A5000型換流閥晶閘管快速更換工具的研制

劉釗，李昊

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011）

隨著國(guó)家西電東送戰(zhàn)略以及國(guó)家電網(wǎng)公司 全球能源互聯(lián)網(wǎng) 戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，特高壓直流輸電工程數(shù)量呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，截至目前，在運(yùn)換流站包括跨區(qū)柔性直流站共有47座，換流閥作為特高壓直流輸電工程的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是把交流電變換成直流電（稱(chēng)為整流）或者把直流電變?yōu)榻涣麟姡ǚQ(chēng)為逆變），而構(gòu)成換流閥的核心單元是晶閘管。根據(jù)歷年在運(yùn)直流工程換流閥故障統(tǒng)計(jì)情況，晶閘管故障為換流閥最常見(jiàn)的故障情況，處理該類(lèi)故障需要停運(yùn)相應(yīng)換流閥組，為了縮短停電檢修時(shí)間，保證直流輸電系統(tǒng)能量可用率，需要提高晶閘管的故障處理時(shí)間。

±800kV特高壓靈州換流站采用中電普瑞生產(chǎn)的A5000系列換流閥，自2016年以來(lái)共計(jì)發(fā)生6次晶閘管擊穿故障，其中晶閘管發(fā)生鼓脹現(xiàn)象的共計(jì)4次，利用現(xiàn)有晶閘管更換工具處理鼓脹晶閘管平均工作耗時(shí)為未鼓脹晶閘管更換處理工作的3.25倍，嚴(yán)重影響直流輸電系統(tǒng)的功率外送，以單閥組送電功率2000MW計(jì)算，單次鼓脹晶閘管的更換處理工作耗時(shí)將至少導(dǎo)致5000MW的功率損失，而傳統(tǒng)更換晶閘管工具使用相對(duì)煩瑣，更換一只故障晶閘管的時(shí)間較長(zhǎng)，針對(duì)此情況，研制一種快速更換晶閘管的工具具有很重要的意義。

1 A5000換流閥簡(jiǎn)介

A5000型換流閥閥組件包括了晶閘管壓裝結(jié)構(gòu)（Thyristor Clamped Assembly，TCA）、門(mén)極單元組件、飽和電抗器組件、阻尼電阻組件、阻尼電容組件、直流均壓電阻、取能電阻、冷卻管路以及附屬的支撐結(jié)構(gòu)和電氣連接結(jié)構(gòu)。阻尼電阻組件、阻尼電容組件和門(mén)極單元組件圍繞TCA布置。晶閘管、阻尼電阻、直流均壓電阻和取能電阻采取水冷卻方式。A5000型換流閥晶閘管級(jí)原理如下：每個(gè)晶閘管級(jí)配備一塊TTM板。當(dāng)換流閥需要觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，VBE通過(guò)光纖向晶閘管TTM傳輸觸發(fā)脈沖編碼，TTM解碼后觸發(fā)晶閘管。TTM為晶閘管提供過(guò)電壓保護(hù)、反向恢復(fù)期保護(hù)、電流斷續(xù)保護(hù)。在保護(hù)動(dòng)作時(shí)，TTM觸發(fā)晶閘管，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶閘管狀態(tài)是否良好，并通過(guò)光纖向VBE傳輸過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作信息和晶閘管狀態(tài)信息。

2 晶閘管更換現(xiàn)狀分析

目前，靈州站晶閘管更換主要采用硅堆壓力緊固專(zhuān)用工具，主要包括晶閘管拆卸手動(dòng)液壓泵、壓力表、緩壓閥組件，晶閘管保護(hù)綁帶、TCA輔助支撐框架、25t液壓缸、轉(zhuǎn)接頭組件、壓力加載柱塞等。

（1）現(xiàn)有的手動(dòng)液壓泵油管路僅設(shè)置了2條分支，在對(duì)大液壓缸加壓或泄壓時(shí)選用其中一條支路，完成大液壓缸工作后再將該支路取下，與另一支路分別接入小液壓缸進(jìn)行加壓或泄壓。在晶閘管鼓脹情況下，步驟（3）～（6）反復(fù)進(jìn)行時(shí)，油管路的來(lái)回切換將耗費(fèi)大量時(shí)間。

（2）小液壓缸缸體4支頂柱完全撐開(kāi)時(shí)，能夠?qū)沃д＞чl管兩側(cè)散熱器夾持距離撐開(kāi)3～5mm。若晶閘管發(fā)生鼓脹，且鼓脹厚度超過(guò)5mm時(shí)，即使小液壓缸缸體4支頂柱完全撐開(kāi)，散熱器仍然緊貼晶閘管，無(wú)法取出。

有鑒于此，我們有必要設(shè)計(jì)一款晶閘管快速更換工具，針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。

3 晶閘管更換工具設(shè)計(jì)

3.1 液壓缸缸筒的設(shè)計(jì)和計(jì)算

（1）液壓缸內(nèi)徑D的計(jì)算

（Fmax=5kN；P=60MPa；η=0.95）

解得D=0.024m。

圓整成標(biāo)準(zhǔn)值后，得液壓缸內(nèi)徑D=24mm。

（2）缸筒壁厚和外徑計(jì)算

本設(shè)計(jì)的內(nèi)徑D為24mm，查液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)液壓缸的外徑D1為34mm，缸壁的厚度為7.5mm。一般按正規(guī)的方法選取液壓缸壁厚都能滿足其強(qiáng)度，但為安全起見(jiàn)，我們還要進(jìn)行校核。

由于D=24mm，外徑D1=34mm，則可按第一強(qiáng)度理論，即按照薄壁圓筒的中徑公式計(jì)算，則有

式中，δ為缸筒壁厚；D缸筒內(nèi)徑；Pmax為缸筒試驗(yàn)壓力，液壓缸的額定壓力Pn≤16MPa時(shí)Pmax=1.5Pn，額定壓力Pn＞16MPa時(shí)Pmax=1.25Pn；[]σ為材料許用應(yīng)力。

σb為材料的抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，n=3.5～5，這里取n=5。選用45號(hào)鋼，并且調(diào)質(zhì)241～285HB，查閱《工程力學(xué)》劉靜香著可知45號(hào)鋼的抗拉強(qiáng)度σb=530～598MPa，現(xiàn)取σb=560MPa，故：

因?yàn)?.5mm＞0.8mm，故強(qiáng)度足夠。

3.2 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H的確定

當(dāng)活塞桿全部伸出時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離稱(chēng)為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)短。將使液壓缸因間隙引起的初始撓度增大，影響液壓缸的工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證液壓缸有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。對(duì)于一般液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度應(yīng)滿足下式要求：

圖1 活塞柱平面圖

液壓缸工作行程的確定：升降液壓缸的最大升起高度為15mm，依據(jù)國(guó)標(biāo)選取液壓缸工作行程為25mm。

故L=0.025m，D=0.024m，代入公式得：

活塞寬度B的計(jì)算：

取B=15mm。

導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度A，由公式A=(0.6～1.0)d。

由前面的數(shù)據(jù)可知，d=40mm，故取A=（0.6～1.0）d=9.6～16mm

取A=11mm。

3.3 晶閘管更換工具的整體設(shè)計(jì)

晶閘管更換工具的整體設(shè)計(jì)圖如下圖所示。首先，對(duì)手動(dòng)液壓泵油管路進(jìn)行優(yōu)化，定制專(zhuān)用換流閥用分支管路，達(dá)到無(wú)須來(lái)回倒換油管路即可快速切換大、小液壓缸的加壓卸壓的目的。其次，對(duì)小液壓缸缸體進(jìn)行優(yōu)化，加厚缸體5mm，加長(zhǎng)頂柱3mm，該缸體仍能放入晶閘管兩側(cè)散熱器之間，完全撐開(kāi)后能夠使撐開(kāi)距離增加至11～13mm，滿足使用需求，無(wú)須松散處理TCA壓裝結(jié)構(gòu)即可取出發(fā)生鼓脹晶閘管。同時(shí)，為使小液壓缸更快速地插入散熱器間隙，對(duì)小液壓缸底部由原來(lái)的矩形設(shè)計(jì)重新優(yōu)化為楔形設(shè)計(jì)，減少調(diào)整時(shí)間。

圖2 晶閘管更換工具整體設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外暫無(wú)便捷、高效的A5000型換流閥故障晶閘管更換工具，研究及探索均處于空白。本文所描述的A5000型換流閥晶閘管快速更換工具，已成功應(yīng)用于靈州換流站2020年年度檢修故障晶閘管更換，效果顯著。A5000型換流閥晶閘管快速更換工具可推廣到全國(guó)其他換流站使用，發(fā)展前景良好。