一種±800 kV直流換流閥技術改進方案及驗證

郝長城，王華鋒，楊萬開，王斌澤，周亮

(1.國網智能電網研究院，北京市 102209；2.中國電力科學研究院，北京市 100192；3.中電普瑞電力工程有限公司，北京市 102200)

一種±800 kV直流換流閥技術改進方案及驗證

郝長城1，王華鋒1，楊萬開2，王斌澤1，周亮3

(1.國網智能電網研究院，北京市 102209；2.中國電力科學研究院，北京市 100192；3.中電普瑞電力工程有限公司，北京市 102200)

哈密—鄭州±800 kV直流輸電工程哈密南換流站極Ⅱ低端換流閥技術改進工程是國內首次對國外品牌換流閥進行技術改進的工程。首先對原國外品牌換流閥的技術缺陷及相應技術改進方案進行了介紹。然后對工程現場分系統調試、站系統調試和系統調試等方案的設計和主要創新點進行梳理。最后對工程現場調式情況進行了介紹，結果顯示，改進后的換流閥直流均壓電阻運行溫度顯著降低，晶閘管狀態檢測機制更加完善。試驗中未出現保護誤動作或故障跳閘等錯誤，未出現換相失敗等異常問題,改進后的換流閥性能參數滿足工程設計要求。

高壓直流輸電(HVDC)；換流閥；型式試驗；工程調試

0 引 言

哈密—鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程(以下簡稱哈鄭工程)是國家“疆電外送”的首個特高壓項目，是我國“西電東送”能源戰略的重要組成部分。工程西起新疆維吾爾自治區哈密地區的哈密南換流站，東至河南省鄭州市鄭州換流站，輸電距離約為 2 210 km，額定功率為8 000 MW，額定電壓為 ±800 kV，額定電流為5 000 A[1]。

哈鄭工程哈密南換流站極Ⅱ低端換流閥采用某國外品牌。在國內多個已投運直流輸電工程中發現，該換流閥存在部分設計缺陷，為了提升工程運行的可靠性，國家電網公司決定在哈密南換流站對該換流閥進行技術改進。改進后的換流閥于2015年1月30日通過工程調試和試運行，正式投入商業運行。

本文對該國外品牌換流閥在工程運行中出現的直流均壓電阻溫度過高，在逆變側運行時會出現換相失敗等問題進行介紹，并提出將直流均壓電阻外移、替換閥基電子設備(valve base electronics, VBE)、完善軟件保護邏輯等相應的技術改進方案。將本文提出的技術改進方案應用于哈鄭工程哈密南換流站極Ⅱ低端換流閥的改進中。改進后的換流閥順利通過了型式試驗和例行試驗、現場分系統調試、站系統調試和系統調試等一系列試驗驗證。

本次換流閥技術改進是國內首個對已投運的國外換流閥進行的技術改進工程，是國外換流閥技術和國內換流閥技術的首次融合。此類直流輸電工程國內尚沒有相關工程調試經驗供借鑒。本文重點對工程現場試驗內容進行介紹，對試驗方案的創新點進行總結和梳理。

1 換流閥技術改進方案

1.1 該國外品牌換流閥主要設計缺陷

在±800 kV直流輸電工程復龍站、錦屏站的實際運行及哈密換流站的建站工程調試中發現，該國外品牌換流閥主要存在以下設計缺陷[2-3]。

(1)大功率的直流均壓電阻設置在晶閘管觸發監測板上而沒有相應的散熱措施，使該器件運行溫度長期在90 ℃以上，對電阻自身及周圍元器件的使用壽命存在不利影響，并影響換流閥長期安全穩定運行。

(2) 由于VBE的觸發監控邏輯不夠完善，逆變運行狀態下反向恢復期保護有誤動作的現象，引起晶閘管狀態檢測錯誤，或逆變運行時發生換相失敗等問題。

(3)換流閥阻尼電阻水容積較小，偏小的冷卻容量導致閥冷卻系統低流量保護動作延時過短。該國外品牌換流閥低流量保護動作延時為3 s，低于采用其他技術路線的換流閥的設計水平。

1.2 技術改進方案

本次技術改進主要針對晶閘管觸發監測板、阻尼電阻、直流均壓電阻、VBE和通信光纜等部件。針對上述技術缺陷，經過系統仿真分析、理論計算和電氣試驗，最終確定在不改變換流閥整體結構的前提下，采用運行可靠性較高的具有完全自主知識產權的A5000型換流閥設計技術對該換流閥進行技術改進。

1.2.1 改進直流均壓回路設計

原換流閥的直流均壓電阻安裝在TFM板卡上，導致TFM板溫度偏高。為了解決該問題，采用A5000型換流閥直流均壓回路設計技術將直流均壓電阻從原觸發監測板中移出，并安裝在水冷散熱器表面。通過此項改進可增大直流均壓電阻散熱效率，降低運行溫度，提高換流閥防火性能。由于更換了晶閘管觸發監測單元，重新設計的直流均壓電阻阻值由500 kΩ變更為102 kΩ，其運行功率減小為30 W。

1.2.2 改進阻尼回路設計

采用A5000型換流閥阻尼電阻設計技術研發新的具有大冷卻容量的阻尼電阻替代原阻尼電阻，并改單電阻結構為雙電阻并聯結構。完成該項改進后，阻尼電阻水容積得到了提升，電阻體積增大后，水容量增加了0.366 L，整個閥模塊約增加10.98 L。改進示意圖如圖1所示。

圖1 阻尼電阻改進示意圖Fig.1 Improvement of damping resistor

1.2.3 升級晶閘管觸發監測板設計

依據A5000型換流閥晶閘管觸發監測板設計技術，研制可靠性更高的新型換流閥晶閘管觸發監測板替代原國外技術產品，加入了阻燃板等防火措施，并采用垂直插拔和U型槽固定的方式，有效減少換流閥運行過程中，振動對板卡所產生的影響，并降低火災發生概率。改進示意圖如圖2所示。

圖2 觸發監測單元改進示意圖Fig.2 Improvement of trigger monitoring unit

1.2.4 完善換流閥觸發與保護邏輯功能設計

采用接口技術成熟的A5000型換流閥VBE替代原VBE，消除原VBE的邏輯設計缺陷。用A5000型換流閥高壓光纖替換原有光纖和信號傳輸電纜，使VBE、換流閥觸發監測單元、控制保護系統間信號全部采用光信號傳輸，使二次系統間配合更加穩定、可靠。

2 技術改進方案廠內驗證試驗

按照上述技術改進方案完成對換流閥模塊的一系列改進后，依據相關國際標準對其電氣性能進行校核與試驗驗證。廠內試驗主要包括型式試驗和例行試驗2部分。

2.1 型式試驗

型式試驗是對換流閥運行性能、電氣應力、損耗及散熱特性等進行的全面測試，是對改進方案的結構設計、電氣設計和水路設計是否滿足工程運行要求的最基本驗證。按照IEC 60700—1《高壓直流輸電晶閘管閥—第1部分》等標準，對完成技術改進的換流閥進行表1所列的型式試驗[4]。

表1 改進后換流閥型式試驗項目

Table 1 Type test items of improved thyristor valve

2.2 例行試驗

例行試驗主要完成對改進后的閥模塊進行逐個晶閘管級觸發性能測試、耐壓性能和水路密封性的出廠測試試驗。具體包括閥模塊外觀檢查、阻尼回路參數測量、觸發監測單元功能測試、晶閘管級低壓觸發測試、晶閘管級交流耐壓試驗、水壓試驗等。

2.3 試驗情況及結論

2.3.1 型式試驗

本次換流閥改進后的型式試驗均嚴格按照IEC 60700—1標準完成，試驗結果合格。具體的試驗接線、試驗方法本文不再贅述。

試驗中換流閥最大持續運行試驗電流達5 300 A，最大暫態運行負載試驗時間達10 s。以上試驗結果表明換流閥改進后，運行特性、絕緣配合設計滿足工程運行要求。

2.3.2 例行試驗

改進后的換流閥閥模塊均通過了全部例行試驗。試驗結果表明，晶閘管級阻尼回路與觸發監測單元配合良好，具有正常完成晶閘管同步觸發和過電壓保護等功能。閥組件交流耐壓性能良好。改進后的水路沒有出現漏水現象，晶閘管級長期低壓觸發過程中沒有發生元器件過熱現象。

3 工程調試方案及創新點

3.1 本次工程調試方案制定依據

本次換流閥技術改進工程調試方案調試項目的確定參考了“三常”、“三廣”、“錦蘇”、“哈鄭”等工程調試方案，并結合此次換流閥技術改進工程的技術特殊性對常規的工程試驗項目進行了必要的調整和精簡[3-5]。

本次換流閥技術改進工程調試方案主要基于本工程的以下特殊性進行編制。

(1)本次換流閥技術改進工程是基于已投運的換流閥進行的，是對換流閥進行的局部改進。經計算分析，改動部分對原換流閥整體絕緣性能等一次設備參數無影響。

(2)本次換流閥技術改進工程分系統調試范圍只包括換流閥、VBE及控制保護中與VBE接口的設備。對其他未改動設備不再重復分系統調試。

(3)本次工程調試的試驗目的主要是驗證改進后，二次設備邏輯配合的正確性，一次設備不是主要的試驗對象。

(4)基于A5000型換流閥設計技術的換流閥，已具備包括哈密南換流站極Ⅰ在內的多個直流輸電工程應用經驗，其在哈密南換流站的應用可靠性在建站試驗中已經得到充分驗證，對相關換流閥保護邏輯設計等內容可以進行適度精簡。

(5)哈鄭工程在此次換流閥技術改進前已經投入商業運行近1年，換流變、直流場、交流場、輸電線路等設備的可靠性已經得到了充分驗證，此次工程系統調試不必重復相關的設備試驗項目。對工程調試試驗項目的科學精簡可以有效縮短工程工期，節約工程成本。

3.2 本次工程調試項目

基于以上工程調試方案設計依據，本次換流閥改進工程的分系統、站系統和系統調試項目如表2所示[5-11]。

通過以上試驗項目可以全面驗證本次換流閥技術改進后，直流系統一次和二次設備功能的正確性和運行的可靠性。

3.3 調試技術創新點

本次工程調試對象不同于以往所有的直流輸電工程換流站，其一次核心設備換流閥是在不改變原換流閥一次主結構的前提下，通過對閥上阻尼電阻、觸發監測板、VBE等設備，采用國內換流閥技術進行的局部改進。盡管2種技術路線的換流閥均具備成熟的工程調試經驗，但2種技術融合后的換流閥工程調試尚屬首次。

表2 哈密南換流閥改進工程調試試驗項目

Table 2 Improvement project commissioning

items of Southern Hami converter

3.3.1 對不同技術路線換流閥工程調試技術進行創新性的技術融合

分系統調試中，主要采用A5000型換流閥分系統調試技術，結合改進后換流閥的一次元件參數變化理論計算值和原換流閥晶閘管等元件保護閾值設定值，確定分系統調試項目和調試方案。

在站系統調試和系統試驗設計中充分考慮換流閥電抗器、晶閘管等主體一次設備元件為國外產品和觸發監測單元、VBE等二次設備元件為國內自主知識產權產品的特點，在驗證控制配合的正確性和可靠性上增加了擾動試驗等試驗內容，達到重點驗證一次設備和二次設備控制接口是否正確的目的。

3.3.2 對常規的工程調試試驗內容進行適當精簡

本次換流閥技術改進工程是基于原已投運工程設備進行的局部改進，整個技術改進方案只涉及換流閥相關部分。對換流變、直流線路等其他主要設備無任何變動。如果仍按照以往常規工程進行全部試驗項目，必將帶來不必要的人力和物力浪費。

本次系統調試方案結合本次換流閥改進工程實際特點，對常規直流工程調試項目進行了細致梳理和仔細分析。對不必重復的試驗項目進行合理精簡，對本次改進所引起的如觸發監測單元與晶閘管、VBE配合是否正確等新的試驗內容重新設計擾動試驗。在保證工程質量的前提下，將常規直流工程建設所需數月的系統調試時間縮短為數周。

3.3.3 擾動試驗(VBE在線更換板卡)

與以往直流工程調試試驗相比，本次換流閥技術改進工程，在系統調試試驗項目中首次進行了線路帶功率工況下的VBE在線更換主控板的系統擾動試驗。

VBE等換流站二次設備可在線更換板卡一直是直流工程建設招標規范中對換流站二次設備設計的一項重要要求指標。為進一步嚴格驗證此次改進后的換流閥二次系統配合的可靠性，本次系統試驗中首次增加了線路帶負載的在線更換主控板的試驗項目。

其具體試驗步驟包括：

(1)哈密南換流站極Ⅱ低端換流器帶電，輸送功率400 MW；

(2)CCP-A切換至“試驗”狀態；

(3)拔出VBE-A主控板A 并更換另外一塊主控板；

(4)待VBE-A工作正常后，將CCP-A切換至“備用”狀態；

(5)整個過程核實極Ⅱ低端換流器運行是否正常。

本次系統調試成功完成了該項擾動試驗，試驗中系統無任何擾動或其他異常。

4 工程調試情況及調試結果

4.1 工程調試情況概述

本次工程調試工作從2014年12月23日閥塔吊裝完畢開始，至1月24日結束。工程調試經過分系統調試、站系統調試、系統調試3個階段。

4.2 分系統調試部分

4.2.1 換流閥水壓試驗

由于改進了阻尼電阻設計，原換流閥水卻冷系統發生變動，所以進行了水壓試驗。試驗結果表明，換流閥水路設計滿足水壓試驗要求，水壓0.6 MPa下無滲漏。同時改進后的阻尼電阻水容量由0.052 L增加至0.418 L，整個閥模塊約增加了10.98 L，冷卻容量大幅增加。系統低流量保護動作延時定值可由原來的3 s延長為8 s。

4.2.2 換流閥單級測試

換流閥單級測試是用于閥塔吊裝完成后對晶閘管級的逐級自檢性測試。單級測試試驗回路包括換流閥、光纖、VBE和報文系統等。包括低壓測試和高壓測試2部分內容，是對換流閥一次設備與VBE等二次設備功能的全面測試[12-13]。

現場單級測試結果表明，改進后的換流閥VBE與換流閥晶閘管級之間的觸發保護和回報功能正確，報文系統功能正常。直流均壓回路、阻尼回路等一次設備參數符合設計要求。原換流閥一次設備與改進后的VBE等二次設備配合良好。

4.2.3 VBE與控制保護系統接口測試

VBE與控制保護系統接口測試用于驗證兩者之間接口信號邏輯設計是否正確。現場接口測試結果表明，改進后的換流閥、VBE與控制保護系統接口符合設計要求。在后續的站系統調試、系統調試和工程運行中沒有出現由接口設計缺陷導致系統故障的問題。

4.2.4 換流閥低壓加壓試驗

低壓加壓試驗是對一次回路接線是否正確的驗證，也是對控制保護系統與由VBE和觸發監測板構成的換流器觸發系統觸發功能是否正常的驗證。現場低壓加壓試驗順利，一次設備接線正確，換流閥觸發功能正常。

4.3 站系統調試部分

4.3.1 極II低端換流變壓器帶電試驗

主要進行換流變充電試驗，試驗結果表明，換流閥觸發脈沖的相位正確，避雷器沒有動作。晶閘管元件故障監測裝置正常[4]。

4.3.2 極II低端換流器不帶線路開路試驗

本試驗重點監視極II低端閥廳設備。試驗結果表明，系統啟動和停止操作順序正確，電壓變化停止和解除指令能正確執行。直流電壓穩定，與觸發角關系正確，沒有意外的保護跳閘動作。

4.3.3 極II低端換流器帶線路開路試驗

本試驗重點監視極II低端閥廳設備，特別是檢查改進后換流器的觸發功能及解鎖換流器的電壓耐受能力，同時檢查線路開路試驗控制順序的正確性。試驗結果表明，直流電壓穩定，設備絕緣正常[4]。

4.4 系統調試部分

4.4.1 初始運行試驗(功率正送)

重點驗證直流系統的基本啟停功能、手動系統切換和手動緊急停運功能，校核模擬量數據采集是否正確。內容包括：換流器初始運行試驗、極起停/手動閉鎖、控制系統手動切換、控制模式轉換、系統緊急停運及穩定運行試驗等[4,8]。

試驗結果表明，直流系統的起動/停運和緊急停運功能正常，換流器控制系統切換時直流輸送功率平穩無擾動。整流站與逆變站直流控制模式之間的轉換平穩。

4.4.2 保護跳閘試驗(功率正送)

在整流和逆變兩側進行，檢驗由不同地點發出的跳閘閉鎖時序是否正確，以及保護動作跳閘時序是否正常。內容包括整流站模擬接地極開路Ⅲ段跳閘X閉鎖等。

試驗結果表明，改進后閥控系統整流及逆變跳閘時序正確，閥短路跳閘保護功能可以正常啟動，可為直流系統的安全運行提供保障。

4.4.3 VBE擾動試驗

模擬直流線路故障，檢驗直流系統再啟動功能，檢驗冗余設備的平滑轉換對直流傳輸是否存在擾動[14]。內容包括： VBE切換、控制保護與VBE接口功能驗證、換流器晶閘管級故障跳閘、控制系統電源故障、控制信號丟失、在線更換板卡、直流線路故障模擬等試驗。

試驗結果表明，改進后的閥控系統發生上述擾動時，控制保護系統能正常動作，無意外的保護故障跳閘。VBE能正常執行系統切換、保護性跳閘等換流閥保護邏輯。晶閘管級觸發監測板能正常完成正向過電壓保護動作，并通過VBE準確上報發生保護的晶閘管級位置報文。帶負載在線更換板卡擾動試驗錄波見圖3。

圖3 帶負載在線更換板卡擾動試驗錄波Fig.3 Wave record of anti-interference test of online replacement of PCB

4.4.4 單換流器在線投切試驗

在線投切12脈動換流器試驗的目的是檢驗換流器在投退過程中，直流系統發生平滑、輕微的擾動后，直流電壓和功率是否能夠平滑變化，以檢查在雙極運行方式下，極II低端單換流器的投切性能，以及對另一極運行的影響[15]。

試驗結果表明，改進后換流器在帶電投入/退出過程中，直流系統產生輕微、平滑的擾動后，直流電壓和功率能夠平滑變化，配合換流器投入的高速開關和各隔離刀閘的開斷滿足設計要求。沒有出現改進前的換相失敗或保護誤動作問題。

4.4.5 額定負荷運行試驗

檢查整個直流輸電系統內設備的輸電能力，檢查閥冷卻水、主要設備和母線的溫度，重點考察經技術改進后的VBE及換流閥設備的性能是否穩定。試驗內容主要包括大地回線方式下，1.0 pu額定功率運行試驗。

試驗結果表明，手動調節換流變分接頭時，換流器運行點在規定的開通角、關斷角及直流電壓的限值范圍內。電流升降過程中，改進后的換流閥工作穩定，閥控系統工作正常。

試驗中對閥冷卻系統溫度及閥上直流均壓電阻溫度等參數進行了實際監測。結果表明，閥冷卻系統進出水溫差比原來僅增大了0.014 3 ℃，而直流均壓電阻的運行溫度卻由原來的90～100 ℃下降到62 ℃以下。所有設備的溫升均控制在規定范圍內。

5 結論

本文提出的換流閥改進方案通過了型式試驗和例行試驗驗證，結果顯示，換流閥相關設計參數滿足工程需求。

(1)現場工程試驗過程中直流均壓電阻運行溫度始終保持在58～60 ℃，在額定負荷運行試驗中最高為62 ℃，直流均壓電阻運行溫度顯著降低。

(2)晶閘管狀態檢測機制完善，系統上電時沒有出現晶閘管故障誤報及誤跳閘現象。VBE跳閘信號切換邏輯正確，試驗中未出現保護誤動或故障跳閘等錯誤。

哈密—鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程哈密南換流站極Ⅱ低端換流閥技術改進工程于2015年1月30日投入商業運行以來已穩定運行近1年。此次對國外換流閥的技術改進方案和系統試驗方法可為今后直流工程調試提供參考。

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(編輯 張小飛)

Technology Improvement Scheme and Verification of ±800 kV DC Thyristor Valve

HAO Changcheng1, WANG Huafeng1, YANG Wankai2, WANG Binze1, ZHOU Liang3

(1. State Grid Smart Grid Research Institute, Beijing 102209, China;2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;3. China-Epri Electric Engineering Co.， Ltd., Beijing 102200, China)

The technical improvement project of pole Ⅱ lower converter valve in ± 800 kV HVDC Southern Hami converter station is the first technical improvement project of certain foreign brand HVDC valve completed in China. This paper firstly introduces the technical defects and technical promotion programs of this foreign brand valve, and then discusses the designs and main innovation points of project commission programs of subsystem, station system and whole system. Site test analysis results show that the running temperature of DC grading resistor of improved thyristor valve is significantly reduced, and thyristor state detection mechanism is improved. There is no protection misoperation, fault trip or commutation failure in the test, and the performance parameters of improved thyristor valve meet the requirements of engineering design.

high voltage direct current (HVDC); thyristor valve; type test; project commissioning

TM 72

A

1000-7229(2016)02-0112-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.016

2015-10-11

郝長城(1983)，男，碩士，工程師，主要研究方向為高壓直流輸電換流閥二次設備研發和工程應用；

王華鋒(1978)，男，碩士，高級工程師，研究方向為高壓直流輸電換流閥二次設備研發、電力電子技術等；

楊萬開(1962)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為高壓直流輸電技術；

王斌澤(1988)，男，碩士，工程師，主要研究方向為高壓直流輸電技術；

周亮(1984)，男，工程師，研究方向為高壓直流輸電技術等。