一种±800 kV直流换流阀技术改进方案及验证

郝长城，王华锋，杨万开，王斌泽，周亮

(1.国网智能电网研究院，北京市 102209；2.中国电力科学研究院，北京市 100192；3.中电普瑞电力工程有限公司，北京市 102200)

一种±800 kV直流换流阀技术改进方案及验证

郝长城1，王华锋1，杨万开2，王斌泽1，周亮3

(1.国网智能电网研究院，北京市 102209；2.中国电力科学研究院，北京市 100192；3.中电普瑞电力工程有限公司，北京市 102200)

哈密—郑州±800 kV直流输电工程哈密南换流站极Ⅱ低端换流阀技术改进工程是国内首次对国外品牌换流阀进行技术改进的工程。首先对原国外品牌换流阀的技术缺陷及相应技术改进方案进行了介绍。然后对工程现场分系统调试、站系统调试和系统调试等方案的设计和主要创新点进行梳理。最后对工程现场调式情况进行了介绍，结果显示，改进后的换流阀直流均压电阻运行温度显著降低，晶闸管状态检测机制更加完善。试验中未出现保护误动作或故障跳闸等错误，未出现换相失败等异常问题,改进后的换流阀性能参数满足工程设计要求。

高压直流输电(HVDC)；换流阀；型式试验；工程调试

0 引 言

哈密—郑州±800 kV特高压直流输电工程(以下简称哈郑工程)是国家“疆电外送”的首个特高压项目，是我国“西电东送”能源战略的重要组成部分。工程西起新疆维吾尔自治区哈密地区的哈密南换流站，东至河南省郑州市郑州换流站，输电距离约为 2 210 km，额定功率为8 000 MW，额定电压为 ±800 kV，额定电流为5 000 A[1]。

哈郑工程哈密南换流站极Ⅱ低端换流阀采用某国外品牌。在国内多个已投运直流输电工程中发现，该换流阀存在部分设计缺陷，为了提升工程运行的可靠性，国家电网公司决定在哈密南换流站对该换流阀进行技术改进。改进后的换流阀于2015年1月30日通过工程调试和试运行，正式投入商业运行。

本文对该国外品牌换流阀在工程运行中出现的直流均压电阻温度过高，在逆变侧运行时会出现换相失败等问题进行介绍，并提出将直流均压电阻外移、替换阀基电子设备(valve base electronics, VBE)、完善软件保护逻辑等相应的技术改进方案。将本文提出的技术改进方案应用于哈郑工程哈密南换流站极Ⅱ低端换流阀的改进中。改进后的换流阀顺利通过了型式试验和例行试验、现场分系统调试、站系统调试和系统调试等一系列试验验证。

本次换流阀技术改进是国内首个对已投运的国外换流阀进行的技术改进工程，是国外换流阀技术和国内换流阀技术的首次融合。此类直流输电工程国内尚没有相关工程调试经验供借鉴。本文重点对工程现场试验内容进行介绍，对试验方案的创新点进行总结和梳理。

1 换流阀技术改进方案

1.1 该国外品牌换流阀主要设计缺陷

在±800 kV直流输电工程复龙站、锦屏站的实际运行及哈密换流站的建站工程调试中发现，该国外品牌换流阀主要存在以下设计缺陷[2-3]。

(1)大功率的直流均压电阻设置在晶闸管触发监测板上而没有相应的散热措施，使该器件运行温度长期在90 ℃以上，对电阻自身及周围元器件的使用寿命存在不利影响，并影响换流阀长期安全稳定运行。

(2) 由于VBE的触发监控逻辑不够完善，逆变运行状态下反向恢复期保护有误动作的现象，引起晶闸管状态检测错误，或逆变运行时发生换相失败等问题。

(3)换流阀阻尼电阻水容积较小，偏小的冷却容量导致阀冷却系统低流量保护动作延时过短。该国外品牌换流阀低流量保护动作延时为3 s，低于采用其他技术路线的换流阀的设计水平。

1.2 技术改进方案

本次技术改进主要针对晶闸管触发监测板、阻尼电阻、直流均压电阻、VBE和通信光缆等部件。针对上述技术缺陷，经过系统仿真分析、理论计算和电气试验，最终确定在不改变换流阀整体结构的前提下，采用运行可靠性较高的具有完全自主知识产权的A5000型换流阀设计技术对该换流阀进行技术改进。

1.2.1 改进直流均压回路设计

原换流阀的直流均压电阻安装在TFM板卡上，导致TFM板温度偏高。为了解决该问题，采用A5000型换流阀直流均压回路设计技术将直流均压电阻从原触发监测板中移出，并安装在水冷散热器表面。通过此项改进可增大直流均压电阻散热效率，降低运行温度，提高换流阀防火性能。由于更换了晶闸管触发监测单元，重新设计的直流均压电阻阻值由500 kΩ变更为102 kΩ，其运行功率减小为30 W。

1.2.2 改进阻尼回路设计

采用A5000型换流阀阻尼电阻设计技术研发新的具有大冷却容量的阻尼电阻替代原阻尼电阻，并改单电阻结构为双电阻并联结构。完成该项改进后，阻尼电阻水容积得到了提升，电阻体积增大后，水容量增加了0.366 L，整个阀模块约增加10.98 L。改进示意图如图1所示。

图1 阻尼电阻改进示意图Fig.1 Improvement of damping resistor

1.2.3 升级晶闸管触发监测板设计

依据A5000型换流阀晶闸管触发监测板设计技术，研制可靠性更高的新型换流阀晶闸管触发监测板替代原国外技术产品，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，有效减少换流阀运行过程中，振动对板卡所产生的影响，并降低火灾发生概率。改进示意图如图2所示。

图2 触发监测单元改进示意图Fig.2 Improvement of trigger monitoring unit

1.2.4 完善换流阀触发与保护逻辑功能设计

采用接口技术成熟的A5000型换流阀VBE替代原VBE，消除原VBE的逻辑设计缺陷。用A5000型换流阀高压光纤替换原有光纤和信号传输电缆，使VBE、换流阀触发监测单元、控制保护系统间信号全部采用光信号传输，使二次系统间配合更加稳定、可靠。

2 技术改进方案厂内验证试验

按照上述技术改进方案完成对换流阀模块的一系列改进后，依据相关国际标准对其电气性能进行校核与试验验证。厂内试验主要包括型式试验和例行试验2部分。

2.1 型式试验

型式试验是对换流阀运行性能、电气应力、损耗及散热特性等进行的全面测试，是对改进方案的结构设计、电气设计和水路设计是否满足工程运行要求的最基本验证。按照IEC 60700—1《高压直流输电晶闸管阀—第1部分》等标准，对完成技术改进的换流阀进行表1所列的型式试验[4]。

表1 改进后换流阀型式试验项目

Table 1 Type test items of improved thyristor valve

2.2 例行试验

例行试验主要完成对改进后的阀模块进行逐个晶闸管级触发性能测试、耐压性能和水路密封性的出厂测试试验。具体包括阀模块外观检查、阻尼回路参数测量、触发监测单元功能测试、晶闸管级低压触发测试、晶闸管级交流耐压试验、水压试验等。

2.3 试验情况及结论

2.3.1 型式试验

本次换流阀改进后的型式试验均严格按照IEC 60700—1标准完成，试验结果合格。具体的试验接线、试验方法本文不再赘述。

试验中换流阀最大持续运行试验电流达5 300 A，最大暂态运行负载试验时间达10 s。以上试验结果表明换流阀改进后，运行特性、绝缘配合设计满足工程运行要求。

2.3.2 例行试验

改进后的换流阀阀模块均通过了全部例行试验。试验结果表明，晶闸管级阻尼回路与触发监测单元配合良好，具有正常完成晶闸管同步触发和过电压保护等功能。阀组件交流耐压性能良好。改进后的水路没有出现漏水现象，晶闸管级长期低压触发过程中没有发生元器件过热现象。

3 工程调试方案及创新点

3.1 本次工程调试方案制定依据

本次换流阀技术改进工程调试方案调试项目的确定参考了“三常”、“三广”、“锦苏”、“哈郑”等工程调试方案，并结合此次换流阀技术改进工程的技术特殊性对常规的工程试验项目进行了必要的调整和精简[3-5]。

本次换流阀技术改进工程调试方案主要基于本工程的以下特殊性进行编制。

(1)本次换流阀技术改进工程是基于已投运的换流阀进行的，是对换流阀进行的局部改进。经计算分析，改动部分对原换流阀整体绝缘性能等一次设备参数无影响。

(2)本次换流阀技术改进工程分系统调试范围只包括换流阀、VBE及控制保护中与VBE接口的设备。对其他未改动设备不再重复分系统调试。

(3)本次工程调试的试验目的主要是验证改进后，二次设备逻辑配合的正确性，一次设备不是主要的试验对象。

(4)基于A5000型换流阀设计技术的换流阀，已具备包括哈密南换流站极Ⅰ在内的多个直流输电工程应用经验，其在哈密南换流站的应用可靠性在建站试验中已经得到充分验证，对相关换流阀保护逻辑设计等内容可以进行适度精简。

(5)哈郑工程在此次换流阀技术改进前已经投入商业运行近1年，换流变、直流场、交流场、输电线路等设备的可靠性已经得到了充分验证，此次工程系统调试不必重复相关的设备试验项目。对工程调试试验项目的科学精简可以有效缩短工程工期，节约工程成本。

3.2 本次工程调试项目

基于以上工程调试方案设计依据，本次换流阀改进工程的分系统、站系统和系统调试项目如表2所示[5-11]。

通过以上试验项目可以全面验证本次换流阀技术改进后，直流系统一次和二次设备功能的正确性和运行的可靠性。

3.3 调试技术创新点

本次工程调试对象不同于以往所有的直流输电工程换流站，其一次核心设备换流阀是在不改变原换流阀一次主结构的前提下，通过对阀上阻尼电阻、触发监测板、VBE等设备，采用国内换流阀技术进行的局部改进。尽管2种技术路线的换流阀均具备成熟的工程调试经验，但2种技术融合后的换流阀工程调试尚属首次。

表2 哈密南换流阀改进工程调试试验项目

Table 2 Improvement project commissioning

items of Southern Hami converter

3.3.1 对不同技术路线换流阀工程调试技术进行创新性的技术融合

分系统调试中，主要采用A5000型换流阀分系统调试技术，结合改进后换流阀的一次元件参数变化理论计算值和原换流阀晶闸管等元件保护阈值设定值，确定分系统调试项目和调试方案。

在站系统调试和系统试验设计中充分考虑换流阀电抗器、晶闸管等主体一次设备元件为国外产品和触发监测单元、VBE等二次设备元件为国内自主知识产权产品的特点，在验证控制配合的正确性和可靠性上增加了扰动试验等试验内容，达到重点验证一次设备和二次设备控制接口是否正确的目的。

3.3.2 对常规的工程调试试验内容进行适当精简

本次换流阀技术改进工程是基于原已投运工程设备进行的局部改进，整个技术改进方案只涉及换流阀相关部分。对换流变、直流线路等其他主要设备无任何变动。如果仍按照以往常规工程进行全部试验项目，必将带来不必要的人力和物力浪费。

本次系统调试方案结合本次换流阀改进工程实际特点，对常规直流工程调试项目进行了细致梳理和仔细分析。对不必重复的试验项目进行合理精简，对本次改进所引起的如触发监测单元与晶闸管、VBE配合是否正确等新的试验内容重新设计扰动试验。在保证工程质量的前提下，将常规直流工程建设所需数月的系统调试时间缩短为数周。

3.3.3 扰动试验(VBE在线更换板卡)

与以往直流工程调试试验相比，本次换流阀技术改进工程，在系统调试试验项目中首次进行了线路带功率工况下的VBE在线更换主控板的系统扰动试验。

VBE等换流站二次设备可在线更换板卡一直是直流工程建设招标规范中对换流站二次设备设计的一项重要要求指标。为进一步严格验证此次改进后的换流阀二次系统配合的可靠性，本次系统试验中首次增加了线路带负载的在线更换主控板的试验项目。

其具体试验步骤包括：

(1)哈密南换流站极Ⅱ低端换流器带电，输送功率400 MW；

(2)CCP-A切换至“试验”状态；

(3)拔出VBE-A主控板A 并更换另外一块主控板；

(4)待VBE-A工作正常后，将CCP-A切换至“备用”状态；

(5)整个过程核实极Ⅱ低端换流器运行是否正常。

本次系统调试成功完成了该项扰动试验，试验中系统无任何扰动或其他异常。

4 工程调试情况及调试结果

4.1 工程调试情况概述

本次工程调试工作从2014年12月23日阀塔吊装完毕开始，至1月24日结束。工程调试经过分系统调试、站系统调试、系统调试3个阶段。

4.2 分系统调试部分

4.2.1 换流阀水压试验

由于改进了阻尼电阻设计，原换流阀水却冷系统发生变动，所以进行了水压试验。试验结果表明，换流阀水路设计满足水压试验要求，水压0.6 MPa下无渗漏。同时改进后的阻尼电阻水容量由0.052 L增加至0.418 L，整个阀模块约增加了10.98 L，冷却容量大幅增加。系统低流量保护动作延时定值可由原来的3 s延长为8 s。

4.2.2 换流阀单级测试

换流阀单级测试是用于阀塔吊装完成后对晶闸管级的逐级自检性测试。单级测试试验回路包括换流阀、光纤、VBE和报文系统等。包括低压测试和高压测试2部分内容，是对换流阀一次设备与VBE等二次设备功能的全面测试[12-13]。

现场单级测试结果表明，改进后的换流阀VBE与换流阀晶闸管级之间的触发保护和回报功能正确，报文系统功能正常。直流均压回路、阻尼回路等一次设备参数符合设计要求。原换流阀一次设备与改进后的VBE等二次设备配合良好。

4.2.3 VBE与控制保护系统接口测试

VBE与控制保护系统接口测试用于验证两者之间接口信号逻辑设计是否正确。现场接口测试结果表明，改进后的换流阀、VBE与控制保护系统接口符合设计要求。在后续的站系统调试、系统调试和工程运行中没有出现由接口设计缺陷导致系统故障的问题。

4.2.4 换流阀低压加压试验

低压加压试验是对一次回路接线是否正确的验证，也是对控制保护系统与由VBE和触发监测板构成的换流器触发系统触发功能是否正常的验证。现场低压加压试验顺利，一次设备接线正确，换流阀触发功能正常。

4.3 站系统调试部分

4.3.1 极II低端换流变压器带电试验

主要进行换流变充电试验，试验结果表明，换流阀触发脉冲的相位正确，避雷器没有动作。晶闸管元件故障监测装置正常[4]。

4.3.2 极II低端换流器不带线路开路试验

本试验重点监视极II低端阀厅设备。试验结果表明，系统启动和停止操作顺序正确，电压变化停止和解除指令能正确执行。直流电压稳定，与触发角关系正确，没有意外的保护跳闸动作。

4.3.3 极II低端换流器带线路开路试验

本试验重点监视极II低端阀厅设备，特别是检查改进后换流器的触发功能及解锁换流器的电压耐受能力，同时检查线路开路试验控制顺序的正确性。试验结果表明，直流电压稳定，设备绝缘正常[4]。

4.4 系统调试部分

4.4.1 初始运行试验(功率正送)

重点验证直流系统的基本启停功能、手动系统切换和手动紧急停运功能，校核模拟量数据采集是否正确。内容包括：换流器初始运行试验、极起停/手动闭锁、控制系统手动切换、控制模式转换、系统紧急停运及稳定运行试验等[4,8]。

试验结果表明，直流系统的起动/停运和紧急停运功能正常，换流器控制系统切换时直流输送功率平稳无扰动。整流站与逆变站直流控制模式之间的转换平稳。

4.4.2 保护跳闸试验(功率正送)

在整流和逆变两侧进行，检验由不同地点发出的跳闸闭锁时序是否正确，以及保护动作跳闸时序是否正常。内容包括整流站模拟接地极开路Ⅲ段跳闸X闭锁等。

试验结果表明，改进后阀控系统整流及逆变跳闸时序正确，阀短路跳闸保护功能可以正常启动，可为直流系统的安全运行提供保障。

4.4.3 VBE扰动试验

模拟直流线路故障，检验直流系统再启动功能，检验冗余设备的平滑转换对直流传输是否存在扰动[14]。内容包括： VBE切换、控制保护与VBE接口功能验证、换流器晶闸管级故障跳闸、控制系统电源故障、控制信号丢失、在线更换板卡、直流线路故障模拟等试验。

试验结果表明，改进后的阀控系统发生上述扰动时，控制保护系统能正常动作，无意外的保护故障跳闸。VBE能正常执行系统切换、保护性跳闸等换流阀保护逻辑。晶闸管级触发监测板能正常完成正向过电压保护动作，并通过VBE准确上报发生保护的晶闸管级位置报文。带负载在线更换板卡扰动试验录波见图3。

图3 带负载在线更换板卡扰动试验录波Fig.3 Wave record of anti-interference test of online replacement of PCB

4.4.4 单换流器在线投切试验

在线投切12脉动换流器试验的目的是检验换流器在投退过程中，直流系统发生平滑、轻微的扰动后，直流电压和功率是否能够平滑变化，以检查在双极运行方式下，极II低端单换流器的投切性能，以及对另一极运行的影响[15]。

试验结果表明，改进后换流器在带电投入/退出过程中，直流系统产生轻微、平滑的扰动后，直流电压和功率能够平滑变化，配合换流器投入的高速开关和各隔离刀闸的开断满足设计要求。没有出现改进前的换相失败或保护误动作问题。

4.4.5 额定负荷运行试验

检查整个直流输电系统内设备的输电能力，检查阀冷却水、主要设备和母线的温度，重点考察经技术改进后的VBE及换流阀设备的性能是否稳定。试验内容主要包括大地回线方式下，1.0 pu额定功率运行试验。

试验结果表明，手动调节换流变分接头时，换流器运行点在规定的开通角、关断角及直流电压的限值范围内。电流升降过程中，改进后的换流阀工作稳定，阀控系统工作正常。

试验中对阀冷却系统温度及阀上直流均压电阻温度等参数进行了实际监测。结果表明，阀冷却系统进出水温差比原来仅增大了0.014 3 ℃，而直流均压电阻的运行温度却由原来的90～100 ℃下降到62 ℃以下。所有设备的温升均控制在规定范围内。

5 结论

本文提出的换流阀改进方案通过了型式试验和例行试验验证，结果显示，换流阀相关设计参数满足工程需求。

(1)现场工程试验过程中直流均压电阻运行温度始终保持在58～60 ℃，在额定负荷运行试验中最高为62 ℃，直流均压电阻运行温度显著降低。

(2)晶闸管状态检测机制完善，系统上电时没有出现晶闸管故障误报及误跳闸现象。VBE跳闸信号切换逻辑正确，试验中未出现保护误动或故障跳闸等错误。

哈密—郑州±800 kV特高压直流输电工程哈密南换流站极Ⅱ低端换流阀技术改进工程于2015年1月30日投入商业运行以来已稳定运行近1年。此次对国外换流阀的技术改进方案和系统试验方法可为今后直流工程调试提供参考。

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(编辑 张小飞)

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

郝长城(1983)，男，硕士，工程师，主要研究方向为高压直流输电换流阀二次设备研发和工程应用；

王华锋(1978)，男，硕士，高级工程师，研究方向为高压直流输电换流阀二次设备研发、电力电子技术等；

杨万开(1962)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为高压直流输电技术；

王斌泽(1988)，男，硕士，工程师，主要研究方向为高压直流输电技术；

周亮(1984)，男，工程师，研究方向为高压直流输电技术等。