一个饱和电抗器串联，而该电抗器将承担陡波冲击的大部分过电压和雷电冲击的部分过电压，而且平波电抗器还将限制从线路侵人的雷电波，上述两种过电压对阀臂串联元件数并不是主要的控制因素。第33页/共119页操作冲击是决定串联元件数的主要因素。由于多个元件串联和各元件对端部的杂散电容及元件特性的不均匀性，尽管有均压回路，但仍会存在电压分布不均匀，操作冲击波的电压分布不均匀系数，目前制造水平可达到1.05-1.10，这是决定阀臂最小串联元件数时应予以考虑的因素。第34页/共119页换流阀的另外一个重要的过电压保护措施就是每个晶闸管元件配备的保护触发功能(BOD)，保护水平的整定要求当晶闸管元件两端出现正向过电压时，该保护立即动作，对晶闸管实施有效的保护；而对于交流侧故障产生的过电压保护触发不动作，以利于直流系统的快速恢复，提高系统的安全性。从绝缘配合要求看，阀臂正向非重复阻断电压应高于避雷器保护水平和最小正向保护触发电压(BOD)，阀臂的反向非重复阻断电压应高于避雷器保护水平并满足最小绝缘配合裕度要求。第35页/共119页晶闸管换流阀应能耐受在负荷额定运行工况、连续过负荷及短时过负荷工况下的直流电流，而且还应具有一定的暂态过电流能力。其中连续过负荷、短时过负荷等稳态工况下晶闸管换流阀的通流能力要求决定了冷却系统容量选择。而，各种暂态故障电流将决定晶闸管元件的最高允许结温目前国际上的制造水平是:导致永久性损坏的极限结温为300-400，承受最严重故障电流后的最高结温为190-250。第36页/共119页五、换流阀的控制保护系统换流阀的触发系统指控制系统发出指令至晶闸管控制极接受指令之间的全部环节。换流阀触发系统向换流器发出一定的波形和相位，并满足其他要求的门极触发脉冲，对换流阀的触发开通时刻(相位)进行控制，以实现直流输电系统的电流、电压及功率的控制。第37页/共119页为了保证安全导通，晶闸管换流阀的触发系统必须满足的要求有:控制系统发出的触发指令必须传递到不同高电位下的每个晶闸管级;在晶闸管所处的电位下，需有足够的能量来产生触发脉冲;所有晶闸管必须同时接收到触发脉冲。第38页/共119页触发脉冲的具体参数视晶闸管制造商的不同而略有差别。目前，换流阀的触发方式主要有光电转换触发和光直接触发两种。光电转换触发把由换流阀控系统来的触发信号转换为光信号，通过光缆传送到每个晶闸管级，在门极控制单元把光信号再转换成电信号，经放大后触发晶闸管元件。光触发工作原理是在晶闸管元件门极区周围，有一个小光敏感区，当一定波长的光被光敏感区吸收后，在硅片的耗尽层内吸收光能而产生电子一空穴对，形成注入电流使晶闸管元件触发第39页/共119页换流阀运行还需要相关的外围设备触发与在线监控装置整个系统包括阀基电子设备(VBE)、晶闸管电子设备(TE 板)、阀控(VC)和站控(SC)设备以及一些连接光缆第40页/共119页六、换流阀的冷却系统冷却水系统是晶闸管换流阀的一个重要组成部分，要确保在运行中带走换流阀产生的热量，使晶闸管的结温，以及电抗器、电阻等元件的温度在允许范围以内特高压直流换流阀通常采用空气绝缘水冷却方式。通常冷却水系统又可以分为内冷水系统和外冷水系统。第41页/共119页内冷水系统换流阀的内冷却水系统又称为一次循环水。在换流阀第一次投运前，必须向换流阀的内冷却回路注入一定数量的冷却水，冷却水管将阀内所有元件的散热器连接起来。较低温度的冷却水经循环水泵加压后，进入冷却水管，流入换流阀内全部散热器，吸收晶闸管元件及其辅助元件产生的热量，水温将升高。一次循环水经过冷却系统后，水温降至初始值，开始下一个循环冷却。第42页/共119页由于换流阀体处于几百千伏的高电位上，一次循环水必须具有极低的电导率。工程经验表明，电导率一般为0.1-0.5S/cm，达到0.5S/cm 时换流阀须立即停运。为此，内冷却水系统必须配置长期并联去离子运行的封闭式循环水处理支路。第43页/共119页外冷却系统换流阀外冷却系统的主要功能是对一次循环进行冷却 使水温降至初始值，再进入换流阀体进行循环冷却。换流阀组对外冷却系统的要求是提供足够的冷却容量，保证换流阀组安全可靠运行。外冷却系统有二次水喷淋冷却(湿冷)和空气强迫冷却(干冷)两种方式。800kV直流输电工程均采用二次水喷淋冷却方式第44页/共119页七、阀厅布置阀厅用于布置换流阀，根据换流阀塔的安装方式，换流阀塔的安装可以采用支撑结构和悬挂式结构。但是无论采用支撑结构还是悬挂式结构，直流换流阀都应布置于干燥的、低污秽程度、带通风和空调、区域环境、温度可控的室内，阀厅内呈微正压以减少灰尘的进入。除此之外，为了保证换流阀的安全、可靠运行，阀厅还应该为金属屏蔽，以屏蔽外部的电磁干扰和阀工作时产生的干扰。第45页/共119页德宝工程换流阀设计12脉动换流阀的主要电气性能数据：参数名称参数名称参数值参数值额定直流功率额定直流功率1500MW额定直流电压额定直流电压500kV最大稳态直流电压最大稳态直流电压515kV额定直流电流额定直流电流3000A最小直流电流最小直流电流300A德宝工程12脉动换流阀技术参数第46页/共119页额定触发角额定触发角15额定功率最大触发角额定功率最大触发角17.5+0.5额定功率最小触发角额定功率最小触发角12.5-0.5最小触发角最小触发角5额定熄弧角额定熄弧角17额定功率的最大熄弧角额定功率的最大熄弧角17+1额定功率的最小熄弧角额定功率的最小熄弧角17-1最小熄弧角最小熄弧角16第47页/共119页德宝换流阀结构设计德宝工程每个四重阀由4个单阀串联组成，一个完整的单阀由3个晶闸管组件串联而成，每个晶闸管组件包括2个阀段，因此一个四重阀包括12个晶闸管组件。2个晶闸管阀段在组件中间，电抗器单元在组件端部，每个硅堆与2个电抗器单元组成1个阀段。第48页/共119页德宝工程换流站的晶闸管组件每个硅堆设计有13只晶闸管元件，由串联的晶闸管元件及散热器压装成一个硅堆，串联两个饱和电抗器，再并联一个冲击均压电容组成。冷却水主管道和光缆槽均从阀顶部接入，这种结构同时也考虑了地震应力对四重阀塔的最小影响。阀顶部组件直接安装在阀厅顶部的悬吊绝缘子上。第49页/共119页每个阀段包括晶闸管及其散热器，压装结构，阻尼回路，晶闸管控制和监测板（TVM），阀电抗器以及冲击均压电容。大功率5英寸晶闸管能够满足额定电流容量，不需要并联。阻尼回路由一只电容器和一只冷却效率极高的直接水冷式电阻器串联。这种技术使阀段内的功率器件数尽可能的减少，致使组件及其内部连线异常简捷。更换晶闸管时无需断开任何水接头。第50页/共119页阀组件四周的铝型材屏蔽罩，一方面满足电磁屏蔽的功能，另一方面又作为阀段中所有器件的机械支撑结构架。组件内的空间能够完全满足必须的爬电距离。这样，也保证每个电器件都有自己充足独立的空间，易于维修。冷却水管道和光缆导槽在四重阀内垂直安装，满足绝缘要求的同时均采用柔性连接，适当地消纳地震时产生的振动位移。第51页/共119页晶闸管硅堆主要由端板、夹紧板、晶闸管、水冷散热器和碟弹单元组成。两个端板和两个夹紧板将晶闸管、水冷散热器和碟弹装置支撑并固定起来。晶闸管与散热器是间隔串联在一起的，其每个接触面都必须保证良好的接触，以保证散热和电联接。第52页/共119页高压直流输电阀的冷却水采用去离子水，电导率最大为0.5s/cm。水路将阀各个不同电位的电器件连接起来，不同电位的金属件之间的水路就有可能产生电解电流。因此，这些金属件会受到电解腐蚀。为了解决这一问题，在水路的相应位置安装电极。这样，水路的电位将与晶闸管阀的电位一致。从而避免了金属件的电解腐蚀。第53页/共119页来自冷却系统的冷却水管连接到四重阀的上部，1进1出水管由上部垂直向下进入阀体。水管连接成弯曲形状，增加了水流路径长度，因此减小了水流流经不同电位的单阀而产生的漏电流。弯曲形状保证了不同电位的阀层间具有足够的爬电距离。通过电解惰性铂金电极控制水管中冷却水的电位。第54页/共119页阀塔悬吊部分的作用是将组件、阀底屏蔽框机械的串联在一起，组成一个水平方向可任意摆动的柔性结构，以满足抗震、冲击要求。阀塔层间连接选用标准的硅橡胶绝缘子，它除了具有足够的机械强度外，也保证了层与层之间需要的空气绝缘距离和爬电距离。第55页/共119页德宝换流阀防火设计尽管换流阀设计采取了多种防火措施，着火的可能性依然存在。除了技术方面的问题，人为失误（例如检修时工具遗漏在换流阀上）也可能引起火灾事故。所以，防止火灾事故的进一步扩大尤为重要，换流阀在这方面采取了一些措施。第56页/共119页换流阀材料选择时，需考虑材料的阻燃特性。换流阀所选的塑料材料几乎都具有阻燃特性（根据UL 94 V-0标准），这意味着当火源去除后，火很快熄灭，燃烧后跌落物不会引起火灾。一些少量零件（例如塑料螺钉）防火阻燃等级为UL 94 HB，但因其数量少，又分布于整阀中，引起火灾的可能性极小。第57页/共119页唯一不容忽视的是光缆，阻燃等级为UL 94 HB的部件，但光缆不是起火根源，并且采取了充分的屏蔽措施防止火灾。光缆被全部埋入光缆槽里，光缆槽为玻璃丝加强的环氧塑料，阻燃等级为UL 94 V-0。光缆槽装有防火材料，以隔绝火的扩散。第58页/共119页德宝换流阀电气设计德宝工程换流站换流阀的绝缘水平 换流阀电压耐受能力 第59页/共119页单阀串联晶闸管元件数由下式确定：nmin=SIPLkdkim/VDSM=73.6其中：SIPL：跨阀的操作波保护水平；kd：操作冲击电压下单阀的电压分布系数；kim：操作冲击电压下的安全系数；VDSM：晶闸管断态非重复峰值电压；考虑3%冗余取nmin=74，工程设计仅需要76只晶闸管串联，本工程设计单阀为78只。单阀晶闸管串联数 第60页/共119页LTT晶闸管的门极触发由光脉冲完成。光脉冲是由阀底部电子柜（VBE）通过光缆系统直接触发每个晶闸管的门极。因此，ETT阀中的晶闸管门极电子电路、辅助电源以及任何防止电磁干扰的设备（EMI）是不需要的。当超过其允许电压值时，集成在光触发晶闸管内的正向保护BOD触发该晶闸管。外部的保护触发回路常用于电触发的晶闸管。光触发晶闸管不再需要这些回路。阻尼均压回路 第61页/共119页阀饱和电抗器主要功能如下：限制晶闸管开通的电流上升率；限制晶闸管瞬态陡前波冲击电压；和阻尼电路配合，改善串联联接的晶闸管间的电压不均匀分布电抗器参数及外型的设计原则：视每个阀组件中的器件数量而定，折衷选取最小值重量要易于维护和检修。每个阀段设计有两台电抗器。阀饱和电抗器第62页/共119页为确保因杂散电容的影响，造成瞬态陡波冲击在阀段间的不均匀分布，每个阀段并联一个5.5nF 的冲击电容,内部绝缘采用为氮气和SF6气体，护套为硅橡胶并设计有一定的爬电距离，电压与13个晶闸管串联时阀段电压在各种电压应力下的电压相匹配，组件结构设计时充分考虑了冲击电容与周围带电体的空气间隙。组件均压电容 第63页/共119页德宝换流阀保护换流阀为四重阀结构，但保护设计的原则是对每一个单阀进行的。每个单阀由78只3000A/8kV的LTT晶闸管串联而成。晶闸管为电力半导体器件，对电压、电流的过载能力较低，通常当其两端电压超过其可重复电压时在几个周波内就可能导致其损坏。在晶闸管的串联应用中上述问题尤为突出。已损坏的晶闸管将不承担电压，势必造成其余晶闸管承担电压的增加，依次类推，有可能造成雪崩导致全阀击穿，为此作为第一级保护，每个单阀均并联一个阀避雷器。避雷器保护 第64页/共119页在德宝工程中，考虑每个单阀去掉3个冗余其耐压水平为：8kV75=600kV，考虑到晶闸管均压的不均匀性，在设计上确定的阀实际耐压水平为：571.4kV。阀避雷器保护动作值设定为：496.3kV，即在阀耐压水平的87%左右阀避雷器保护动作从而有效保护阀第65页/共119页作为第二级保护，换流阀通常在每个LTT晶闸管内集成了一个BOD器件（Break Over Diode）作为该晶闸管的正向保护。BOD动作电压为7500V100V。整阀的BOD正向保护水平为750075=562.5kV。考虑到BOD动作的分散性和晶闸管均压的不均匀性，设计确认的BOD保护动作值为536kV。BOD保护 第66页/共119页晶闸管在电流过零关断后，由于结电容存在一个反向恢复电流，这就需要一定的反向恢复时间。在反向恢复期内载流子依然很活跃，过高的du/dt导致反向恢复电流过大，造成硅片局部过热而损坏晶闸管。这时必须使晶闸管触发导通，使其免受过高du/dt的损坏。因此，在换流阀中设计了RPU单元对晶闸管在反向恢复期进行保护。反向恢复期保护 第67页/共119页德宝工程中LTT晶闸管反向恢复期为：300s 400s。设计最终考虑3倍的裕度，保护区间设定为1.3ms。du/dt动作值设定为100V/s。第68页/共119页电流保护 晶闸管换流阀的电流保护是：过电流保护；短路电流保护；换相故障保护；误触发过流保护。漏水保护 膨胀水箱烟雾报警系统 其它保护第69页/共119页晶闸管冗余和可靠性 冗余量必须满足下面要求：（1）在运行的12个月中，一个完整12脉动换流阀，不能有多于一个阀的冗余量被耗尽。德宝工程设计值：晶闸管损坏最大量是3只。（2）冗余量不能小于阀整个晶闸管数量3%，德宝工程设计值：3只晶闸管级冗余是78只晶闸管级的3.8%。第70页/共119页晶闸管阀的短路电流能力 阀短路有后续闭锁，浪涌电流、重复电压、晶闸管结温和时间的关系曲线 第71页/共119页阀短路无后续闭锁，浪涌电流、重复电压、晶闸管结温和时间关系曲线 第72页/共119页晶闸管监视系统 晶闸管故障监测系统主要功能是在线监测晶闸管、阻尼均压电路、晶闸管电子线路、光信号传输系统及光缆的故障。它是处于地电位的阀底部电子设备柜（VBE）的一部分。晶闸管故障监测系统将光缆送来的阀上的回报信号进行估值计算。正常运行时，该系统能够在每个周波内检测出阀上的任何故障。但对同一故障连续检测三次，当其完全相同时才预以确认，以防故障的误判别。第73页/共119页晶闸管、晶闸管电压监测板TVM、光缆以及保护触发（BOD）故障时都能被打印出来，并标明故障发生的日期、时间、原因以及晶闸管级的位置。当损坏的晶闸管达到阀的冗余时，就会发出一个报警信号。超过冗余时，将危及阀的安全运行，此时发出换流器停机的跳闸信号。第74页/共119页 LTT阀触发和监测系统框图 第75页/共119页晶闸管触发系统 VBE的核心是以微处理器为主的晶闸管控制和监测单元，简称TC&M。每柜中有两套完全相同的TC&M系统，即系统1和系统2。两个系统独立工作互为热备用。运行系统有效控制全部输出，备用系统处于热备用状态。在运行中两个系统除自检外还进行互检。当运行系统故障后，备用系统能自动切换入运行状态，无需停机。另外VBE中还有光发送、光接收、RPU控制电子线路板以及和外部控制与保护系统的接口。第76页/共119页在高压阀上，每个阀段13个晶闸管具有一台混合光耦合器MSC。MSC直接接收由VBE中激光二极管发出的触发光脉冲。在此混合并均匀分配然后发送给与其相连的13个晶闸管的光控门极。每个晶闸管的触发脉冲宽度为10s。光功率不小于40mW。另外，在晶闸管的反向恢复期内，MSC也接收RPU发出的保护触发光脉冲。同样将其均匀分配发送给与其相连的13个晶闸管，直接触发该阀段，进行保护。第77页/共119页光发送板属VBE的一部分，分别装在3块不同扳子的激光二极管，在TCM的控制下，同时发出触发光脉冲送往阀上的MSC。在这里混合再均匀分配后触发一个阀段的每个晶闸管，光发送板是三取二的冗余系统，3路板中只要任意两路正常就能保证正常触发，故障的一块板可随意拆下检修或交换。光发送板第78页/共119页光接收板属VBE的一部分，接收从阀上TVM发来的“正向门槛达到”、“负电压建立”、“BOD动作”三个回报信号和一个附加的光发送系统试验回报信号。在这里经光电转换后供TCM监测读取。RPU控制板属VBE的一部分，在TCM的控制下，在晶闸管的反向恢复期启动阀上的RPU保护电路。光接收板及RPU控制板第79页/共119页换流阀控制系统框图 第80页/共119页阀冷却系统设计每个阀塔有独立的供水管，包括一路进水管和一路出水管，进水管和出水管从阀顶部到底部贯穿阀塔每个组件中进出水管与主水管的连接均采用并联方式，每个晶闸管散热器、阻尼电阻回路和单个电抗器与主水管的连接也采用并联方式。水的均压通过铂金电极完成，铂金电极插在每个组件的水管中和地电位处。第81页/共119页在阀组件设计中晶闸管采用两面冷却的方式，在晶闸管的两边都有一个铝制的散热器。而且连接晶闸管的水路采用并联连接的方式，保证晶闸管两侧散热器的进水都是凉冷却水（不同于串联连接中一侧是冷水，另一侧是热水），冷却效果好。在晶闸管硅堆两端，支水管的相应位置装有铂电极，这样布置能够保证在晶闸管散热器与支水管连接的支路水管两端不会产生电压差，避免散热器由于电解电流而引起电腐蚀。第82页/共119页晶闸管阀水路连接 第83页/共119页HVDC换流阀换流阀试验试验 试验是控制产品质量的有效手段，晶闸管换流阀的试验包括：换流阀型式试验、例行试验、抽样试验、长期老化试验和现场试验。对于HVDC换流阀的试验，通常依据IEC60700-1，1998的有关规定。不同的换流阀供应商对其质量控制都有其相应独特的要求，根据换流阀的设计特点，由换流阀供应商制定换流阀型式试验规范，业主、系统设计、监造商、供应商共同讨论认可型式试验规范。第84页/共119页换流阀型式换流阀型式试验试验换流阀型式试验分为运行型式试验和绝缘型式试验。（1）试品 运行型式试验试品单阀或与单阀数量相当的晶闸管组件、电抗器组件。绝缘型式试验试品独立完整的换流阀结构。所有的试品应适用相同的阀或组件。第85页/共119页2）试验顺序 绝缘型式试验运行型式试验3）实验程序 IEC600604）试验依据 IEC60700-1 1998、5）型式试验目的 绝缘型式试验试验：检验换流阀高电压下的性能 运行型式试验：检验换流阀的开通、关断及与电流特性有关的性能。第86页/共119页6）成功型式试验的判据任何一项型式试验后，如果短路的晶闸管级数大于1，则未通过型式试验。任何一项型式试验后，如果有1级晶闸管短路，允许需修复损坏的晶闸管级，重新进行该项试验。在重复进行某项型式试验时，如果再次发生任何一级或多级晶闸管短路，则未通过型式试验。应对阀或阀组件进行检查。如果试验中或试验后发现损坏的晶闸管级或附件，在下一项试验前允件更换。由于检查导至的短路晶闸管级也应按上述规定纳入判据中。第87页/共119页6）成功型式试验的判据除短路的晶闸管级外，在型式试验以及随后进行的检查中出现参数改变但尚未短路的晶闸管级数不能超过一个完整阀中全部晶闸管级数的3%。关于整体阀的型式试验判据：在试验中阀的外部闪络，阀冷却系统的损坏以及触发脉冲传输和分配系统的任何绝缘材料的击穿都是不允许的。任何元件、导体及其接头的温度，附近物体的表面温度都不能超过设计允许值。第88页/共119页换流阀换流阀绝缘型式试验绝缘型式试验1）阀基绝缘型式试验：阀的两个主要端子应连接在一起，直流电压施加在连接在一起的两个端子和地之间。试验项目试验项目试品试品直流耐压试验直流耐压试验交流耐压试验交流耐压试验操作冲击波耐压试验操作冲击波耐压试验雷电冲击波耐压试验雷电冲击波耐压试验陡波头冲击波耐压试验陡波头冲击波耐压试验考核目的：检查阀支承结构（包括阀支承结构内的冷却介质管道，光考核目的：检查阀支承结构（包括阀支承结构内的冷却介质管道，光纤通道等）具有足够的内部绝缘能力，能耐受所规定的各种试验电压，纤通道等）具有足够的内部绝缘能力，能耐受所规定的各种试验电压，并能保证在过电压条件下的局部放电不超过规定值。并能保证在过电压条件下的局部放电不超过规定值。阀基阀基第89页/共119页阀基直流耐压试验试验电压：UDC1=Udms1.6*katm 时间 1分钟UDC2=Udms1.3*katm 时间 3小时，在最后1小时测局部放电量Udms：出现在阀支撑上稳态运行电压的直流分量的最大值。对于双重阀结构高12脉动双重阀Udms=UDCmax/4*3，对于四重阀结构Udms=UDCmax/2。Katm：大气修正系数第90页/共119页阀基交流耐压试验试验电压：UAC1=Ums1.3*Katm 时间 1分钟UAC1=Ums1.15*Katm 时间 30分钟，在规定的30分钟试验期间内，测量局部放电量Ums：稳态运行（包括换向过冲）期间阀支撑上的最大重复运行电压的峰值。Katm：大气修正系数第91页/共119页阀基操作冲击波耐压试验正负极性各3次。采用符合IEC60060的标准操作冲击电压波形。试验电压的选择应符合HVDC直流站的绝缘配合,试验时考虑大气修正系数及一定的试验安全系数。对于双重阀结构，高12脉动阀组的阀基操作冲击波耐受电压以高12脉动桥6脉动母线避雷器操作保护水平为依据。对于四重阀结构，高12脉动阀组的阀基操作冲击波耐受电压以双12脉动桥400kV母线避雷器操作保护水平为依据。波形：250/2500us第92页/共119页阀基雷电冲击波耐压试验正负极性各3次。采用符合IEC60060的标准雷电冲击电压波形。试验电压的选择应符合HVDC直流站的绝缘配合,试验时考虑大气修正系数及一定的试验安全系数。对于双重阀结构，高12脉动阀组的阀基雷电冲击波耐受电压以高12脉动桥6脉动母线避雷器雷电保护水平为依据。对于四重阀结构，高12脉动阀组的阀基雷电冲击波耐受电压以双12脉动桥400kV母线避雷器雷电保护水平为依据。波形：1.2/50us 第93页/共119页阀基陡波头冲击波耐压试验正负极性各3次。试验电压的选择应符合HVDC直流站的绝缘配合,试验时考虑大气修正系数及一定的试验安全系数。对于双重阀结构，高12脉动阀组的阀基陡波冲击波耐受电压以高12脉动桥6脉动母线避雷器陡波保护水平为依据。对于四重阀结构，高12脉动阀组的阀基陡波冲击波耐受电压以双12脉动桥400kV母线避雷器陡波保护水平为依据。波形：1200kV/us 第94页/共119页2）多重阀(MVU)的绝缘型式试验：MVU高压端子和地之间 试验项目试验项目试品试品直流耐压试验直流耐压试验操作冲击波耐压试验操作冲击波耐压试验雷电冲击波耐压试验雷电冲击波耐压试验陡波头冲击波耐压试验陡波头冲击波耐压试验考核目的：验证多重阀单元整体结构以及多重阀考核目的：验证多重阀单元整体结构以及多重阀中各单阀之间具有足够的绝缘强度，考核绝缘配中各单阀之间具有足够的绝缘强度，考核绝缘配合，包括电晕和局部放电特性合，包括电晕和局部放电特性。MVU（四重阀或双重阀）（四重阀或双重阀）第95页/共119页 多重阀的绝缘试验除应完全满足IEC60700-1，1998中第7款的要求外，还应满足以下要求：(1)如果在多重阀中安装有阀避雷器，在试验中应仅装设阀避雷器外套。多重阀中可以不安装全部的阀组件，但需包含均压电路或补偿电容以确保试验中电压的适当分布。(2)多重阀中应包含所有冷却设备和控制设备，连接被试模块和处于地电位的元件，试验中的冷却介质参数（电导率、流量、温度）应与运行时相同。第96页/共119页MVU直流耐压试验试验电压：UDC1=Udmm1.6*katm 时间 1分钟UDC2=Udmm1.3*katm 时间 3小时，在最后1小时测局部放电量，局部放电的要求参见IEC60700-1，Udms：出现在MVU高压端子和地之间的稳态运行电压的直流分量的最大值。Katm：大气修正系数第97页/共119页MVU操作冲击耐压试验采用符合IEC60060的标准操作冲击电压波形试验电压：Ut=SIPLTh*k1*katmSIPLTh：MVU高压端子和地之间的避雷器操作波保护水平Katm：大气修正系数k1：试验安全系数,建议采用1.15第98页/共119页MVU雷电冲击耐压试验采用符合IEC60060的标准雷电冲击电压波形试验电压：Ut=LIPLTh*k1*katmLIPLTh：MVU高压端子和地之间的避雷器操作波保护水平Katm：大气修正系数k1：试验安全系数,建议采用1.15第99页/共119页MVU陡波头冲击耐压试验采用符合IEC60060的标准陡前冲击电压波形试验电压：Ut=SFIPLTh*k1*katmSFIPLTh：MVU高压端子和地之间的避雷器（CB2）陡波头保护水平Katm：大气修正系数k1：试验安全系数，建议采用1.2
