±660 kV直流輸電工程換流閥絕緣試驗(yàn)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(duì)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(jiǎn)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(yùn)行工況極為復(fù)雜，為了提高其安全可靠性，需對(duì)其進(jìn)行深入細(xì)致的試驗(yàn)研究。國際電工委員會(huì)(IEC)提出了直流輸電換流閥的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60700－1，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了針對(duì)高壓直流輸電換流閥可采取的試驗(yàn)手段，型式試驗(yàn)分為絕緣試驗(yàn)和運(yùn)行試驗(yàn)，其中絕緣試驗(yàn)針對(duì)閥對(duì)地、閥端間和閥相間的絕緣進(jìn)行，包括交、直流耐壓試驗(yàn)，沖擊電壓試驗(yàn)和局部放電試驗(yàn)；運(yùn)行試驗(yàn)是模擬閥實(shí)際運(yùn)行工況的試驗(yàn)方式，它包括周期觸發(fā)和熄滅試驗(yàn)、保護(hù)觸發(fā)連續(xù)動(dòng)作試驗(yàn)、短路電流試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)。這些試驗(yàn)項(xiàng)目的有效實(shí)施對(duì)保證換流閥在實(shí)際工況中的無故障運(yùn)行具有重要意義［3-6］。

針對(duì)本工程直流系統(tǒng)拓?fù)浜蛥?shù)設(shè)計(jì)［7-8］，對(duì)換流閥絕緣試驗(yàn)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(yàn)存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

(1)修正系數(shù)的確定。

(2)多重閥絕緣試驗(yàn)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(yàn)中試品閥加熱方案的確定［9］。

(4)單閥非周期觸發(fā)試驗(yàn)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(jì)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(duì)銀川東站換流閥進(jìn)行型式試驗(yàn)，但試驗(yàn)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(yàn)各試驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)，重點(diǎn)介紹試驗(yàn)難點(diǎn)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(gè)單閥串聯(lián)連接，結(jié)構(gòu)上形成1個(gè)閥塔。每個(gè)單閥包括10個(gè)閥模塊，由111個(gè)晶閘管級(jí)組成(包括4個(gè)冗余晶閘管級(jí))，布置在20個(gè)閥組件中，其中11個(gè)閥組件含6個(gè)晶閘管級(jí)和1個(gè)飽和電抗器，另外9個(gè)閥組件含5個(gè)晶閘管級(jí)和1個(gè)飽和電抗器。

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

2 試驗(yàn)判據(jù)

任何1項(xiàng)試驗(yàn)期間都不允許有1個(gè)以上的晶閘管級(jí)發(fā)生短路，如果有1個(gè)以上的晶閘管級(jí)發(fā)生短路，則認(rèn)為試品未通過該項(xiàng)型式試驗(yàn)。

如果型式試驗(yàn)期間有1個(gè)晶閘管級(jí)發(fā)生短路，應(yīng)當(dāng)修復(fù)該故障晶閘管級(jí)以繼續(xù)進(jìn)行型式試驗(yàn)。

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(yàn)期間，短路的晶閘管級(jí)數(shù)量累計(jì)不得大于3個(gè)晶閘管級(jí)。如果在所有型式試驗(yàn)期間累計(jì)有3個(gè)以上的晶閘管級(jí)短路，則認(rèn)為試品未通過型式試驗(yàn)。

型式試驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)對(duì)所有晶閘管級(jí)重復(fù)進(jìn)行《閥模塊例行試驗(yàn)規(guī)范》第3.1節(jié)規(guī)定的功能性(VTE)試驗(yàn)［11］，重復(fù)例行試驗(yàn)期間發(fā)生的晶閘管級(jí)短路應(yīng)計(jì)入型式試驗(yàn)判據(jù)。

在型式試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)的未導(dǎo)致晶閘管級(jí)短路的故障應(yīng)得到清除，以繼續(xù)進(jìn)行型式試驗(yàn)。通常應(yīng)由閥數(shù)據(jù)回報(bào)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)閥故障。如果在型式試驗(yàn)或隨后的例行試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)有3個(gè)以上的晶閘管級(jí)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(yàn)

在確定絕緣試驗(yàn)電壓參數(shù)時(shí)，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(chǎng)的海拔，本工程銀川東換流站取1 235 m；m值對(duì)雷電沖擊和工頻電壓取1，對(duì)操作沖擊進(jìn)行修正時(shí)，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(yàn)中的局部放電測(cè)量遵照標(biāo)準(zhǔn)IEC 60270進(jìn)行。交流耐壓試驗(yàn)局部放電測(cè)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(cè)量?jī)x器特性，以及用于排除與試驗(yàn)對(duì)象無關(guān)的放電脈沖的方法。每個(gè)晶閘管級(jí)門極電子電路取能單元消弧電路產(chǎn)生的電子噪聲都會(huì)被局部放電測(cè)試儀記錄，因此測(cè)量?jī)x器應(yīng)采用時(shí)間窗門，在每個(gè)周期中取能單元產(chǎn)生電子噪聲時(shí)關(guān)閉時(shí)間窗門以排除這些電子噪聲。如果測(cè)試儀不帶時(shí)間窗門，則應(yīng)區(qū)別并不計(jì)這些電子噪聲。

3.1 閥支架絕緣試驗(yàn)

在考慮了修正系數(shù)后，閥支架絕緣試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

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

3.2 多重閥絕緣試驗(yàn)

按照換流閥技術(shù)協(xié)議的要求，多重閥絕緣試驗(yàn)時(shí)，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(duì)被試多重閥對(duì)地雜散電容的影響。根據(jù)本工程閥廳設(shè)計(jì)，二重閥塔對(duì)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(chǎng)布置條件下可靠運(yùn)行，采取了更嚴(yán)苛的試驗(yàn)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(duì)地閃絡(luò)的概率，但試品閥耐受住了考驗(yàn)。

多重閥絕緣試驗(yàn)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(yàn)參數(shù)如表2所示。

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

3.2.1 試驗(yàn)難點(diǎn)1

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60700－1，多重閥試驗(yàn)要求針對(duì)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(shí)，一般實(shí)驗(yàn)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(duì)試品閥的影響，使得在試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)大廳，其基本原理是針對(duì)不同電氣強(qiáng)度下直流換流閥對(duì)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(jiǎn)化了試驗(yàn)準(zhǔn)備工作，縮小了試驗(yàn)場(chǎng)地面積，節(jié)省了試驗(yàn)費(fèi)用并提高了試驗(yàn)效率。但是在實(shí)際多重閥試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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?cè)姎庵狄孕纬稍囼?yàn)需要的等效負(fù)載電氣特性，P是對(duì)等效負(fù)載實(shí)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(yàn)難點(diǎn)2

多重閥雷電、陡波前沖擊試驗(yàn)裝置既包含沖擊試驗(yàn)裝置(沖擊源)，又包含交流裝置(為試品閥電子單元補(bǔ)能用，又稱為補(bǔ)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(shí)由于試驗(yàn)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(yàn)

單閥絕緣試驗(yàn)采用20個(gè)閥模塊，其中10個(gè)構(gòu)成試品閥，另外10個(gè)組成1個(gè)用于驗(yàn)證試品閥在運(yùn)行時(shí)能免受鄰近閥干擾的輔助閥(電磁干擾試驗(yàn))。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(yàn)外，試品閥的4個(gè)晶閘管級(jí)將被短接，以模擬試品閥失去冗余，只剩107個(gè)晶閘管級(jí)是完好的。輔助閥短路接地。

非周期觸發(fā)試驗(yàn)中，10個(gè)閥模塊構(gòu)成的輔助閥上的回報(bào)數(shù)據(jù)用于監(jiān)視電磁干擾。

單閥絕緣試驗(yàn)冷卻條件同多重閥絕緣試驗(yàn)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(yàn)，用于驗(yàn)證閥由于少量偶然泄漏的冷卻液而變濕時(shí)的電壓耐受能力，泄漏條件如下：流量15 L/min，+0，－5％；溫度為實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jì)算表明，對(duì)于單閥交、直流耐壓試驗(yàn)和操作沖擊試驗(yàn)，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(duì)比見表3。

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

單閥絕緣試驗(yàn)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(yàn)浪涌電流波形Fig.3 Surge current waveform under non-periodic firing test

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

3.3.2 試驗(yàn)難點(diǎn)1

對(duì)于單閥雷電和陡波前沖擊，應(yīng)進(jìn)行熱閥試驗(yàn)，可視實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況采用電加熱法或冷卻水加熱法實(shí)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(duì)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(yàn)涉及的試驗(yàn)裝置多，包括沖擊源、補(bǔ)能電源及其他隔離、保護(hù)裝置，且補(bǔ)能電源還分為試品閥補(bǔ)能電源和輔助閥補(bǔ)能電源。為了不增加試驗(yàn)復(fù)雜度，降低試驗(yàn)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(yàn)。

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

3.3.3 試驗(yàn)難點(diǎn)2

單閥非周期觸發(fā)試驗(yàn)可以采用2種試驗(yàn)拓?fù)洌床捎妙A(yù)先儲(chǔ)能的電容器對(duì)試品閥放電產(chǎn)生所需浪涌電流試驗(yàn)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(shí)地再現(xiàn)故障工況，但實(shí)際試驗(yàn)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(duì)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(shí)際試驗(yàn)時(shí)，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(jì)算出目標(biāo)電流波形后，繼續(xù)仿真計(jì)算采用電容器法時(shí)大電容的電容值，在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)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(yàn)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(duì)本工程換流閥設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和供貨提出了很大的挑戰(zhàn)，各典型工程浪涌電流對(duì)照見表5。

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

由表5可見，對(duì)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(yàn)風(fēng)險(xiǎn)極高，對(duì)試驗(yàn)裝置、試品提出了前所未有的挑戰(zhàn)。

為了確保本項(xiàng)試驗(yàn)的可行性，在開始試驗(yàn)之前，要求晶閘管元件供貨商(株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司，以下簡(jiǎn)稱株洲南車)先進(jìn)行8 kA浪涌電流試驗(yàn)。株洲南車對(duì)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(duì)隨機(jī)抽樣的5只晶閘管按照提出的試驗(yàn)條件開展了浪涌電流試驗(yàn)，5只晶閘管均通過了該項(xiàng)試驗(yàn)［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(yàn)方案，建立風(fēng)險(xiǎn)防范機(jī)制，深入研究試驗(yàn)裝置的配合，一次成功通過本項(xiàng)世界上難度最高、風(fēng)險(xiǎn)最高的試驗(yàn)，創(chuàng)造了新的試驗(yàn)強(qiáng)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(jì)提供了真實(shí)可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步拓展了國內(nèi)換流閥試驗(yàn)?zāi)芰Γ柟塘宋覈鴵Q流閥設(shè)計(jì)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(yàn)任務(wù)，為本工程換流閥順利投運(yùn)提供了重要的技術(shù)支撐。換流閥絕緣試驗(yàn)的試驗(yàn)難點(diǎn)及解決方案總結(jié)如下：

(1)電壓試驗(yàn)參數(shù)經(jīng)過了嚴(yán)格的修正；

(2)對(duì)多重閥絕緣試驗(yàn)中的等效負(fù)載以及多種試驗(yàn)裝置實(shí)施了隔離和/或保護(hù)；

(3)在單閥雷電和陡波前沖擊試驗(yàn)時(shí)利用冷卻水加熱法對(duì)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(yàn)方案，一次成功通過該項(xiàng)試驗(yàn)。

［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(yàn)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(bào)，2008，28 (36)：1-9.

［5］溫家良，湯廣福，查鯤鵬，等.高壓晶閘管閥運(yùn)行試驗(yàn)方法與試驗(yàn)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(yùn)行試驗(yàn)［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(qiáng)，賈濤，等.±500 kV HVDC換流閥沖擊試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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］.

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