直流输电工程晶闸管换流阀.ppt

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1、直流输电工程晶闸管换流阀 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 高高压压直直流流输输电电用用（HVDC）晶晶闸闸管管换换流流阀阀是是当当代代世世界界上上先先进进的的输输变变电电技技术术重重要要组组成成部部分分。直直流流输输电电以以其其特特有有的的优优点点，在在我我国国的的交交流流输输电电和和电电力力系系统统中中起起着着十十分分重重要要的的补补充充和和完完善善的的作作用用，具有广泛的发展前景。具有广泛的发展前景。换换流流阀阀是是直直流流输输电电的的核核心心

2、设设备备，它它是是集集高高电电压压、电电力力电电子子、自自动动控控制制、微微电电子子、光光电电技技术术等等为为一一体体的的高高新新技技术术产产品品，其其主主要要作作用用有有远远距距离离大大功功率率高高压压直直流流输输电电和和跨跨大大区区电电网网互互联联，其其价价值值约占其成套直流设备总价的约占其成套直流设备总价的22%左右。左右。n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。n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。

3、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。n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。一、概一、概 述述n直流输电中使用的换流阀是从汞弧阀开始的：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 2阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流200A200A，额定电压，额定电压50kV50kV。英法海峡工程英法海峡工程4

4、 4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流800A800A，额定电压，额定电压100kV100kV。意大利撒丁岛工程意大利撒丁岛工程4 4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1000A1000A，额定电压，额定电压100kV100kV。日本佐久间工程日本佐久间工程4 4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1200A1200A，额定电压，额定电压125kV125kV。库克海峡工程库克海峡工程4 4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1200A1200A，额定电压，额定电压125kV125kV。康梯斯坎工程康梯斯坎工程4 4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1200A1200A

5、，额定电压，额定电压125kV125kV。温哥华岛温哥华岛I I工程工程4 4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1200A1200A，额定电压，额定电压130kV130kV。太平洋联络线太平洋联络线I I工程工程6 6阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1800A1800A，额定电压，额定电压133kV133kV。伏尔加格勒顿巴斯伏尔加格勒顿巴斯1 1阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流900A900A，额定电压，额定电压125kV125kV。金斯诺思伦敦金斯诺思伦敦4 4阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1200A1200A，额定电压，额定电压133kV133kV。纳尔逊

6、河工程纳尔逊河工程6 6阳极汞弧阀，额定电流阳极汞弧阀，额定电流1800A1800A，额定电压，额定电压150kV150kV。n从从1970年开始，在瑞典的哥特兰岛扩建工程中首次采年开始，在瑞典的哥特兰岛扩建工程中首次采用晶闸管换流阀，额定电流用晶闸管换流阀，额定电流200A，额定电压，额定电压50kV。到目前为止，晶闸管换流阀的额定电流最高达到目前为止，晶闸管换流阀的额定电流最高达4500A，额定电压最高达，额定电压最高达800kV。n根据触发方式不同，晶闸管阀又可分为电触发晶闸管根据触发方式不同，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。换流阀和光触发晶闸管换流阀。n晶闸管阀

7、有空气绝缘和油绝缘两种，空气绝缘占主导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。式，其中以水冷的效果最好。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1200A1200A，额定电压，额定电压500kV500kV。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1800A1800A，额定电压，额定电压500kV500kV。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3000A3000A，额定电压，额定电压500kV500

8、kV。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3000A3000A，额定电压，额定电压500kV500kV。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3000A3000A，额定电压，额定电压500kV500kV。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3000A3000A，额定电压，额定电压500kV500kV。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3000A3000A，额定电压，额定电压120kV120kV。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3000A3000A，额定电压，额

9、定电压125kV125kV。国内已投运直流工程晶闸管换流阀：国内已投运直流工程晶闸管换流阀：n包括特高压直流工程在内的目前国内直流工程使用的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流阀将采用光触发晶闸管，其它工程均采用电触发晶闸管。闸管。n由于晶闸管目前仍是耐压水平最高、输出容量最大的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

10、用领域，在国内电力电子器件，在大容量、高电压应用领域，在国内外已经投运的近外已经投运的近90项直流输电工程中，绝大多数采用项直流输电工程中，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晶闸管直流换流阀。特别是近些年在我国取得重大发展的展的800kV 级特高压直流输电技术采用了基于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。晶闸管的直流换流阀技术。n800kV特高压直流输电工程中的晶闸管换流阀采用了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

11、有结构紧凑、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。可靠性高、损耗低的特点，并配备有完善的防火系统。n这种换流阀经过了严格的型式试验的检验，试验结果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。全运行提供了可靠保证。二、晶闸管二、晶闸管n为了实现电流形态的转换，换流阀必须采用非线性器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

12、不同而发生很大的件，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方向，称之为正方向，这时换流阀的正向导通电阻很小小;而在反方向，电流根本不能导通，其反向电阻可而在反方向，电流根本不能导通，其反向电阻可以认为是无穷大。以认为是无穷大。n晶闸管是由晶闸管是由PNPN四层半导体构成的，它中间形成三四层半导体构成的，它中间形成三个个PN结。由最外层的结。由最外层的P和和N分别引出两个电极，成为分别引出两个电极，成为阳极和阴极，由中间的阳极和阴极，由中间的P引出控制极。

13、引出控制极。n晶闸管是一个可以控制的单方向导通的半导体元件。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。二极管的正向特性相似。n晶闸管的导通有两个基本条件，一个是施加正向电压，晶闸管的导通有两个基本条件，一个

14、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。管才能安全导通。n晶闸管正向能够通过多大电流，归根结蒂由管芯的允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许温度(环温加上环温加上P结温结温)决定的。导致管芯温度升高决定的。导致管芯温度升高的因素有环境温度、元件的各种损耗，以及冷却系统的因素有环境温度、元件的各种损耗，以及冷却系统能力。能力。n元件的损耗包括：正向导通损耗、泄漏损耗、开关损元件的损耗包括：正向导通损耗、泄漏损耗、开关损耗等。耗等。n环境温度一般情况下比设备温度底，有利于散热。环境温度一般情况下比

15、设备温度底，有利于散热。n冷却系统可以带走损耗产生的热量，降低元件温度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换流阀的通流能力就是上述三个因素综合作用的结果n晶闸管通常与控制、辅助设备及阳极电抗器晶闸管通常与控制、辅助设备及阳极电抗器(又称又称di/dt 电抗器，为饱和电抗器电抗器，为饱和电抗器)及阻尼回路元件等组装及阻尼回路元件等组装在一起，如下图所示：在一起，如下图所示：n在施加触发信号晶闸管开始导通的初期，只在硅片上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靠近控制极的很小区域里导通，然

16、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，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。闸管局部过热造成的损坏。n如果在晶闸管两端突然施加一个正向电压，即使这个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。为了限制电压未超过转折电压，也会使晶

17、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。成的误导通。n晶闸管在从导通状态变成截止状态需要一定的时间，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。再次导通，造成阀的换相失败。n近十年来晶闸管技术发展迅猛，通过改进技

18、术和工艺，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），最高阻断电压为英寸），最高阻断电压为8.5kV。n特高压直流输电工程采用了特高压直流输电工程采用了6英寸的晶闸管，额定电英寸的晶闸管，额定电流流4500A，短路电流，短路电流46-50kA，最大的非重复正向电，最大的非重复正向电压压VDSM的承受能力为的承受能力为8kV，最大的反向非重复电压承，最大的反向非重复电压承受能力为受能力为8.5kV。这

19、种规格的晶闸管在直流工程中第。这种规格的晶闸管在直流工程中第一次采用。一次采用。三、换流阀结构三、换流阀结构n晶闸管换流阀是由晶闸管元件及其相应的电子电路、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。流能力。n早期的直流输

20、电工程多采用早期的直流输电工程多采用6 脉动换流器作为基本换脉动换流器作为基本换流单元。由于流单元。由于6脉动换流器会在交直流侧产生较多的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低次谐波，因此在现代高压直流工程中均采用12 脉脉动换流器作为其基本单元。因此可以认为三相动换流器作为其基本单元。因此可以认为三相6 脉动脉动换流器由换流器由6个桥臂组成个桥臂组成;直流输电常用的直流输电常用的12 脉动换流脉动换流器则由器则由12 个桥臂组成。个桥臂组成。典型传统HVDC换流器单线原理图换流阀结构示意图换流阀结构示意图晶闸管及晶闸管级n晶闸管级由晶闸管元件及其所需的触发

21、、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。n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。阀组件n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。单阀单阀n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，故又称为阀臂多重阀（双重阀）多重阀（双重阀）n双重阀是将双重阀是将2个单阀串联连接，个单阀串联连接，结构上做成一个阀塔。结构上做成一个阀塔。500kV高压直流输电工程每个换

22、流站高压直流输电工程每个换流站共需要共需要12个这样的双重阀，每个这样的双重阀，每个双重阀塔如左图所示个双重阀塔如左图所示。二重二重阀阀接接线线示意示意图图四重阀接线示意图四重阀接线示意图贵州广东二回直流输电工程换流贵州广东二回直流输电工程换流阀外形图阀外形图 四、四、换流阀的电气特点n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。n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。n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

23、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。n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。n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。n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

24、压，阀的耐受水平高于避雷器保护水平15%。n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。n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。n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

25、.10，这是决定阀臂最小串联元件数时应予以考虑的因素。n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。n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。n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

26、力。n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n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。五、五、换流阀的控制保护系统n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。n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

27、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。n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。n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。n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n换流阀运行还需要相关的外围设备触发与在线监控装置n整

28、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六、六、换流阀的冷却系统n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n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。内冷水系统n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

29、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。n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。外冷却系统n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。n800kV直流输

30、电工程均采用二次水喷淋冷却方式七、阀厅布置n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。德宝工程换流阀设计德宝工程换流阀设计12脉动换流阀的主要电气性能数据：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1500MW1500MW额定直流电压额定直流电压500kV50

31、0kV最大稳态直流电压最大稳态直流电压515kV515kV额定直流电流额定直流电流3000A3000A最小直流电流最小直流电流300A300A德宝工程德宝工程1212脉动换流阀技术参数脉动换流阀技术参数额定触发角额定触发角1515额定功率最大触发角额定功率最大触发角17.517.5+0.5+0.5额定功率最小触发角额定功率最小触发角12.512.5-0.5-0.5最小触发角最小触发角5 5额定熄弧角额定熄弧角1717额定功率的最大熄弧角额定功率的最大熄弧角1717+1+1额定功率的最小熄弧角额定功率的最小熄弧角1717-1-1最小熄弧角最小熄弧角1616德宝换流阀结构设计德宝换流阀结构设计n德

32、宝工程每个四重阀由德宝工程每个四重阀由4个单阀串联组成，一个完个单阀串联组成，一个完整的单阀由整的单阀由3个晶闸管组件串联而成，每个晶闸管个晶闸管组件串联而成，每个晶闸管组件包括组件包括2个阀段，因此一个四重阀包括个阀段，因此一个四重阀包括12个晶闸个晶闸管组件。管组件。n2个晶闸管阀段在组件中间，电抗器单元在组件端个晶闸管阀段在组件中间，电抗器单元在组件端部，每个硅堆与部，每个硅堆与2个电抗器单元组成个电抗器单元组成1个阀段。个阀段。n德宝工程换流站的晶闸管组件每个硅堆设计有德宝工程换流站的晶闸管组件每个硅堆设计有13只晶只晶闸管元件，由串联的晶闸管元件及散热器压装成一个闸管元件，由串联的晶

33、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硅堆，串联两个饱和电抗器，再并联一个冲击均压电容组成。容组成。n冷却水主管道和光缆槽均从阀顶部接入，这种结构同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。组件直接安装在阀厅顶部的悬吊绝缘子上。n每个阀段包括晶闸管及其散热器，压装结构，阻尼回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（路，晶闸管控制和监测板（TVM），阀电抗器以及），阀电抗器以及冲击均压电容。大功率冲击

34、均压电容。大功率5英寸晶闸管能够满足额定电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。部连线异常简捷。更换晶闸管时无需断开任何水接头。n阀组件四周的铝型材屏蔽罩，一方面满足电磁屏蔽的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功能，另一方面又作为阀

35、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。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，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。纳地震时产生的振动位移。n晶闸管硅堆主要由端板、夹紧板、晶闸管、水冷散热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、器和碟弹单元组成。

36、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。良好的接触，以保证散热和电联接。n高压直流输电阀的冷却水采用去离子水，电导率最大高压直流输电阀的冷却水采用去离子水，电导率最大为为0.5s/cm。水路将阀各个不同电位的电器件连接起。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

37、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。的电解腐蚀。n来自冷却系统的冷却水管连接到四重阀的上部，来自冷却系统的冷却水管连接到四重阀的上部，1进进1出水管由上部垂直向下进入阀体。水管连接成弯曲形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电位的单阀而产生的漏电

38、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。电极控制水管中冷却水的电位。n阀塔悬吊部分的作用是将组阀塔悬吊部分的作用是将组件、阀底屏蔽框机械的串联件、阀底屏蔽框机械的串联在一起，组成一个水平方向在一起，组成一个水平方向可任意摆动的柔性结构，以可任意摆动的柔性结构，以满足抗震、冲击要求。满足抗震、冲击要求。n阀塔层间连接选用标准的硅阀塔层间连接选用标准的硅橡胶绝缘子，它除了具有足橡胶绝缘子，它除了具有足够的机械强度外，也保证了够的机械强度外，也保证了层与层之间需要的空气绝缘层与层之间需要的空气绝缘

39、距离和爬电距离。距离和爬电距离。德宝换流阀防火设计德宝换流阀防火设计n尽管换流阀设计采取了多种防火措施，着火的可能性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。这方面采取了一些措施。n换流阀材料选择时，需考虑材料的阻燃特性。换流阀换流阀材料选择时，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

40、阻燃特性（根据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。烧后跌落物不会引起火灾。n一些少量零件（例如塑料螺钉）防火阻燃等级为一些少量零件（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，但因其数量少，又分布于整阀中，引起火灾的可能性极小。的可能性极小。n唯一不容忽视的是光缆，阻燃等级为唯一不容忽视的是光缆，阻燃等级为UL 94 HB的部的部件，但光缆不是起火根源，并且采取了充分的屏蔽措件，但光缆不是起火根源，并且采取了充分的屏蔽措施

41、防止火灾。光缆被全部埋入光缆槽里，光缆槽为玻施防止火灾。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，阻燃等级为璃丝加强的环氧塑料，阻燃等级为UL 94 V-0。光缆。光缆槽装有防火材料，以隔绝火的扩散槽装有防火材料，以隔绝火的扩散。德宝换流阀电气设计德宝换流阀电气设计德宝工程换流站换流阀的绝缘水平德宝工程换流站换流阀的绝缘水平 换流阀电压耐受能力换流阀电压耐受能力 n单阀串联晶闸管元件数由下式确定：单阀串联晶闸管元件数由下式确定：nmin=SIPLkdkim/VDSM=73.6其中：其中：SIPL：跨阀的操作波保护水平；：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；

42、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；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；：晶闸管断态非重复峰值电压；考虑考虑3%冗余取冗余取nmin=74，工程设计仅需要，工程设计仅需要76只晶闸管只晶闸管串联，本工程设计单阀为串联，本工程设计单阀为78只只。单阀晶闸管串联数单阀晶闸管串联数 nLTT晶闸管的门极触发由光脉冲完成。光脉冲是由阀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（底部电子柜（VBE）通过光缆系统直接触发每个晶）通过光缆系统直接触发每个晶闸管的门极。因此，闸管的门极。因此，ETT阀中的晶闸管门极电子电路、阀中的晶闸管门极电

43、子电路、辅助电源以及任何防止电磁干扰的设备（辅助电源以及任何防止电磁干扰的设备（EMI）是不）是不需要的。需要的。n当超过其允许电压值时，集成在光触发晶闸管内的正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向保护BOD触发该晶闸管。外部的保护触发回路常触发该晶闸管。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用于电触发的晶闸管。光触发晶闸管不再需要这些回路。路。阻尼均压回路阻尼均压回路 n阀饱和电抗器主要功能如下：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；限制晶闸管开通的电流上升率；限制晶闸管瞬态陡前波冲击电压；限制晶闸管瞬态陡前波冲击电压；和阻尼电路

44、配合，改善串联联接的晶闸管间的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不均匀分布n电抗器参数及外型的设计原则：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。量要易于维护和检修。每个阀段设计有两台电抗器。阀饱和电抗器阀饱和电抗器n为确保因杂散电容的影响，造成瞬态陡波冲击在阀段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，每个阀段并联一个间的不均匀分布，每个阀段并联一个5.5nF 的冲击电的冲击电容容,内部绝缘采用为氮气和内部绝缘采用为氮气和SF

45、6气体，护套为硅橡胶并气体，护套为硅橡胶并设计有一定的爬电距离，电压与设计有一定的爬电距离，电压与13个晶闸管串联时阀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。计时充分考虑了冲击电容与周围带电体的空气间隙。组件均压电容组件均压电容 德宝换流阀保护德宝换流阀保护n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。每个单阀由的。每个单阀由78只只3000A/8kV的的LTT晶闸管串联而成。晶闸晶闸管串联而成。晶闸管为电力半导体

46、器件，对电压、电流的过载能力较低，通常当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，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。每个单阀均并联一个阀避雷器。避雷器保护避雷器保

47、护 n在德宝工程中，考虑每个单阀去掉在德宝工程中，考虑每个单阀去掉3个冗余其耐压水个冗余其耐压水平为：平为：8kV 75=600kV，考虑到晶闸管均压的不均匀，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：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：阀避雷器保护动作值设定为：496.3kV，即在阀耐压，即在阀耐压水平的水平的87%左右阀避雷器保护动作从而有效保护阀左右阀避雷器保护动作从而有效保护阀n作为第二级保护，换流阀通常在每个作为第二级保护，换流阀通常在每个LTT晶闸管内集晶闸管内集成了一个成了一个BOD器件（器件（Break Over Di

48、ode）作为该晶闸）作为该晶闸管的正向保护。管的正向保护。BOD动作电压为动作电压为7500V 100V。整阀。整阀的的BOD正向保护水平为正向保护水平为7500 75=562.5kV。考虑到。考虑到BOD动作的分散性和晶闸管均压的不均匀性，设计动作的分散性和晶闸管均压的不均匀性，设计确认的确认的BOD保护动作值为保护动作值为536kV。BODBOD保护保护 n晶闸管在电流过零关断后，由于结电容存在一个反向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恢复电流，这就需要一定的反向恢复时间。n在反向恢复期内载流子依然很活跃，过高的在反向恢复期内载流子依然很活跃

49、，过高的du/dt导导致反向恢复电流过大，造成硅片局部过热而损坏晶闸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，在换流阀中设计了的损坏。因此，在换流阀中设计了RPU单元对单元对晶闸管在反向恢复期进行保护晶闸管在反向恢复期进行保护。反向恢复期保护反向恢复期保护 n德宝工程中德宝工程中LTT晶闸管反向恢复期为：晶闸管反向恢复期为：300 s 400 s。设计最终考虑。设计最终考虑3倍的裕度，保护区间设定为倍的裕度，保护区间设定为1.3ms。du/dt动作值设定为动作值设定为100V/s。n

50、电流保护电流保护 晶闸管换流阀的电流保护是：晶闸管换流阀的电流保护是：过电流保护；过电流保护；短路电流保护；短路电流保护；换相故障保护；换相故障保护；误触发过流保护。误触发过流保护。n漏水保护漏水保护 膨胀水箱膨胀水箱n烟雾报警系统烟雾报警系统 其它保护其它保护晶闸管冗余和可靠性晶闸管冗余和可靠性 n冗余量必须满足下面要求：冗余量必须满足下面要求：（1）在运行的）在运行的12个月中，一个完整个月中，一个完整12脉动换流阀，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：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晶闸管损坏最大量是3只。只。（2）冗余量不能小于