±660 kV直流输电工程换流阀绝缘试验研究

彭玲，杨晓楠，王高勇，周军川

(中国电力科学研究院，北京市，100192)

0 引言

国家电网公司于2008年11月以公开招标的方式对宁东—山东±660 kV直流输电工程换流站主设备之一换流阀进行招标，最终确定中国电力科学研究院(以下简称中国电科院)为工程两端换流阀设备供货商，并于2009年2月与之签订采购合同［1-2］。

由于高压直流输电换流阀在电力系统中的运行工况极为复杂，为了提高其安全可靠性，需对其进行深入细致的试验研究。国际电工委员会(IEC)提出了直流输电换流阀的试验标准IEC 60700－1，标准规定了针对高压直流输电换流阀可采取的试验手段，型式试验分为绝缘试验和运行试验，其中绝缘试验针对阀对地、阀端间和阀相间的绝缘进行，包括交、直流耐压试验，冲击电压试验和局部放电试验；运行试验是模拟阀实际运行工况的试验方式，它包括周期触发和熄灭试验、保护触发连续动作试验、短路电流试验等一系列试验。这些试验项目的有效实施对保证换流阀在实际工况中的无故障运行具有重要意义［3-6］。

针对本工程直流系统拓扑和参数设计［7-8］，对换流阀绝缘试验方案进行了详细研究，并进行了参数核算，发现换流阀绝缘试验存在以下技术难点：

(1)修正系数的确定。

(2)多重阀绝缘试验中等效负载保护方案确定以及电源装置的隔离和保护方案确定。

(3)单阀绝缘试验中试品阀加热方案的确定［9］。

(4)单阀非周期触发试验方案的确定。

由于本工程两端换流站换流阀均由中国电科院供货，且两端换流阀设计思路和结构形式完全相同，为了提高工作效率、促进工程进度，决定仅对银川东站换流阀进行型式试验，但试验参数按两端换流站换流阀更高应力执行［10］。本文将全面介绍本工程换流阀绝缘试验各试验项目和实际试验参数，重点介绍试验难点和解决方案。

1 试品阀总体结构

银川东换流站换流阀采用空气绝缘、水冷却、悬吊式二重阀塔结构，试品阀塔见图1。

二重阀是将2个单阀串联连接，结构上形成1个阀塔。每个单阀包括10个阀模块，由111个晶闸管级组成(包括4个冗余晶闸管级)，布置在20个阀组件中，其中11个阀组件含6个晶闸管级和1个饱和电抗器，另外9个阀组件含5个晶闸管级和1个饱和电抗器。

图1 银川东站型式试验试品阀Fig.1 Sample valve of type test for Yinchuandong Station

2 试验判据

任何1项试验期间都不允许有1个以上的晶闸管级发生短路，如果有1个以上的晶闸管级发生短路，则认为试品未通过该项型式试验。

如果型式试验期间有1个晶闸管级发生短路，应当修复该故障晶闸管级以继续进行型式试验。

不允许发生阀外部闪络，与阀互联的公共电气设备不允许被击穿，阀内冷却系统不允许被击穿，构成脉冲传输及分配系统一部分的绝缘材料不允许有破坏性放电。

在所有型式试验期间，短路的晶闸管级数量累计不得大于3个晶闸管级。如果在所有型式试验期间累计有3个以上的晶闸管级短路，则认为试品未通过型式试验。

型式试验结束后应对所有晶闸管级重复进行《阀模块例行试验规范》第3.1节规定的功能性(VTE)试验［11］，重复例行试验期间发生的晶闸管级短路应计入型式试验判据。

在型式试验期间发现的未导致晶闸管级短路的故障应得到清除，以继续进行型式试验。通常应由阀数据回报系统监测阀故障。如果在型式试验或随后的例行试验期间发现有3个以上的晶闸管级存在未导致晶闸管短路的故障或缺陷，那么应分析故障的数量和分布情况以决定发生的故障是系统的还是随机的。

3 绝缘试验

在确定绝缘试验电压参数时，首先需要确定修正系数，修正系数K是海拔修正系数Ka与温度修正系数Kt的乘积。

根据业主要求并参考文献［12］，最终参照标准IEC 60071－2确定海拔修正系数［13］

式中：H为换流站现场的海拔，本工程银川东换流站取1 235 m；m值对雷电冲击和工频电压取1，对操作冲击进行修正时，m为操作冲击耐受电压的函数。

根据业主要求并参考文献［14］，最终确定温度修正系数

式中t为阀厅最高温度，本工程取60℃。

交、直流耐压试验中的局部放电测量遵照标准IEC 60270进行。交流耐压试验局部放电测量应注意上述标准定义的用于确定局部放电脉冲幅值的测量仪器特性，以及用于排除与试验对象无关的放电脉冲的方法。每个晶闸管级门极电子电路取能单元消弧电路产生的电子噪声都会被局部放电测试仪记录，因此测量仪器应采用时间窗门，在每个周期中取能单元产生电子噪声时关闭时间窗门以排除这些电子噪声。如果测试仪不带时间窗门，则应区别并不计这些电子噪声。

3.1 阀支架绝缘试验

在考虑了修正系数后，阀支架绝缘试验参数如表1所示。

表1 阀支架绝缘试验参数Tab.1 Insulation test parameters of valve support

3.2 多重阀绝缘试验

按照换流阀技术协议的要求，多重阀绝缘试验时，在被试多重阀周围应安装接地屏蔽(也称为地电位面)，以模拟邻近建筑中钢结构、接地网以及其他结构对被试多重阀对地杂散电容的影响。根据本工程阀厅设计，二重阀塔对地距离达到10 m以上。为了确保换流阀出厂质量，以及其在工程现场布置条件下可靠运行，采取了更严苛的试验条件，所设置的地电位面与多重阀最外侧的距离为8.5 m，虽然增加了试品对地闪络的概率，但试品阀耐受住了考验。

多重阀绝缘试验的冷却条件如下：流量1 250 L/min，±10％；入水温度为25℃，±5℃；冷却介质为纯水；电导率大于0.525μS/cm(45℃)，但不超过1μS/cm。

在考虑了修正系数后，多重阀绝缘试验参数如表2所示。

表2 多重阀绝缘试验参数Tab.2 Insulation test parameters of multiple valve unit(M VU)

3.2.1 试验难点1

根据标准IEC 60700－1，多重阀试验要求针对完整四重阀进行，但当直流工程电压达到500 kV及以上时，一般实验室由于空间的局限往往只能悬挂二重阀。为了解决此困难，采用等效负载模拟相邻换流阀对试品阀的影响，使得在试验过程中无须将换流站阀厅内安装的所有多重阀全部安装在实验大厅，其基本原理是针对不同电气强度下直流换流阀对外展示的电气特性，利用电容、电感和电阻的组合来等效与试品阀相邻多重阀的影响，使其与试品阀形成正确的分压关系［15］。等效负载的采用大大简化了试验准备工作，缩小了试验场地面积，节省了试验费用并提高了试验效率。但是在实际多重阀试验中，由于存在试品阀被保护触发或击穿的可能，若发生此情况则全部试验电压施加在等效负载上，因此必须考虑等效负载的保护方法。

本工程多重阀试验等效负载结构原理如图2所示，图中C、L、R分别为电容、电感和电阻元件，利用抽头改变元件电气值以形成试验需要的等效负载电气特性，P是对等效负载实施的保护，采用并联球隙或并联避雷器2种方案。

图2 等效负载结构原理图Fig.2 Structure schematic diagram of the equivalent load

3.2.2 试验难点2

多重阀雷电、陡波前冲击试验装置既包含冲击试验装置(冲击源)，又包含交流装置(为试品阀电子单元补能用，又称为补能电源)，现有冲击装置不允许交流电压加在冲击本体上，同时由于试验电压值较高，交流装置无法承受如此之高的冲击电压，因此应在冲击装置和交流装置之间增加隔离和保护，本工程可选方案为以下4种：

(1)采用球隙隔离冲击与交流装置，在交流源和试品上串联大电阻和保护电容，以保护交流源；

(2)采用断路器隔离冲击与交流装置，并利用断路器保护交流源；

(3)采用球隙隔离冲击与交流装置，并利用断路器保护交流源；

(4)采用断路器1隔离冲击与交流装置，并利用断路器2保护交流装置。

3.3 单阀绝缘试验

单阀绝缘试验采用20个阀模块，其中10个构成试品阀，另外10个组成1个用于验证试品阀在运行时能免受邻近阀干扰的辅助阀(电磁干扰试验)。在阀结构周围设置地电位面以模拟阀厅中的其他设备。

除非周期触发试验外，试品阀的4个晶闸管级将被短接，以模拟试品阀失去冗余，只剩107个晶闸管级是完好的。辅助阀短路接地。

非周期触发试验中，10个阀模块构成的辅助阀上的回报数据用于监视电磁干扰。

单阀绝缘试验冷却条件同多重阀绝缘试验冷却参数。

单阀还需进行湿态下的直流耐压和操作冲击试验，用于验证阀由于少量偶然泄漏的冷却液而变湿时的电压耐受能力，泄漏条件如下：流量15 L/min，+0，－5％；温度为实验室温度(应记录此温度)；冷却介质为纯水；电导率大于0.525μS/cm(45℃)，但不超过1μS/cm。

按照标准IEC 60700－1的要求，单阀绝缘试验电压参数无须进行修正。

3.3.1 电压应力折算

参数计算表明，对于单阀交、直流耐压试验和操作冲击试验，通过青岛换流站折算到银川东换流站的电压应力更高，折算前后电压应力对比见表3。

根据业主要求，采用更严苛的试验条件，最终试验电压参数取折算后水平。

单阀绝缘试验参数如表4所示。

表3 单阀电压应力折算Tab.3 Translation of voltage stresses of single valve

图3 单阀非周期触发试验浪涌电流波形Fig.3 Surge current waveform under non-periodic firing test

表4 单阀绝缘试验参数Tab.4 Insulation test parameters of single valve

3.3.2 试验难点1

对于单阀雷电和陡波前冲击，应进行热阀试验，可视实验室实际情况采用电加热法或冷却水加热法实现［3，7-8］。相关文献介绍了采用直流电源加热回路对单阀进行加热，使晶闸管结温达到要求值的加热方案［9］。但是，由于冲击试验涉及的试验装置多，包括冲击源、补能电源及其他隔离、保护装置，且补能电源还分为试品阀补能电源和辅助阀补能电源。为了不增加试验复杂度，降低试验装置配合难度，最终决定采用冷却水加热法进行热阀试验。

根据换流阀电气和热设计结果［16］，结合业主对热阀试验晶闸管结温的要求，最终确定采用冷却水加热法时晶闸管结温不低于85℃。

3.3.3 试验难点2

单阀非周期触发试验可以采用2种试验拓扑，即采用预先储能的电容器对试品阀放电产生所需浪涌电流试验波形，或采用与试品阀并联的阀避雷器作为能量源。

避雷器法能够更为真实地再现故障工况，但实际试验受到国内设备厂家制造水平的限制。为了完整复现流过单阀的电流应力，采用PSCAD软件对避雷器法进行仿真，得出浪涌电流波形，如图3所示。

由图3可见，浪涌电流峰值接近8 kA；仿真程序中阀避雷器冲击电压/配合电流水平为667 kV/5 kA。

在实际试验时，需要产生的浪涌电流波形在最初的10μs内至少要与图3给出的波形同样严酷。

仿真计算出目标电流波形后，继续仿真计算采用电容器法时大电容的电容值，在实际试验时进行相应配置。

相比同样采用5英寸晶闸管的其他同类直流输电工程(例如三峡—常州±500 kV直流输电工程、三峡—上海I回±500 kV直流输电工程、三沪II回±500 kV直流输电工程)，本工程阀避雷器操作冲击配合电流过高，造成非周期触发试验工况下流过换流阀的浪涌电流过大，接近晶闸管元件物理极限，对本工程换流阀设计、试验和供货提出了很大的挑战，各典型工程浪涌电流对照见表5。

表5 单阀非周期触发浪涌电流峰值对比Tab.5 Com parison of surge current peak values under non-periodic firing test

由表5可见，对于5英寸晶闸管换流阀，一般高压直流输电工程浪涌电流峰值均不高于5 kA，本工程电流峰值8 kA是世界首例，超过传统电流水平60％还多，试验风险极高，对试验装置、试品提出了前所未有的挑战。

为了确保本项试验的可行性，在开始试验之前，要求晶闸管元件供货商(株洲南车时代电气股份有限公司，以下简称株洲南车)先进行8 kA浪涌电流试验。株洲南车对5英寸晶闸管进行了随机抽样，并于2009年10月委托英国DYNEX半导体有限公司对随机抽样的5只晶闸管按照提出的试验条件开展了浪涌电流试验，5只晶闸管均通过了该项试验［17］。

在确保晶闸管元件能够耐受如此高的电流应力后，研究了非周期触发试验方案，建立风险防范机制，深入研究试验装置的配合，一次成功通过本项世界上难度最高、风险最高的试验，创造了新的试验强度记录，为我国以后的直流工程拓扑结构和系统参数设计提供了真实可靠的试验数据，进一步拓展了国内换流阀试验能力，巩固了我国换流阀设计开发的基础。

4 结论

中国电科院在欧洲以外的地方第1次自主承担了直流工程换流阀的全部型式试验任务，为本工程换流阀顺利投运提供了重要的技术支撑。换流阀绝缘试验的试验难点及解决方案总结如下：

(1)电压试验参数经过了严格的修正；

(2)对多重阀绝缘试验中的等效负载以及多种试验装置实施了隔离和/或保护；

(3)在单阀雷电和陡波前冲击试验时利用冷却水加热法对试品进行了加热，达到了业主要求的晶闸管结温；

(4)本工程单阀非周期触发峰值电流达8 kA，为世界最高，虽然该峰值电流已经接近晶闸管元件和换流阀设备的物理极限，但是通过详细研究试验方案，一次成功通过该项试验。

［1］国家电网公司.西北(宁东)—华北(山东)±660千伏直流输电工程换流阀(银川东换流站)供货合同［R］.北京：国家电网公司，2009.

［2］国家电网公司.西北(宁东)—华北(山东)±660千伏直流输电工程换流阀(青岛换流站)供货合同［R］.北京：国家电网公司，2009.

［3］IEC 60700－1∶1998 Thyristor valves for high voltage direct current (HVDC)power transmission-part1：electrical testing［S］.

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［5］温家良，汤广福，查鲲鹏，等.高压晶闸管阀运行试验方法与试验装置的研究与开发［J］.电网技术，2006，30(21)：26-31.

［6］杨一鸣，曹燕明.用合成回路进行±800 kV向家坝—上海工程换流阀运行试验［J］.高电压技术，2010，36(1)：281-284.

［7］国家电网公司.西北(宁东)—华北(山东)±660千伏直流输电工程换流阀(银川东换流站)技术协议［R］.北京：国家电网公司，2009.

［8］国家电网公司.西北(宁东)—华北(山东)±660千伏直流输电工程换流阀(青岛换流站)技术协议［R］.北京：国家电网公司，2009.

［9］崔东，冯建强，贾涛，等.±500 kV HVDC换流阀冲击试验技术［J］.电力设备，2006，7(3)：30-32.

［10］中国电力科学研究院.宁东—山东±660 kV直流输电工程银川东站换流阀型式试验规范［S］.北京：中国电力科学研究院，2009.

［11］中国电力科学研究院.宁东—山东±660 kV直流输电工程换流阀模块例行试验规范［S］.北京：中国电力科学研究院，2009.

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［13］IEC 60071－2∶1996 Insulation co-ordination-Part 2：Application guide［S］.

［14］GB 311.1—1997高压输变电设备的绝缘配合［S］.

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［16］中国电力科学研究院.宁东—山东±660 kV直流输电工程换流阀设计报告［R］.北京：中国电力科学研究院，2009.

［17］英国DYNEX公司.5英寸晶闸管浪涌电流耐受能力试验报告［R］.林肯：英国DYNEX公司，2009.