試驗技術論文：閥例行試驗方法在工程中的運用研討
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本文作者：查鯤鵬、周萬迪、高沖、王華峰、魏曉光、湯廣福 單位：國網智能電網研究院
高壓直流換流閥基本單元為12脈動換流器，采用2重閥或者4重閥結構。單閥由閥模塊串聯組成，每個閥模塊包含2個閥組件，每個閥組件由多個晶閘管及其輔助回路串聯組成。各晶閘管兩端并聯有均壓電路保障電壓均衡，陰陽級與散熱器相連傳導其因損耗而產生的熱量，還配有電子電路提供觸發(fā)脈沖和必要保護，晶閘管及其輔助回路構成1個晶閘管級，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Fig.1Thyristorlevelofaconvertervalve高壓直流換流閥例行試驗是一種基礎性檢驗，其試驗對象為組裝完成的換流閥組件及各晶閘管級，其試驗目的為檢驗閥整體安裝以及組件性能是否符合設計要求，其檢驗任務包括如下4個方面：1）閥中所用的所有部件和子設備已按照設計正確安裝；2）閥設備預期的功能和預定的參數都處在規(guī)定的驗收范圍內；3）閥組件和晶閘管級（適當的）有足夠的電壓耐受能力；4）產品性能具備相容性和一致性。
閥例行試驗方法研究
換流閥中所用開關器件晶閘管，并不是一個絕對理想開關，施加到其兩端的電氣應力影響著換流閥運行，其運行狀態(tài)有開通、關斷、通態(tài)、斷態(tài)4種。開通和關斷這2種狀態(tài)主要反映了閥運行中晶閘管的動態(tài)性能，如開通時刻的電流上升率和關斷時刻的反向電壓上升率，這些應力需要在閥運行試驗中重點研究。而本文研究的例行試驗關注的是閥裝配完成后的靜態(tài)特性，需要重點研究閥在通態(tài)和斷態(tài)這2種狀態(tài)下的電氣應力。當閥處于通態(tài)時，需要重點關注的是閥的電流應力。由于晶閘管并非理想開關，其兩端存在通態(tài)壓降，導致了晶閘管損耗的產生。當由故障引發(fā)的過電流流過晶閘管時，會使晶閘管結溫迅速升高，而過高的結溫會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)結溫，以確保即使出現最嚴重過流之后，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，當閥中流過較小的電流時，會發(fā)生電流斷續(xù)現象。電流斷續(xù)不僅會對系統(tǒng)運行造成影響，而且其造成的暫態(tài)過電壓還可能損壞晶閘管，需要閥電子電路提供相應保護使得晶閘管能夠安全開通。直流系統(tǒng)中閥電流每周期的脈動數為4，發(fā)生電流斷續(xù)的次數最多為3次。在閥斷態(tài)時，將會承受正、反向電壓應力。對于閥設計要求范圍內的電壓應力，換流閥需要具備耐受能力。換流閥交流側出現最大穩(wěn)態(tài)空載線電壓時，在閥晶閘管兩端產生最大的交流穩(wěn)態(tài)電壓應力，晶閘管級需要能長期耐受這種電壓應力而且局放值應在符合工程壽命要求范圍內。在此基礎上換流閥運行于90工況且考慮反向過沖，會在閥晶閘管兩端形成最大的交流暫態(tài)電壓應力，晶閘管級需要具備耐受此種電壓應力的能力。對于超過設計要求的電壓應力，需對閥提供相應的保護。閥的反向保護通過閥避雷器來實現,一般情況下，閥要能夠承受住比避雷器保護水平高出15%的操作沖擊波。閥的正向保護通過閥電子電路提供，動作水平接近于晶閘管的正向斷態(tài)重復峰值。閥在反向恢復期內，對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的保護。由于串聯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盡量降低閥內電壓的分散性和抑制電壓過沖。均壓電路上的電壓應力與晶閘管上的電壓應力相同，考慮到長期運行，以及會經歷許多正常和非正常工作狀況，對阻尼電阻R1的功率性能提出了較高的要求。在開通情況下出現過壓保護以50Hz重復動作時，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內的電氣應力[6-7]。
為保障晶閘管兩端出現超過其設計承受的過電壓、在反向恢復期內遭受正向沖擊和通態(tài)電流發(fā)生斷續(xù)時能夠被正確觸發(fā)，需要對其電子電路進行相關試驗。要求試驗動作電壓不得大于晶閘管的正向斷態(tài)重復峰值，模擬電流斷續(xù)現象不低于3次。為保障晶閘管級能夠長期承受交流系統(tǒng)施加于其兩端的電壓應力，需要對閥晶閘管級開展交流耐壓和局放試驗。要求晶閘管級能夠耐受的電壓不低于實際最大的交流暫態(tài)電壓，并且在承受實際最大的交流穩(wěn)態(tài)電壓時，局部放電值在實際工程允許范圍內。為保障換流閥晶閘管級單元在串聯壓裝時結構緊湊和水冷系統(tǒng)組裝的正確性，需要對換流閥閥組件開展熱運行試驗，使其在一定幅值的通態(tài)電流下穩(wěn)定運行。要求在試驗中能夠復現晶閘管穩(wěn)態(tài)運行時的結溫，為節(jié)省試驗設備容量，可在試驗前對閥加熱使其結溫或接近于穩(wěn)態(tài)溫度。為保障閥對操作沖擊電壓的耐受性、閥內各晶閘管級兩端的電壓均衡性和保護觸發(fā)時動作的一致性，需要對換流閥閥組件開展操作沖擊試驗。要求閥不動作時施加操作電壓峰值應高于其操作保護水平的15%。為保障均壓電路能夠正常發(fā)揮其作用，需要對其中阻尼電阻開展高壓重復觸發(fā)試驗，通過對均壓電路電容C1重復充放電模擬閥運行中電阻工況。要求試驗中電阻產生的功率損耗應不低于實際中的損耗。為保障冷卻回路安裝的可靠性，需要對其開展過水壓試驗。要求施加壓力以廠家提供水管材料為依據，施加時間不低于1h。表1為標準IEC60700-1[3]提出的閥例行試驗檢驗任務和本文提出的閥例行試驗項目。表1中所列試驗項目不僅涵蓋了標準要求的全部檢驗任務，而且更為嚴格，其中熱運行和高壓重復觸發(fā)這2項試驗是對標準要求檢驗任務作出的補充。這些試驗目的能夠更為全面地考察換流閥組裝及組件性能。
閥例行試驗可按如下順序開展，依次為閥電子電路功能試驗、過水壓試驗、耐壓局放試驗、高壓重復試驗、熱運行試驗和操作沖擊試驗[8-16]。閥電子電路功能試驗電路如圖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，電力電子開關回路能夠強制性截止試品通態(tài)電流，這3部分按照一定控制時序投入運行。過水壓試驗通過水泵向閥模塊打壓即可，較為簡單。交流耐壓局放試驗電路如圖3所示，耐壓試驗電壓高，可先進行耐壓試驗后降壓進行局放測試，為保證試驗的準確性，應盡量在沒有電磁或噪音干擾下進行該項試驗。熱運行試驗電路如圖4所示，將2個閥組件反并聯連接于交流電源兩端，并在各晶閘管陽極與門極間串聯小電阻，使得晶閘管在低電壓情況下實現開通。2個閥組件分別在電源正、負半波流過試驗電流。試驗前需要對冷卻水進行加熱。高壓重復觸發(fā)試驗電路如圖5所示，直流電源對電容充電提供電路工作電源，經逆變升壓后在整流輸出恒定電流對試品充電。通過控制電源電路與試品電路的充放電時序，使得試驗重復進行。操作沖擊試驗電路如圖6所示，依據試驗要求操作沖擊試驗需要開展2次，分別使得試品晶閘管導通和不導通。
閥例行試驗方法在工程中的應用
錦屏—蘇南800kV直流工程是我國首個采用自主研制換流閥特高壓直流工程，依托此項工程，開發(fā)閥例行試驗成套裝備，將所研究閥例行試驗方法付諸實踐，根據所提試驗電路和試驗方案，開展閥例行試驗，部分試驗波形如圖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)。在反向恢復期間，對晶閘管施加正向沖擊，晶閘管被正確觸發(fā)(如圖8所示)，有效檢驗了閥電子電路功能。熱運行試驗中經測量各級晶閘管陰陽級溫度均穩(wěn)定在60左右，且根據試驗電流幅值可以估算出晶閘管結溫接近運行穩(wěn)態(tài)結溫75，滿足試驗要求(如圖9所示)。高壓重復重復觸發(fā)試驗通過對均壓回路中電容進行充電，在晶閘管過壓保護動作后停止充電，電容儲存能量被均壓回路中阻尼電阻R1消耗，放電結束后又重新恢復充電。試驗頻率為130Hz時，電阻消耗功率即超過實際運行中消耗的功率(如圖10所示)。圖11給出了操作沖擊試驗中晶閘管閥保護動作的試驗波形，依據施加波形幅值閥動作正確，有效地反映了閥段內電壓的均衡性和保護動作的一致性。通過上述試驗結果分析，所進行各項試驗均滿足試驗要求，閥例行試驗得到有效開展，驗證了所研究閥例行試驗方法的正確性。
結論
本文調研了高壓直流換流閥例行試驗技術的現狀，指出了進行全面試驗的必要性，開展了例行試驗方法研究：1）研究了試驗對象的組成包括組成元件的基本功能，與標準IEC60700-1關于閥例行試驗檢驗任務。2）分析了換流閥在通態(tài)和斷態(tài)下的電壓、電流和熱應力，以此為依據并結合標準要求提出了閥例行試驗項目和相關試驗要求。3）建立了閥例行試驗的合理流程，給出了閥試驗電路和試驗方案，并投入錦蘇特高壓直流工程中應用，通過實際試驗驗證了所研究方法的正確性和合理性。
