特高压直流输电中换流阀施工技术研究

王德丽，韩军华，李亚洲，刘建廷，敬 涛

（1.山东送变电工程有限公司，山东 济南 250118；2.山东电力设备有限公司，山东 济南 250011；3.国网山东省电力公司建设公司，山东 济南 250001；4.国网山东省电力公司昌乐县供电公司，山东 潍坊 262400）

0 引言

特高压直流输电技术是指采用直流电压进行输电的技术。直流输电作为特高压输电的一种形式，是目前解决高电压、大容量、远距离输电和电网互联问题的重要手段。随着电力系统的需求扩大和电力电子技术不断发展，特高压直流输电技术日渐成熟，换流站作为特高压直流输电的龙头，其可靠性要求特别高，尤其是换流站的核心元件换流阀，由成千上万个元部件组装，结构复杂，安装难度高。

1 特高压直流输电

1.1 特高压直流输电性能特点

特高压直流输电的原理为：发电系统发出交流电，升压后，送电端的换流器将交流电整流为高压直流电，通过直流输电线路将高压直流电输送到受电端，受电端再通过换流器将直流电逆变成交流电，最终送入送电端的交流电网［1］。与交流输电相比，直流输电技术具有线路造价低、输送容量大、输电距离远、控制灵活、节省输电走廊占地的特点。因此我国电力远距离大规模输送必然选择特高压直流输电技术［2］。

1.2 主接线方式

图1 双12脉冲阀组串联结构

我国±800 kV特高压直流输电换流阀采用双12脉冲阀串联结构，如图1所示。其电压组合有±400 kV+±400 kV、±500 kV+±300 kV 和±600 kV+±200 kV 3种方式，一般情况下采用±400 kV+±400 kV组合（如上海庙至山东临沂换流站）。运行中根据需要，双12脉冲阀主接线中需要配置旁路开关，以便根据运行情况而切换运行方式。双12脉冲阀可全电压运行，也可单极全压、单极半压运行［3］。

2 换流阀施工技术研究

2.1 换流阀的工作原理

换流阀是特高压直流输电中实现整流、逆变功能的重要设备，是特高压直流输电系统中的关键部件，它的运行情况与整个特高压直流系统的稳定运行息息相关。换流阀安装于室内，采用空气绝缘和水冷却方式。换流阀的类型有汞孤阀、晶闸管阀和IGBT换流阀。为满足功率输送要求，变电站大多采用晶闸管阀。换流阀由晶闸管、晶闸管控制单元、阻尼电容、饱和电抗器、阻尼电阻、均压电容、均压电阻等元部件组成。其中，晶闸管是换流阀的核心元件，换流阀的通流能力取决于晶闸管的好坏，将多个晶闸管元件串联可以得到想要的系统电压。

换流阀有单阀、双重阀、四重阀，两个单阀可以组成一个双重阀，两个双重阀可以组成一个四重阀。

单桥整流是换流阀换流工作的核心原理，通过晶闸管，电抗器、阻尼电阻等原件组合实现换流作用，原理如图2所示。

图2 单桥整流器的工作原理

图2中三相交流电源的三相电势为

由换流阀具有单向导通性且导通时间为三分之一周波，三相交流电经过单桥整流后三相电势为

换流阀单向导通，导通有两个条件，一个是正向电压，一个是触发电流。换流阀关断需要电流降为零，即使电压降为零，只要有电流，换流阀还是会保持导通状态。通过按照一定顺序的阀的通断将交流电压变换成脉动的直流电压。

2.2 换流阀现场固定方式

目前，常规直流输电换流阀主要采用晶闸管串联方式，为了实现输送容量的要求，需要将大量的晶闸管进行串联连接。为了便于现场安装、试验和运输，换流阀采用模块化设计，不同模块采用一定顺序连接起来，构成一个完整的电气单元。换流阀主要采用户内安装，换流阀在阀厅的固定方式主要包括支撑式和悬吊式两种［4］。

1）支撑式固定方式。支撑式固定方式主要用于输送容量较小的直流输电工程领域，是借助支撑式绝缘子实现结构支撑。在早期的常规低功率直流输电工程中，换流阀阀塔主要采用支撑式的固定方式。

支撑式安装简便，对阀厅屋架强度要求不高，但是对阀厅地面基础强度及平整度要求较高；不适合用在地震活动区或抗震要求高的场合；为了增加结构整体稳定性，需要增添更多支柱型绝缘构件，使支撑结构复杂化，阀整体质量增加；支撑式固定方式采用自下而上依次叠层安装，阀塔整体高度相对较低，现场施工作用高度相对悬吊式较低，安装方便，但是随着特高压直流输电的发展，电压等级越来越高，工程需要的模块越来越多，换流阀的高度也逐渐增加，采用该安装方式将不能够满足安装现场对抗震等级的要求。

支撑式固定方式以其自身的优点，在电压等级相对较低的轻型柔性直流输电中仍占据主导地位。

2）悬吊式固定方式。目前，国际上先进的换流阀技术在结构上都是采用户内柔性悬吊式结构设计。换流阀悬吊部分的作用主要是将阀塔通过绝缘子连接，组成一个水平方向可任意摆动的柔性结构，以满足抗震要求。该固定方式的特点是阀层间采用具有足够强度的层间悬吊绝缘子，由于连接部分设计有铰链机构，可以有效降低地震波作用下阀塔的内部应力，提高阀塔整体抗震性能，因此，该种安装方式是当前高压直流输电工程主流的固定方式。

2.3 换流阀安装施工技术特点

户内悬吊式阀塔结构设计简单，而且具有良好的抗震性能。换流阀阀塔通过具有柔性结构的悬吊式绝缘子固定在阀厅顶部钢梁处，自上而下依次悬挂屏蔽罩、阀层组件等设备，整个安装过程需要借助电动葫芦和升降平台完成。安装过程主要依赖升降平台把技术人员送至高空中，借助固定在阀厅顶部钢梁上的电动葫芦，吊起地面相关组件，安装人员需在高空中完成阀塔的一系列装配工作。换流阀阀塔主要由对地绝缘子、斜拉绝缘子、阀段、金具、水冷系统及光纤系统等组成，其安装工艺及质量控制有很高的要求。

1）由于输送功率大，换流阀的输送电流由以往的5 000 A升至6 250 A，金具接头发热风险增大。安装过程中要严格把控安装工艺，搭接面要求平整光滑，无毛刺和凹坑，母线接触面加工后必须保持清洁，并涂以电力复合脂，所有接触面安装完后测电阻，确保电阻值在2μΩ以下。母线的接触面应保持紧密连接，螺栓连接应采用力矩扳手紧固，紧固力矩值应符合设计要求。螺栓紧固采用双线标识法，安装过程中将打完力矩的螺栓用黑色记号笔竖向划线，记录螺栓与螺杆相对位置，项目质检员验收时将所有螺栓力矩值验收，验收合格后用红色记号笔划线，确保每一个螺栓力矩值合格。

2）高空作业多，安全风险高、施工难度大。阀塔采用悬挂式安装，电压等级高，高空作业多，安装作业基本在10m以上高空进行，工作中须采用升降平台进行安装作业。为确保换流阀施工安全、有序地开展，现场升降车，必须有经过培训考试合格后的专人进行操作，其他人员严禁操作；开工前进行施安全技术交底，全员确认工作任务、安全措施、危险点之后方可开工。为保证高空作业人员的人身安全，在阀冷设备主水管安装前，阀厅顶部满铺安全网，对作业人员进行第二重防护。

3）设备价值大，成品防护重中之重，安装精度高，安装过程平稳、细致。换流阀为换流站的核心设备，其价值约占换流站成套设备总价的22%～25%，安装过程中要平稳、细致。施工过程中严防挂、碰，做好防碰撞、防跌落、防损坏、防遗漏措施，施工过程中做好成品保护措施。为了避免在换流阀阀模块安装过程中对模块造成损坏，在进站门口处放置防静电释放装置，将身体所带电荷释放；施工人员穿棉质工作服，防止身体与衣物摩擦产生静电损坏阀模块；阀层间施工时佩戴软质安全帽，在防护头部的同时避免安全帽对阀模块的碰伤。

4）施工环境要求高。

换流阀安装前阀厅应具备安装条件换流阀安装时阀厅应满足以下要求：阀厅应完成密封性施工，穿墙套管预留孔临时封堵完成。阀厅内其他洞口临时密封，达到产品要求的清洁标准，每立方米直径0.5μm颗粒数量不大于5 000万个。

每个阀厅都配备过渡间，风淋房流转使用，阀厅内的地坪等设施完善。

阀厅通风和空调系统投入使用，阀厅内保持微正压状态，采用温湿度计对温湿度进行检测。现场施工用监控设备投入使用，通过互联网，能随时随地对施工现场进行监测。

阀厅悬挂结构上面的工作，包括光纤电缆通道、冷却回路主管道等都完成铺设。阀厅的地面和墙面引出线应无灰尘；阀内冷系统进行管道清洗，满足与换流阀水冷系统对接的条件，内冷管道短接；全部钢梁结构彻底清扫，不能有遗留等杂物；对土建预留安装孔与图纸仔细核实，防止吊装期间出现土建预留开孔不合适，影响安装。

3 结语

特高压直流输电所具有的优势决定其在长距离、大容量输电系统中的广泛应用前景。我国能源资源与负荷逆向分布的现实情况以及未来电力需求的巨大空间急切需要发展特高压直流输电技术。特高压直流输电对换流站的工程技术要求很高，换流阀的可以实现交直流的转换，是换流站的技术核心。目前工程施工中针对换流阀的安装难点已有相应的控制方法，但并不完善。相信随着直流工程的发展，换流阀将会更加合理有效的使用在换流站中，为未来特高压直流输电发挥更多的作用。