試驗(yàn)技術(shù)論文：閥例行試驗(yàn)方法在工程中的運(yùn)用研討

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本文作者：查鯤鵬、周萬(wàn)迪、高沖、王華峰、魏曉光、湯廣福 單位：國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院

高壓直流換流閥及其例行試驗(yàn)

高壓直流換流閥基本單元為12脈動(dòng)換流器，采用2重閥或者4重閥結(jié)構(gòu)。單閥由閥模塊串聯(lián)組成，每個(gè)閥模塊包含2個(gè)閥組件，每個(gè)閥組件由多個(gè)晶閘管及其輔助回路串聯(lián)組成。各晶閘管兩端并聯(lián)有均壓電路保障電壓均衡，陰陽(yáng)級(jí)與散熱器相連傳導(dǎo)其因損耗而產(chǎn)生的熱量，還配有電子電路提供觸發(fā)脈沖和必要保護(hù)，晶閘管及其輔助回路構(gòu)成1個(gè)晶閘管級(jí)，如圖1所示。散熱器電子電路均壓電路R2C1散熱器R1圖1換流閥晶閘管級(jí)Fig.1Thyristorlevelofaconvertervalve高壓直流換流閥例行試驗(yàn)是一種基礎(chǔ)性檢驗(yàn)，其試驗(yàn)對(duì)象為組裝完成的換流閥組件及各晶閘管級(jí)，其試驗(yàn)?zāi)康臑闄z驗(yàn)閥整體安裝以及組件性能是否符合設(shè)計(jì)要求，其檢驗(yàn)任務(wù)包括如下4個(gè)方面：1）閥中所用的所有部件和子設(shè)備已按照設(shè)計(jì)正確安裝；2）閥設(shè)備預(yù)期的功能和預(yù)定的參數(shù)都處在規(guī)定的驗(yàn)收范圍內(nèi)；3）閥組件和晶閘管級(jí)（適當(dāng)?shù)模┯凶銐虻碾妷耗褪苣芰Γ?）產(chǎn)品性能具備相容性和一致性。

閥例行試驗(yàn)方法研究

換流閥中所用開(kāi)關(guān)器件晶閘管，并不是一個(gè)絕對(duì)理想開(kāi)關(guān)，施加到其兩端的電氣應(yīng)力影響著換流閥運(yùn)行，其運(yùn)行狀態(tài)有開(kāi)通、關(guān)斷、通態(tài)、斷態(tài)4種。開(kāi)通和關(guān)斷這2種狀態(tài)主要反映了閥運(yùn)行中晶閘管的動(dòng)態(tài)性能，如開(kāi)通時(shí)刻的電流上升率和關(guān)斷時(shí)刻的反向電壓上升率，這些應(yīng)力需要在閥運(yùn)行試驗(yàn)中重點(diǎn)研究。而本文研究的例行試驗(yàn)關(guān)注的是閥裝配完成后的靜態(tài)特性，需要重點(diǎn)研究閥在通態(tài)和斷態(tài)這2種狀態(tài)下的電氣應(yīng)力。當(dāng)閥處于通態(tài)時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注的是閥的電流應(yīng)力。由于晶閘管并非理想開(kāi)關(guān)，其兩端存在通態(tài)壓降，導(dǎo)致了晶閘管損耗的產(chǎn)生。當(dāng)由故障引發(fā)的過(guò)電流流過(guò)晶閘管時(shí)，會(huì)使晶閘管結(jié)溫迅速升高，而過(guò)高的結(jié)溫會(huì)使得晶閘管喪失阻斷電壓的能力。因此，需要配備合適的水冷系統(tǒng)，使得水冷系統(tǒng)的散熱功率與閥穩(wěn)態(tài)損耗功率相等，使閥處于熱平衡狀態(tài)限制晶閘管穩(wěn)態(tài)結(jié)溫，以確保即使出現(xiàn)最嚴(yán)重過(guò)流之后，閥仍不喪失其電壓阻斷能力。換流閥輸出直流是存在紋波的，當(dāng)閥中流過(guò)較小的電流時(shí)，會(huì)發(fā)生電流斷續(xù)現(xiàn)象。電流斷續(xù)不僅會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成影響，而且其造成的暫態(tài)過(guò)電壓還可能損壞晶閘管，需要閥電子電路提供相應(yīng)保護(hù)使得晶閘管能夠安全開(kāi)通。直流系統(tǒng)中閥電流每周期的脈動(dòng)數(shù)為4，發(fā)生電流斷續(xù)的次數(shù)最多為3次。在閥斷態(tài)時(shí)，將會(huì)承受正、反向電壓應(yīng)力。對(duì)于閥設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)的電壓應(yīng)力，換流閥需要具備耐受能力。換流閥交流側(cè)出現(xiàn)最大穩(wěn)態(tài)空載線(xiàn)電壓時(shí)，在閥晶閘管兩端產(chǎn)生最大的交流穩(wěn)態(tài)電壓應(yīng)力，晶閘管級(jí)需要能長(zhǎng)期耐受這種電壓應(yīng)力而且局放值應(yīng)在符合工程壽命要求范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上換流閥運(yùn)行于90工況且考慮反向過(guò)沖，會(huì)在閥晶閘管兩端形成最大的交流暫態(tài)電壓應(yīng)力，晶閘管級(jí)需要具備耐受此種電壓應(yīng)力的能力。對(duì)于超過(guò)設(shè)計(jì)要求的電壓應(yīng)力，需對(duì)閥提供相應(yīng)的保護(hù)。閥的反向保護(hù)通過(guò)閥避雷器來(lái)實(shí)現(xiàn),一般情況下，閥要能夠承受住比避雷器保護(hù)水平高出15%的操作沖擊波。閥的正向保護(hù)通過(guò)閥電子電路提供，動(dòng)作水平接近于晶閘管的正向斷態(tài)重復(fù)峰值。閥在反向恢復(fù)期內(nèi)，對(duì)正向電壓沖擊耐受的能力較弱，同樣需要閥電子電路提供相應(yīng)的保護(hù)。由于串聯(lián)的各晶閘管元件不可避免地存在差異，需要選擇合適的均壓電路參數(shù)盡量降低閥內(nèi)電壓的分散性和抑制電壓過(guò)沖。均壓電路上的電壓應(yīng)力與晶閘管上的電壓應(yīng)力相同，考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行，以及會(huì)經(jīng)歷許多正常和非正常工作狀況，對(duì)阻尼電阻R1的功率性能提出了較高的要求。在開(kāi)通情況下出現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)以50Hz重復(fù)動(dòng)作時(shí)，阻尼電阻消耗最大的脈沖功率。還需要保證均壓電路能夠承受在極限值以?xún)?nèi)的電氣應(yīng)力[6-7]。

為保障晶閘管兩端出現(xiàn)超過(guò)其設(shè)計(jì)承受的過(guò)電壓、在反向恢復(fù)期內(nèi)遭受正向沖擊和通態(tài)電流發(fā)生斷續(xù)時(shí)能夠被正確觸發(fā)，需要對(duì)其電子電路進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。要求試驗(yàn)動(dòng)作電壓不得大于晶閘管的正向斷態(tài)重復(fù)峰值，模擬電流斷續(xù)現(xiàn)象不低于3次。為保障晶閘管級(jí)能夠長(zhǎng)期承受交流系統(tǒng)施加于其兩端的電壓應(yīng)力，需要對(duì)閥晶閘管級(jí)開(kāi)展交流耐壓和局放試驗(yàn)。要求晶閘管級(jí)能夠耐受的電壓不低于實(shí)際最大的交流暫態(tài)電壓，并且在承受實(shí)際最大的交流穩(wěn)態(tài)電壓時(shí)，局部放電值在實(shí)際工程允許范圍內(nèi)。為保障換流閥晶閘管級(jí)單元在串聯(lián)壓裝時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊和水冷系統(tǒng)組裝的正確性，需要對(duì)換流閥閥組件開(kāi)展熱運(yùn)行試驗(yàn)，使其在一定幅值的通態(tài)電流下穩(wěn)定運(yùn)行。要求在試驗(yàn)中能夠復(fù)現(xiàn)晶閘管穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的結(jié)溫，為節(jié)省試驗(yàn)設(shè)備容量，可在試驗(yàn)前對(duì)閥加熱使其結(jié)溫或接近于穩(wěn)態(tài)溫度。為保障閥對(duì)操作沖擊電壓的耐受性、閥內(nèi)各晶閘管級(jí)兩端的電壓均衡性和保護(hù)觸發(fā)時(shí)動(dòng)作的一致性，需要對(duì)換流閥閥組件開(kāi)展操作沖擊試驗(yàn)。要求閥不動(dòng)作時(shí)施加操作電壓峰值應(yīng)高于其操作保護(hù)水平的15%。為保障均壓電路能夠正常發(fā)揮其作用，需要對(duì)其中阻尼電阻開(kāi)展高壓重復(fù)觸發(fā)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)均壓電路電容C1重復(fù)充放電模擬閥運(yùn)行中電阻工況。要求試驗(yàn)中電阻產(chǎn)生的功率損耗應(yīng)不低于實(shí)際中的損耗。為保障冷卻回路安裝的可靠性，需要對(duì)其開(kāi)展過(guò)水壓試驗(yàn)。要求施加壓力以廠家提供水管材料為依據(jù)，施加時(shí)間不低于1h。表1為標(biāo)準(zhǔn)IEC60700-1[3]提出的閥例行試驗(yàn)檢驗(yàn)任務(wù)和本文提出的閥例行試驗(yàn)項(xiàng)目。表1中所列試驗(yàn)項(xiàng)目不僅涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)要求的全部檢驗(yàn)任務(wù)，而且更為嚴(yán)格，其中熱運(yùn)行和高壓重復(fù)觸發(fā)這2項(xiàng)試驗(yàn)是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求檢驗(yàn)任務(wù)作出的補(bǔ)充。這些試驗(yàn)?zāi)康哪軌蚋鼮槿娴乜疾鞊Q流閥組裝及組件性能。

閥例行試驗(yàn)可按如下順序開(kāi)展，依次為閥電子電路功能試驗(yàn)、過(guò)水壓試驗(yàn)、耐壓局放試驗(yàn)、高壓重復(fù)試驗(yàn)、熱運(yùn)行試驗(yàn)和操作沖擊試驗(yàn)[8-16]。閥電子電路功能試驗(yàn)電路如圖2所示，交流電源為試品提供正常觸發(fā)電壓，沖擊電壓發(fā)生器為試品提供正向沖擊，電力電子開(kāi)關(guān)回路能夠強(qiáng)制性截止試品通態(tài)電流，這3部分按照一定控制時(shí)序投入運(yùn)行。過(guò)水壓試驗(yàn)通過(guò)水泵向閥模塊打壓即可，較為簡(jiǎn)單。交流耐壓局放試驗(yàn)電路如圖3所示，耐壓試驗(yàn)電壓高，可先進(jìn)行耐壓試驗(yàn)后降壓進(jìn)行局放測(cè)試，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量在沒(méi)有電磁或噪音干擾下進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)。熱運(yùn)行試驗(yàn)電路如圖4所示，將2個(gè)閥組件反并聯(lián)連接于交流電源兩端，并在各晶閘管陽(yáng)極與門(mén)極間串聯(lián)小電阻，使得晶閘管在低電壓情況下實(shí)現(xiàn)開(kāi)通。2個(gè)閥組件分別在電源正、負(fù)半波流過(guò)試驗(yàn)電流。試驗(yàn)前需要對(duì)冷卻水進(jìn)行加熱。高壓重復(fù)觸發(fā)試驗(yàn)電路如圖5所示，直流電源對(duì)電容充電提供電路工作電源，經(jīng)逆變升壓后在整流輸出恒定電流對(duì)試品充電。通過(guò)控制電源電路與試品電路的充放電時(shí)序，使得試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行。操作沖擊試驗(yàn)電路如圖6所示，依據(jù)試驗(yàn)要求操作沖擊試驗(yàn)需要開(kāi)展2次，分別使得試品晶閘管導(dǎo)通和不導(dǎo)通。

閥例行試驗(yàn)方法在工程中的應(yīng)用

錦屏—蘇南800kV直流工程是我國(guó)首個(gè)采用自主研制換流閥特高壓直流工程，依托此項(xiàng)工程，開(kāi)發(fā)閥例行試驗(yàn)成套裝備，將所研究閥例行試驗(yàn)方法付諸實(shí)踐，根據(jù)所提試驗(yàn)電路和試驗(yàn)方案，開(kāi)展閥例行試驗(yàn)，部分試驗(yàn)波形如圖7所示。圖7所示波形中發(fā)生電流斷續(xù)4次，晶閘管均被正確觸發(fā)。在反向恢復(fù)期間，對(duì)晶閘管施加正向沖擊，晶閘管被正確觸發(fā)(如圖8所示)，有效檢驗(yàn)了閥電子電路功能。熱運(yùn)行試驗(yàn)中經(jīng)測(cè)量各級(jí)晶閘管陰陽(yáng)級(jí)溫度均穩(wěn)定在60左右，且根據(jù)試驗(yàn)電流幅值可以估算出晶閘管結(jié)溫接近運(yùn)行穩(wěn)態(tài)結(jié)溫75，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求(如圖9所示)。高壓重復(fù)重復(fù)觸發(fā)試驗(yàn)通過(guò)對(duì)均壓回路中電容進(jìn)行充電，在晶閘管過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作后停止充電，電容儲(chǔ)存能量被均壓回路中阻尼電阻R1消耗，放電結(jié)束后又重新恢復(fù)充電。試驗(yàn)頻率為130Hz時(shí)，電阻消耗功率即超過(guò)實(shí)際運(yùn)行中消耗的功率(如圖10所示)。圖11給出了操作沖擊試驗(yàn)中晶閘管閥保護(hù)動(dòng)作的試驗(yàn)波形，依據(jù)施加波形幅值閥動(dòng)作正確，有效地反映了閥段內(nèi)電壓的均衡性和保護(hù)動(dòng)作的一致性。通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，所進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)均滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，閥例行試驗(yàn)得到有效開(kāi)展，驗(yàn)證了所研究閥例行試驗(yàn)方法的正確性。

結(jié)論

本文調(diào)研了高壓直流換流閥例行試驗(yàn)技術(shù)的現(xiàn)狀，指出了進(jìn)行全面試驗(yàn)的必要性，開(kāi)展了例行試驗(yàn)方法研究：1）研究了試驗(yàn)對(duì)象的組成包括組成元件的基本功能，與標(biāo)準(zhǔn)IEC60700-1關(guān)于閥例行試驗(yàn)檢驗(yàn)任務(wù)。2）分析了換流閥在通態(tài)和斷態(tài)下的電壓、電流和熱應(yīng)力，以此為依據(jù)并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求提出了閥例行試驗(yàn)項(xiàng)目和相關(guān)試驗(yàn)要求。3）建立了閥例行試驗(yàn)的合理流程，給出了閥試驗(yàn)電路和試驗(yàn)方案，并投入錦蘇特高壓直流工程中應(yīng)用，通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了所研究方法的正確性和合理性。