A5000型换流阀晶闸管快速更换工具的研制

刘钊，李昊

(国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750011）

随着国家西电东送战略以及国家电网公司 全球能源互联网 战略的深入推进，特高压直流输电工程数量呈逐年增长的趋势，截至目前，在运换流站包括跨区柔性直流站共有47座，换流阀作为特高压直流输电工程的关键设备，其作用是把交流电变换成直流电（称为整流）或者把直流电变为交流电（称为逆变），而构成换流阀的核心单元是晶闸管。根据历年在运直流工程换流阀故障统计情况，晶闸管故障为换流阀最常见的故障情况，处理该类故障需要停运相应换流阀组，为了缩短停电检修时间，保证直流输电系统能量可用率，需要提高晶闸管的故障处理时间。

±800kV特高压灵州换流站采用中电普瑞生产的A5000系列换流阀，自2016年以来共计发生6次晶闸管击穿故障，其中晶闸管发生鼓胀现象的共计4次，利用现有晶闸管更换工具处理鼓胀晶闸管平均工作耗时为未鼓胀晶闸管更换处理工作的3.25倍，严重影响直流输电系统的功率外送，以单阀组送电功率2000MW计算，单次鼓胀晶闸管的更换处理工作耗时将至少导致5000MW的功率损失，而传统更换晶闸管工具使用相对烦琐，更换一只故障晶闸管的时间较长，针对此情况，研制一种快速更换晶闸管的工具具有很重要的意义。

1 A5000换流阀简介

A5000型换流阀阀组件包括了晶闸管压装结构（Thyristor Clamped Assembly，TCA）、门极单元组件、饱和电抗器组件、阻尼电阻组件、阻尼电容组件、直流均压电阻、取能电阻、冷却管路以及附属的支撑结构和电气连接结构。阻尼电阻组件、阻尼电容组件和门极单元组件围绕TCA布置。晶闸管、阻尼电阻、直流均压电阻和取能电阻采取水冷却方式。A5000型换流阀晶闸管级原理如下：每个晶闸管级配备一块TTM板。当换流阀需要触发导通时，VBE通过光纤向晶闸管TTM传输触发脉冲编码，TTM解码后触发晶闸管。TTM为晶闸管提供过电压保护、反向恢复期保护、电流断续保护。在保护动作时，TTM触发晶闸管，实时监测晶闸管状态是否良好，并通过光纤向VBE传输过电压保护动作信息和晶闸管状态信息。

2 晶闸管更换现状分析

目前，灵州站晶闸管更换主要采用硅堆压力紧固专用工具，主要包括晶闸管拆卸手动液压泵、压力表、缓压阀组件，晶闸管保护绑带、TCA辅助支撑框架、25t液压缸、转接头组件、压力加载柱塞等。

（1）现有的手动液压泵油管路仅设置了2条分支，在对大液压缸加压或泄压时选用其中一条支路，完成大液压缸工作后再将该支路取下，与另一支路分别接入小液压缸进行加压或泄压。在晶闸管鼓胀情况下，步骤（3）～（6）反复进行时，油管路的来回切换将耗费大量时间。

（2）小液压缸缸体4支顶柱完全撑开时，能够将单支正常晶闸管两侧散热器夹持距离撑开3～5mm。若晶闸管发生鼓胀，且鼓胀厚度超过5mm时，即使小液压缸缸体4支顶柱完全撑开，散热器仍然紧贴晶闸管，无法取出。

有鉴于此，我们有必要设计一款晶闸管快速更换工具，针对上述问题进行优化。

3 晶闸管更换工具设计

3.1 液压缸缸筒的设计和计算

（1）液压缸内径D的计算

（Fmax=5kN；P=60MPa；η=0.95）

解得D=0.024m。

圆整成标准值后，得液压缸内径D=24mm。

（2）缸筒壁厚和外径计算

本设计的内径D为24mm，查液压设计手册液压缸的外径D1为34mm，缸壁的厚度为7.5mm。一般按正规的方法选取液压缸壁厚都能满足其强度，但为安全起见，我们还要进行校核。

由于D=24mm，外径D1=34mm，则可按第一强度理论，即按照薄壁圆筒的中径公式计算，则有

式中，δ为缸筒壁厚；D缸筒内径；Pmax为缸筒试验压力，液压缸的额定压力Pn≤16MPa时Pmax=1.5Pn，额定压力Pn＞16MPa时Pmax=1.25Pn；[]σ为材料许用应力。

σb为材料的抗拉强度，n为安全系数，n=3.5～5，这里取n=5。选用45号钢，并且调质241～285HB，查阅《工程力学》刘静香著可知45号钢的抗拉强度σb=530～598MPa，现取σb=560MPa，故：

因为7.5mm＞0.8mm，故强度足够。

3.2 最小导向长度H的确定

当活塞杆全部伸出时，从活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度。如果导向长度过短。将使液压缸因间隙引起的初始挠度增大，影响液压缸的工作性能和稳定性。因此，在设计时，必须保证液压缸有一定的最小导向长度。对于一般液压缸，最小导向长度应满足下式要求：

图1 活塞柱平面图

液压缸工作行程的确定：升降液压缸的最大升起高度为15mm，依据国标选取液压缸工作行程为25mm。

故L=0.025m，D=0.024m，代入公式得：

活塞宽度B的计算：

取B=15mm。

导向套滑动面的长度A，由公式A=(0.6～1.0)d。

由前面的数据可知，d=40mm，故取A=（0.6～1.0）d=9.6～16mm

取A=11mm。

3.3 晶闸管更换工具的整体设计

晶闸管更换工具的整体设计图如下图所示。首先，对手动液压泵油管路进行优化，定制专用换流阀用分支管路，达到无须来回倒换油管路即可快速切换大、小液压缸的加压卸压的目的。其次，对小液压缸缸体进行优化，加厚缸体5mm，加长顶柱3mm，该缸体仍能放入晶闸管两侧散热器之间，完全撑开后能够使撑开距离增加至11～13mm，满足使用需求，无须松散处理TCA压装结构即可取出发生鼓胀晶闸管。同时，为使小液压缸更快速地插入散热器间隙，对小液压缸底部由原来的矩形设计重新优化为楔形设计，减少调整时间。

图2 晶闸管更换工具整体设计图

4 结语

目前，国内外暂无便捷、高效的A5000型换流阀故障晶闸管更换工具，研究及探索均处于空白。本文所描述的A5000型换流阀晶闸管快速更换工具，已成功应用于灵州换流站2020年年度检修故障晶闸管更换，效果显著。A5000型换流阀晶闸管快速更换工具可推广到全国其他换流站使用，发展前景良好。