馬云龍，郝金鵬，李秀廣，馬 波，常彬

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，銀川 750011）

高電壓技術(shù)

高壓直流輸電換流閥晶閘管試驗(yàn)研究

馬云龍，郝金鵬，李秀廣，馬 波，常彬

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，銀川 750011）

針對(duì)高壓直流輸電換流閥晶閘管運(yùn)行過程中故障率較高的問題，通過對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)原理進(jìn)行分析，提出采用綜合換流閥測(cè)試儀進(jìn)行換流閥晶閘管試驗(yàn)的方法。應(yīng)用結(jié)果表明：綜合換流閥測(cè)試儀能有效檢測(cè)出換流閥中有故障的晶閘管，便于運(yùn)維人員及早進(jìn)行檢修或更換，從而有效保障直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

高壓直流輸電；換流閥；晶閘管；例行試驗(yàn)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)已成為世界最大的能源消費(fèi)國(guó)，但國(guó)內(nèi)能源生產(chǎn)和能源消費(fèi)呈現(xiàn)明顯的逆向分布，負(fù)荷中心主要在東部地區(qū)，能源基地主要分布在西部和北部地區(qū)［1］。傳統(tǒng)以化石能源為主的能源傳輸方式，受到環(huán)境保護(hù)、氣候變化、運(yùn)輸容量等因素的影響，已經(jīng)難以為繼，為滿足大容量、遠(yuǎn)距離、高效的能源傳輸需求，建設(shè)特高壓電網(wǎng)是現(xiàn)階段最優(yōu)的選擇［2-3］。

隨著技術(shù)的不斷成熟，基于晶閘管換流閥的高壓直流輸電技術(shù)在實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化配置方面有著獨(dú)特的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)得到了大量應(yīng)用。按照國(guó)家電網(wǎng)公司提出的建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、全球互聯(lián)的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略方針［2］，為滿足更遠(yuǎn)距離、更大容量的高壓直流輸電需求，對(duì)高壓直流輸電核心設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)研究，確保其安全、穩(wěn)定運(yùn)行，是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

1 晶閘管換流閥運(yùn)行中的問題

換流閥在高壓直流輸電中承擔(dān)交直流變換的功能，其運(yùn)行的性能直接關(guān)系整個(gè)輸電工程的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性［4］。晶閘管級(jí)作為構(gòu)成換流閥的核心元件，受到電力電子器件自身結(jié)構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境等條件的影響，在運(yùn)行中極易損壞。由電力電子系統(tǒng)可靠性調(diào)研報(bào)告［5］可知，功率器件是變流系統(tǒng)中失效率最高的部件，約占34%，因此為保證換流閥的安全穩(wěn)定運(yùn)行，除了在工程投運(yùn)前對(duì)晶閘管級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)外，需要定期對(duì)晶閘管級(jí)單元進(jìn)行例行試驗(yàn)［6-7］。換流站進(jìn)行年檢時(shí)，由于工作量大，時(shí)間緊，若采用傳統(tǒng)分離試驗(yàn)方式或只進(jìn)行部分試驗(yàn)，將無法保證例行試驗(yàn)的效果。因此，探索一套適合工程實(shí)際的換流閥晶閘管級(jí)綜合試驗(yàn)方法，對(duì)未來開展換流閥的例行試驗(yàn)十分必要［8］。

本文通過結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［9-10］要求，提出采用綜合換流閥測(cè)試儀進(jìn)行換流閥晶閘管試驗(yàn)方法，可以有效檢測(cè)出故障晶閘管，然后進(jìn)行檢修或更換，從而有效保證直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過在±800 kV特高壓直流輸電工程中的應(yīng)用，證明了該綜合測(cè)試裝置的試驗(yàn)方法較分離式試驗(yàn)方法能夠更高效地進(jìn)行晶閘管試驗(yàn)。

2 換流閥晶閘管試驗(yàn)

2.1 換流閥晶閘管級(jí)電氣結(jié)構(gòu)

隨著高壓直流輸電技術(shù)的不斷成熟，現(xiàn)階段換流閥多采用12脈動(dòng)換流器，使用2重閥或4重閥的形式，同時(shí)，設(shè)備制造廠結(jié)合多年生產(chǎn)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)換流閥采用模塊化設(shè)計(jì)：每個(gè)單閥由多個(gè)閥模塊串聯(lián)而成，閥模塊含有2個(gè)閥組件，閥組件則是由多個(gè)晶閘管級(jí)單元串聯(lián)形成。其中基本的晶閘管級(jí)單元是由晶閘管、晶閘管控制單元（（thyristor control unit，簡(jiǎn)稱TCU）、阻尼電路、均壓電路及并聯(lián)在晶閘管陰陽級(jí)的散熱器構(gòu)成［3］，原理如圖1所示。

圖1 換流閥電氣原理

晶閘管是晶閘管級(jí)的通流元件，由于現(xiàn)在技術(shù)成熟，因此不需要并聯(lián)來增加通流能力，但由于晶閘管是一種四層（P1-N1-P2-N2）三端（A、K、G）的半控功率半導(dǎo)體元件，只具備正向控制導(dǎo)通、反向截止的功能。在晶閘管兩端并聯(lián)著阻尼電路，主要功能是抑制關(guān)斷時(shí)的電壓過沖。均壓電路則均衡電壓分布，避免因?yàn)閰?shù)差異引起的阻斷狀態(tài)和陡前波狀態(tài)下的電壓分布不均。

模塊化換流閥多采用光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)方式，通過光纖將閥控系統(tǒng)輸出的觸發(fā)信號(hào)傳送到每個(gè)晶閘管級(jí)的TCU中，實(shí)現(xiàn)上百個(gè)晶閘管的可靠觸發(fā)，其觸發(fā)能量和工作電壓可由TCU從晶閘管的陰陽兩極中耦合取得；同時(shí)TCU中還集成了正向保護(hù)觸發(fā)和反向恢復(fù)期保護(hù)觸發(fā)，保證晶閘管在上述非正常工況下能夠產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，保護(hù)晶閘管免于承受過電壓。

2.2 換流閥晶閘管試驗(yàn)

高壓直流換流閥晶閘管級(jí)的試驗(yàn)主要針對(duì)組裝完成、運(yùn)行達(dá)到一定年限或大修等情況下，對(duì)換流閥組件及晶閘管級(jí)進(jìn)行的基礎(chǔ)性檢驗(yàn)，檢查換流閥整體性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)性能，閥組件和晶閘管級(jí)是否具有足夠的電氣絕緣性能，各組件的功能是否能在允許的范圍內(nèi)。

根據(jù)GB/T 20992—2007［9］、Q/GDW 1168—2013［10］及國(guó)內(nèi)外閥制造廠技術(shù)條件，晶閘管級(jí)試驗(yàn)主要開展以下幾個(gè)項(xiàng)目：阻抗試驗(yàn)、短路試驗(yàn)、低電壓觸發(fā)試驗(yàn)、反向恢復(fù)期保護(hù)觸發(fā)試驗(yàn)、電流斷續(xù)試驗(yàn)、正極性沖擊試驗(yàn)、負(fù)極性沖擊試驗(yàn)等。

2.3 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)時(shí)，一般將試驗(yàn)系統(tǒng)集成到一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，稱為換流閥功能測(cè)試儀（Valve Test Electronics，VTE）。根據(jù)試驗(yàn)功能需要，試驗(yàn)系統(tǒng)集成了工頻電源、沖擊電源和高頻電源等電源，通過高壓繼電器的時(shí)序控制完成三者之間的切換；同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部集成控制模塊、通訊模塊、輸入輸出（I/O）接口模塊以及系統(tǒng)內(nèi)部保護(hù)模塊等，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

為保證測(cè)試儀在升降車上使用及上下吊裝，需要對(duì)測(cè)試儀的外形尺寸、箱體結(jié)構(gòu)有一定要求：一般測(cè)試儀需要在下方加裝滾輪，頂部加裝吊扣；內(nèi)部元件安排緊湊以便縮小體積和重量；操作界面設(shè)計(jì)符合人體工學(xué)，便于試驗(yàn)人員在升降車上長(zhǎng)時(shí)間使用。

2.4 試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)原理

試驗(yàn)的項(xiàng)目可以根據(jù)試驗(yàn)性能的不同，分為阻抗類試驗(yàn)、觸發(fā)類試驗(yàn)、保護(hù)觸發(fā)試驗(yàn)和反向阻斷試驗(yàn)幾類。

阻抗試驗(yàn)主要是通過變頻電源和直流電源在晶閘管級(jí)兩端施加不同頻率段的電壓，測(cè)量流過的電流，計(jì)算該頻率段下電壓與電流的比值。對(duì)比該計(jì)算阻抗與設(shè)計(jì)值間的相對(duì)誤差，從而檢查出晶閘管兩端輔助回路中各元件參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求、接線是否符合標(biāo)準(zhǔn)。一般為綜合考慮系統(tǒng)成本和性能，采用峰值檢測(cè)的方式來測(cè)量電壓和電流信號(hào)，二者相除得到阻抗。試驗(yàn)原理如圖3所示。

圖3 阻抗試驗(yàn)原理

觸發(fā)類試驗(yàn)主要通過在晶閘管級(jí)兩端帶電的情況下，施加觸發(fā)信號(hào)，看晶閘管是否能夠可靠導(dǎo)通；在電流斷續(xù)時(shí)，能否補(bǔ)發(fā)脈沖，保持晶閘管持續(xù)導(dǎo)通。試驗(yàn)時(shí)使用變頻電源提供工頻電壓，通過電阻限制輸出的電流大小，電子開關(guān)給晶閘管級(jí)提供觸發(fā)指令，對(duì)觸發(fā)相角進(jìn)行控制。在整個(gè)過程中對(duì)晶閘管級(jí)試品兩端電壓電流進(jìn)行檢測(cè)，導(dǎo)通時(shí)，晶閘管處壓降近似于零。試驗(yàn)原理如圖4所示。

圖4 觸發(fā)試驗(yàn)原理

保護(hù)觸發(fā)試驗(yàn)考驗(yàn)的是晶閘管級(jí)單元在運(yùn)行中，承受正極性或負(fù)極性過電壓時(shí)，TCU能否緊急觸發(fā)晶閘管，保證過電壓不會(huì)對(duì)元件造成破壞。試驗(yàn)中，工頻電源提供晶閘管導(dǎo)通時(shí)需要的正向電壓和關(guān)斷時(shí)的反向截止電壓，沖擊電源模擬元件正常工作時(shí)遇到的暫態(tài)過電壓，兩種電源的切換由繼電器實(shí)現(xiàn)。在沖擊電壓后，切換到工頻電源對(duì)被試品施加連續(xù)N個(gè)正弦波（N可由技術(shù)協(xié)議規(guī)定），若晶閘管被緊急導(dǎo)通，則此時(shí)晶閘管陽極與陰極等電位，同時(shí)閥控系統(tǒng)會(huì)收到回報(bào)信號(hào)。試驗(yàn)原理如圖5所示。

圖5 保護(hù)觸發(fā)試驗(yàn)原理

晶閘管在運(yùn)行未導(dǎo)通時(shí)，主要承受反向電壓，為考驗(yàn)該工況下的元件絕緣性能，需要被試品通過阻斷電壓試驗(yàn)。該試驗(yàn)通過沖擊電源對(duì)被試晶閘管級(jí)兩端施加一定的沖擊電壓，通過檢測(cè)試品兩端電壓和流過的電流判斷試品是否被擊穿，試驗(yàn)的接線如圖6所示。

圖6 反向阻斷試驗(yàn)原理

試驗(yàn)系統(tǒng)的操作面板如圖7（a）所示，采用windows操作系統(tǒng)，操作界面如圖7（b）所示，同時(shí)留有各類接口和指示燈，便于工作人員使用圖形化的界面對(duì)試驗(yàn)流程進(jìn)行控制和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。

圖7 VTE試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)時(shí)，工作人員只需將換流閥的傳輸光纖與VTE相連（如圖7（c）所示），將試驗(yàn)線加至被試晶閘管級(jí)陰陽兩極，設(shè)置VTE中試驗(yàn)參數(shù)，做好儀器和閥塔的接地后，就可以開始一體化自動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)完畢后即可進(jìn)行下一級(jí)晶閘管的試驗(yàn)。每次試驗(yàn)僅需2～3人，大大減少了試驗(yàn)所需人數(shù)，提高了試驗(yàn)效率。

3 應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

3.1 方法應(yīng)用

2016年，在某±800 kV換流站內(nèi)晶閘管換流閥安裝完成滿足試驗(yàn)條件后，使用VTE對(duì)極Ⅰ、極Ⅱ共24個(gè)換流閥塔晶閘管級(jí)單元進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員分為2組，一組在閥廳內(nèi)使用升降車對(duì)各閥塔進(jìn)行試驗(yàn)，另一組在主控室內(nèi)觀察晶閘管試驗(yàn)中返回的各項(xiàng)報(bào)文。2組之間及時(shí)通過無線電聯(lián)系，協(xié)同進(jìn)行試驗(yàn)，正常進(jìn)行一組晶閘管的試驗(yàn)時(shí)間約在10 min左右。

在進(jìn)行阻抗試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行了直流阻抗、100 Hz和10 kHz的阻抗試驗(yàn)，其中一個(gè)晶閘管級(jí)典型試驗(yàn)的結(jié)果分別為104kΩ，988Ω，31Ω，滿足技術(shù)協(xié)議中規(guī)定。在進(jìn)行觸發(fā)試驗(yàn)時(shí)，通過將檢測(cè)晶閘管兩端的電壓和流過的電流值與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，在實(shí)測(cè)中，觸發(fā)后晶閘管兩端的電壓值均小于10 V，導(dǎo)通電流值大于1 A；同時(shí)在電流斷續(xù)時(shí)，補(bǔ)發(fā)脈沖，維持晶閘管導(dǎo)通。保護(hù)觸發(fā)和阻斷試驗(yàn)時(shí)，沖擊電壓的峰值的絕對(duì)值都超過8 kV，反向恢復(fù)期時(shí)沖擊電壓的峰值在2 kV左右，保護(hù)均正確動(dòng)作，及時(shí)觸發(fā)保證電流從晶閘管中流過。

3.2 效果評(píng)價(jià)

上述應(yīng)用結(jié)果表明，相較傳統(tǒng)分離式試驗(yàn)方法，本文所提出的試驗(yàn)方法不需要更改試驗(yàn)接線和試驗(yàn)設(shè)備，從而節(jié)約一半時(shí)間；當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果不合格時(shí)，VTE會(huì)自動(dòng)停止下一項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)人員根據(jù)未通過的試驗(yàn)項(xiàng)目可以迅速判斷出晶閘管單元故障部位，有效減少故障診斷時(shí)間；同時(shí)故障晶閘管級(jí)得到的數(shù)據(jù)，也為后續(xù)檢修、故障分析工作提供了可靠依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）基于晶閘管級(jí)的換流閥是高壓直流輸電的核心設(shè)備之一，但由于功率元器件故障率在整個(gè)系統(tǒng)中較高，為保證直流工程的正常運(yùn)行，需要在安裝完畢后、投運(yùn)達(dá)一定年限后對(duì)換流閥的晶閘管單元進(jìn)行例行試驗(yàn)，以及早發(fā)現(xiàn)劣化的晶閘管，進(jìn)行檢修或更換。

（2）使用集中式的試驗(yàn)系統(tǒng)，便于放置在升降車上進(jìn)行作業(yè)，對(duì)減少技術(shù)人員工作量、加快作業(yè)進(jìn)度有很極大幫助，尤其在換流站有限的年檢時(shí)間內(nèi)完成所有換流閥晶閘管的例行試驗(yàn)，減少因?yàn)槁┰囋斐扇毕蓦[患。

［1］ 劉振亞.中國(guó)電力與能源[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

［2］ 劉振亞.全球能源互聯(lián)網(wǎng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2015版.

［3］ 楊曉萍.高壓直流輸電與柔性交流輸電[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

［4］ 賀益康，潘再平.電力電子技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

［5］ 李武華，陳玉香，羅皓澤，等.大容量電力電子器件結(jié)溫提取原理綜述及展望[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（13）：3546-3557.

［6］ 查鯤鵬，周萬迪，高沖，等.高壓直流換流閥例行試驗(yàn)方法研究及工程實(shí)踐[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(2)：465-470.

［7］ 李輝.±800 kV特高壓直流換流站可控硅閥預(yù)試項(xiàng)目及其必要性探討[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2013，3：10-12.

［8］ 劉隆晨，岳珂，龐磊，等.高壓直流輸電換流閥晶閘管級(jí)單元綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，40(3)：756-761.

［9］ GB/T 20992—2007，高壓直流輸電用普通晶閘管的一般要求[S].

［10］Q/GDW 1168—2013，輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程[S].

Research and test on thyristor converter valve of high voltage direct current transmission

MA Yunlong，HAO Jinpeng,LI Xiuguang,MA Bo,CHANG Bin
(Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China)

Aiming at the problem of high failure rate of thyristor converter valve in high voltage direct current(HVDC)transmission operation,by analyzing each test principle puts forward the method of using integrated converter valve tester makes thyristor converter valve test.The application result shows that integrated converter valve tester can effectively detect the faulty thyristor converter valve, facilitate operation staff maintenance or replacement,ensure efficiently the safe operation of HVDC transmission system.

HVDC transmission;converter valve;thyristor;routine test

TM83

A

1672-3643（2017）01-0034-05

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.007

2016-10-12

馬云龍（1988），男，工學(xué)碩士，從事電氣設(shè)備技術(shù)監(jiān)督工作。

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.007