楊曉楠,湯廣福,彭玲,藍(lán)元良
(中國電力科學(xué)研究院,北京市,100192)
高壓直流輸電在遠(yuǎn)距離大容量輸電、異步聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用[1-2],世界上已建、在建和規(guī)劃的高壓直流項(xiàng)目電壓序列主要包括±125、±500、±600、±660、±800和±1 000 kV[3-6],其中寧東—山東直流輸電工程采用的±660 kV等級(jí)在世界范圍內(nèi)尚屬首例。
我國在20世紀(jì)80年代末開始發(fā)展直流輸電技術(shù),至今已建立了穩(wěn)定的電壓序列,形成了完整的直流輸電理論和實(shí)踐體系?!?00 kV直流系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)輸電距離在1 000 km以下,±800 kV直流系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)輸電距離為1 400 km以上。寧東—山東直流輸電工程輸電距離1 335 km,若采用±500 kV等級(jí),則損耗較大,經(jīng)濟(jì)性偏差;采用±800 kV等級(jí)則工程投資較高。根據(jù)多方因素的優(yōu)化比選,國家電網(wǎng)公司最終確定寧東—山東直流輸電工程采用±660 kV直流系統(tǒng)、單12脈動(dòng)換流閥和單相雙繞組換流變壓器,并將此工程作為示范工程,盡快形成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),推動(dòng)規(guī)劃中寧東送華東、四川送湖南等近10個(gè)直流輸電項(xiàng)目利用本工程的應(yīng)用成果,建立起新的±660 kV標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)[5]。
寧東直流工程采用±660 kV電壓拓?fù)潆m然具有接線布置簡(jiǎn)單、可靠性高、節(jié)省投資、占地少等優(yōu)點(diǎn),但采用單12脈動(dòng)換流閥結(jié)構(gòu)造成6脈動(dòng)閥組跨接電壓過高,相比采用±500 kV電壓拓?fù)鋾r(shí)單閥跨接電壓250 kV,以及±800 kV電壓拓?fù)潆p12脈動(dòng)換流閥結(jié)構(gòu)時(shí)單閥跨接電壓200 kV,寧東直流工程單閥跨接電壓水平達(dá)330 kV,對(duì)換流閥設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和制造提出了極高的要求。
換流閥是直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備之一,它的設(shè)計(jì)性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣和可靠運(yùn)行。中國電力科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱中國電科院)于2009年2月承接工程兩端換流站換流閥供貨任務(wù)后,在法國阿?,m(AREVA)公司的技術(shù)支持下,順利完成換流閥成套電氣設(shè)計(jì)、成套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)、水路設(shè)計(jì)以及光纖布線設(shè)計(jì)。工程單極系統(tǒng)已于2010年11月28日正式投入商業(yè)運(yùn)行,雙極系統(tǒng)計(jì)劃于2011年2月底投入運(yùn)行。
本文以中國電科院和AREVA公司合作設(shè)計(jì)的H400型換流閥為基礎(chǔ),闡述換流閥設(shè)計(jì)所遵循的設(shè)計(jì)依據(jù),并綜述換流閥電氣設(shè)計(jì)成果。
中國電科院與AREVA公司合作在國內(nèi)推出了H400型換流閥,并已在中俄聯(lián)網(wǎng)背靠背黑河換流站、西北—華中聯(lián)網(wǎng)靈寶擴(kuò)建背靠背工程、寧東—山東直流輸電工程和三滬II回直流輸電工程中得到了應(yīng)用。H400換流閥在海外也有工程應(yīng)用,如沙特的海灣國家聯(lián)網(wǎng)工程(GCCIA)、英法海峽聯(lián)網(wǎng)改造工程(IFA2000)和巴西Rio Madeira±600 kV/3 150 MW直流輸電工程等。H400換流閥采用模塊化設(shè)計(jì),通過多個(gè)閥模塊串聯(lián)連接適應(yīng)不同電壓等級(jí)的需求,換流閥結(jié)構(gòu)緊湊,具有以下設(shè)計(jì)特點(diǎn):
(1)采用國際通用的懸吊式、空氣絕緣、水冷卻、柔性防震設(shè)計(jì);
(2)采用緊湊可靠的雙阻尼回路設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)的串聯(lián)/并聯(lián)冷卻閥組件設(shè)計(jì);
(3)換流閥設(shè)計(jì)考慮了阻燃防火要求;
(4)換流閥控制系統(tǒng)高度智能,采用雙冗余設(shè)計(jì)。
根據(jù)本工程的系統(tǒng)拓?fù)浜蛥?shù)設(shè)計(jì)[7-8],每個(gè)換流站建設(shè)2個(gè)閥廳,換流閥采用二重閥塔設(shè)計(jì),每個(gè)閥廳包括6個(gè)懸吊式二重閥塔。
二重閥是將2個(gè)單閥串聯(lián)連接,結(jié)構(gòu)上形成1個(gè)閥塔。每個(gè)閥塔由閥塔頂部結(jié)構(gòu)(懸吊支承系統(tǒng))、頂屏蔽罩、閥層、層間閥塔材料和底屏蔽罩構(gòu)成,每個(gè)閥塔還會(huì)配置1個(gè)閥避雷器串。
兩端換流閥的設(shè)計(jì)基于文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]的要求,以及歷次閥廳設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制保護(hù)系統(tǒng)(含閥基電子系統(tǒng))設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)提出的要求。換流閥設(shè)計(jì)需滿足的環(huán)境條件見表1。
表1 換流閥設(shè)計(jì)滿足的環(huán)境條件Tab.1 Environmental conditions satisfied by thyristor valve design
換流閥電氣設(shè)計(jì)主要包括換流閥晶閘管串聯(lián)級(jí)數(shù)的確定、阻尼均壓參數(shù)設(shè)計(jì)、換流閥均壓措施和換流閥運(yùn)行方式設(shè)計(jì)。
3.1 單閥晶閘管串聯(lián)級(jí)數(shù)的確定
本工程單閥跨接電壓330 kV,為滿足耐壓要求,單閥需要多個(gè)晶閘管級(jí)串聯(lián),確定單閥晶閘管串聯(lián)級(jí)數(shù)是換流閥電氣設(shè)計(jì)最基礎(chǔ)的一個(gè)環(huán)節(jié)。不同的換流閥設(shè)計(jì)方法有不同的確定晶閘管串聯(lián)級(jí)數(shù)的計(jì)算公式。H400換流閥根據(jù)晶閘管斷態(tài)非重復(fù)峰值電壓VDSM和閥避雷器操作沖擊保護(hù)水平確定單閥最小晶閘管串聯(lián)級(jí)數(shù)為
式中:SIPL為跨閥操作沖擊保護(hù)水平,銀川東換流站取667 kV,青島換流站取642 kV;kim為操作沖擊電壓下的安全系數(shù),本工程取1.1;kd為操作沖擊電壓下單閥電壓不均勻分布系數(shù),H400換流閥取1.05;VDSM為7.2 kV(本工程采用5英寸、7.2 kV晶閘管)。
采用上述計(jì)算方法可保證閥避雷器在換流閥運(yùn)行中為主保護(hù)設(shè)備,根據(jù)計(jì)算,銀川東換流站最小串聯(lián)級(jí)數(shù)為107,青島換流站為103。
根據(jù)文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8],在最小串聯(lián)晶閘管級(jí)數(shù)基礎(chǔ)上,單閥應(yīng)增加一些晶閘管級(jí)作為2次計(jì)劃檢修之間12個(gè)月運(yùn)行周期內(nèi)損壞元件的備用,也稱為冗余晶閘管級(jí);冗余晶閘管級(jí)數(shù)不小于12個(gè)月運(yùn)行周期內(nèi)損壞晶閘管級(jí)數(shù)期望值的2.5倍,也不少于單閥晶閘管級(jí)總數(shù)的3%。根據(jù)上述要求,銀川東換流站和青島換流站均增加4個(gè)晶閘管級(jí)作為冗余,因此設(shè)計(jì)的銀川東換流站單閥晶閘管級(jí)數(shù)為111,青島換流站為107。
3.2 阻尼均壓參數(shù)設(shè)計(jì)
3.2.1 閥組件
H400換流閥采用模塊化設(shè)計(jì),閥模塊是一個(gè)獨(dú)立的閥單元,電氣上可以作為一個(gè)完整單閥來使用,只是在耐受電壓上作為整個(gè)閥塔的一部分。閥模塊又可分為2個(gè)閥組件。
閥組件由GRP支撐件、晶閘管壓裝結(jié)構(gòu)(TCA)、飽和電抗器、阻尼電阻、阻尼電容、門極單元、母排/導(dǎo)線及水管相互連接組成。電氣上,1個(gè)閥組件由最多6個(gè)晶閘管級(jí)與1臺(tái)飽和電抗器構(gòu)成,根據(jù)需要還可能在串聯(lián)晶閘管級(jí)和飽和電抗器兩端并聯(lián)閥組件電容。晶閘管級(jí)和閥組件的電氣原理見圖1和圖2。圖中:Rd1Cd1和Rd2Cd2是2個(gè)并聯(lián)阻尼均壓回路,其中Rd2Cd2為主阻尼回路,Rd1Cd1為高頻分量提供阻尼,可以滿足不同頻率動(dòng)態(tài)電壓的均壓要求;Rdc為直流均壓電阻,除了可以為門極單元提供晶閘管電壓采樣信號(hào)外,還可以使換流閥承受的低頻電壓分量在每個(gè)晶閘管兩端均勻分布。
換流閥阻尼均壓回路包括每個(gè)晶閘管級(jí)中的2個(gè)RC回路和直流均壓電阻,以及與晶閘管級(jí)串聯(lián)的飽和電抗器。換流閥電壓分布不均勻主要由2方面原因引起,除了閥內(nèi)各晶閘管之間斷態(tài)漏電流和反向恢復(fù)電荷分散性外[9],還由均壓元件(電阻、電容)的公差引起,因此阻尼均壓參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)確定參數(shù)變化范圍,使換流閥電壓不均勻分布系數(shù)滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。
3.2.2 RC阻尼回路
RC回路主要由電容器進(jìn)行動(dòng)態(tài)均壓,其電容值選取原則如下:
(1)電容器必須能夠耐受包括換相過沖在內(nèi)的換流閥連續(xù)電壓峰值;
(2)電容器應(yīng)充分滿足對(duì)換相過沖的吸收作用;
(3)電容器電容值的選取應(yīng)使得換流閥阻尼損耗最小。
本工程設(shè)計(jì)的RC回路參數(shù)見表2。
3.2.3 直流均壓電阻
選擇直流均壓電阻的原則是其電壓耐受能力與晶閘管一致,而電流不超過門極單元測(cè)量回路的承受范圍。本工程設(shè)計(jì)的直流均壓電阻值Rdc=94 kΩ,由2個(gè)47 kΩ的電阻串聯(lián)組成。
表2 回路參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.2 Parameter design of RC circuit
3.2.4 飽和電抗器
在換流閥元部件設(shè)計(jì)中,飽和電抗器的設(shè)計(jì)非常重要,飽和電抗器作用包括:
(1)限制晶閘管剛開通時(shí)的d i/d t;
(2)在晶閘管關(guān)斷過程中限制d i/d t,降低晶閘管關(guān)斷時(shí)的反向恢復(fù)電荷,從而抑制反向過沖峰值;
(3)飽和電抗器設(shè)計(jì)有足夠的阻尼防止電流過零產(chǎn)生振蕩涌流而損害晶閘管;
(4)飽和電抗器能在沖擊過電壓作用下承擔(dān)部分過電壓,使晶閘管免受電壓破壞。
H400換流閥有2種不同的電抗器設(shè)計(jì)方法,一種是精確控制鐵心中的渦流損耗,另一種是采用低損耗鐵心和1個(gè)單獨(dú)的二次繞組。為了保證電抗器的電氣特性并保護(hù)鐵心迭片結(jié)構(gòu),2種設(shè)計(jì)均采用液體冷卻方式。
本工程采用第1種設(shè)計(jì)方案,飽和電抗器在不同的階躍電壓值下反映出不同的不飽和電感值,見表3。
表3 不同階躍電壓下的不飽和電感值Tab.3 Unsaturated inductance of valve reactor under different voltage levels
3.3 換流閥均壓措施
本工程單閥跨接電壓高,單閥串聯(lián)晶閘管級(jí)數(shù)多,閥塔尺寸較大,使得由雜散電容分布分散性造成的閥組件上動(dòng)態(tài)電壓分布不均勻度加大。在陡波前沖擊電壓作用下,由于d v/d t很高,雜散電容分布分散性的作用進(jìn)一步增強(qiáng),這種動(dòng)態(tài)電壓的不均勻分布會(huì)更加明顯。
同時(shí),由于本工程電壓等級(jí)很高,在閥塔內(nèi)部某些電氣連接處的電荷分布不均勻,容易產(chǎn)生電磁輻射和局部放電。
為了改善閥塔電壓分布,增設(shè)均壓措施、優(yōu)化均壓方案成為換流閥電氣設(shè)計(jì)重要的任務(wù)之一。
3.3.1 閥組件電容設(shè)計(jì)
為了改善閥塔懸吊系統(tǒng)電壓分布,考慮在本工程閥組件兩端加裝閥組件電容。為了考核閥組件電容的均壓效果,并優(yōu)化電容參數(shù),對(duì)陡波前沖擊電壓作用下承受最高電壓的懸吊絕緣子所耐受的電壓應(yīng)力與預(yù)測(cè)的平均電壓應(yīng)力之比與加裝閥組件電容的電容值之間的關(guān)系進(jìn)行了PSCAD仿真。
仿真結(jié)果表明,如果不加裝閥組件電容,電壓應(yīng)力比值非常高(接近2),不滿足業(yè)主對(duì)電壓均勻分布的要求;閥組件電容值取6 nF時(shí),對(duì)電壓分布的改善效果最明顯,可認(rèn)為電壓基本均勻分布,此時(shí)雜散電容分散性對(duì)電壓分布的影響可忽略不計(jì),但此時(shí)換流閥成本將大幅增加。
為了兼顧換流閥的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性,優(yōu)化電容值,最終決定在閥組件兩端加裝均壓電容,電容值為3 nF,此時(shí)在陡波前沖擊電壓作用下電壓不均勻分布系數(shù)為1.14,能滿足工程需求。
3.3.2 屏蔽罩設(shè)計(jì)
為了有效地降低閥塔在運(yùn)行時(shí)發(fā)生閃絡(luò)的概率,確保閥塔對(duì)地呈現(xiàn)均勻的電場(chǎng)分布,為每個(gè)二重閥塔加裝頂屏蔽罩和底屏蔽罩,這種屏蔽罩是專門為±800 kV特高壓直流工程開發(fā)的,屏蔽罩的邊緣和棱角按圓弧設(shè)計(jì),從外形上改為一體化形式(不同于西北—華中聯(lián)網(wǎng)背靠背靈寶擴(kuò)建工程采用的屏蔽罩形式)。
同時(shí),為了驗(yàn)證和優(yōu)化屏蔽罩的電磁屏蔽效果,確保這種新型的屏蔽罩結(jié)構(gòu)能夠在本工程實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮作用,委托烏克蘭國家實(shí)驗(yàn)室(Ukrainian Research, Design and Technological Transformer Institute,VIT)對(duì)新型屏蔽罩設(shè)計(jì)進(jìn)行操作沖擊放電試驗(yàn)(相對(duì)雷電和陡波前沖擊波形,操作沖擊波形最能反映屏蔽結(jié)構(gòu)的均壓效果),并采用了比本工程多重閥操作沖擊試驗(yàn)更嚴(yán)酷的試驗(yàn)條件[10-11]。
試驗(yàn)遵照標(biāo)準(zhǔn)IEC 60060-1∶1989執(zhí)行,這種新型屏蔽罩設(shè)計(jì)順利通過了試驗(yàn)考核,試驗(yàn)表明屏蔽罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,表面光潔平整、無毛刺和凸出部分,在給定電壓等級(jí)和地電位面距離下能有效降低電磁噪聲和靜電放電危險(xiǎn)。
除了加裝新型頂、底屏蔽罩外,對(duì)閥模塊屏蔽罩進(jìn)行了優(yōu)化,采用管狀屏蔽罩代替了部分傳統(tǒng)的板狀屏蔽罩,既美觀大方,又以圓弧化設(shè)計(jì)有效地解決了閥模塊框架尖端存在的潛在放電問題。
3.4 換流閥運(yùn)行方式設(shè)計(jì)
換流閥運(yùn)行方式包括額定運(yùn)行、過負(fù)荷運(yùn)行、大角度運(yùn)行、短路電流運(yùn)行和交流系統(tǒng)故障運(yùn)行。
換流閥額定運(yùn)行時(shí),電壓電流參數(shù)為±330 kV/ 3 030 A,換流閥晶閘管結(jié)溫不超過76℃,滿足設(shè)計(jì)要求(晶閘管結(jié)溫低于90℃)。
換流閥過負(fù)荷運(yùn)行分為連續(xù)過負(fù)荷和暫時(shí)過負(fù)荷2種運(yùn)行方式,其中連續(xù)過負(fù)荷運(yùn)行又分為最大連續(xù)直流電流運(yùn)行和2 h過負(fù)荷電流運(yùn)行。本工程冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于2min,因此對(duì)于任何達(dá)到或超過2 min的過負(fù)荷均可視為連續(xù)過負(fù)荷。經(jīng)過計(jì)算得到連續(xù)過負(fù)荷運(yùn)行時(shí),本工程換流閥晶閘管結(jié)溫不超過81℃,滿足設(shè)計(jì)要求(晶閘管結(jié)溫低于125℃)。
對(duì)于暫時(shí)過負(fù)荷,通過仿真計(jì)算得到的3 s過負(fù)荷電流(1.4 pu額定輸送功率,最大室外設(shè)備環(huán)境溫度,50℃閥廳溫度,不投入備用冷卻設(shè)備)為4.523 kA,在此電流下?lián)Q流閥晶閘管結(jié)溫不超過87℃,滿足設(shè)計(jì)要求(晶閘管結(jié)溫低于125℃)。
換流閥運(yùn)行在大角度方式下,晶閘管和阻尼電阻元件的熱損耗急劇增加,需要設(shè)計(jì)具有足夠冷卻容量的冷卻系統(tǒng)將發(fā)熱元件的溫度控制在限值內(nèi)。晶閘管熱應(yīng)力、換流閥關(guān)斷時(shí)電壓耐受能力限制以及阻尼電阻損耗構(gòu)成了設(shè)計(jì)限值,進(jìn)而決定了換流閥以大角度運(yùn)行方式運(yùn)行時(shí)直流電流限值與觸發(fā)角之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。相比連續(xù)運(yùn)行方式下觸發(fā)角無限制,大角度運(yùn)行方式下以額定電流3 030 A運(yùn)行的觸發(fā)角限值約為60°。
換流閥短路運(yùn)行分為單周波和三周波短路電流運(yùn)行。本工程換流閥單周波和三周波短路電流峰值均為36 kA。短路電流運(yùn)行時(shí),隨著晶閘管結(jié)溫上升,晶閘管電壓阻斷能力降低,換流閥設(shè)計(jì)須確保最惡劣晶閘管級(jí)兩端的電壓仍小于晶閘管的電壓耐受能力。經(jīng)過PSCAD仿真分析,單周波運(yùn)行方式下,換流閥最大正向恢復(fù)電壓峰值約為5 kV,此時(shí)換流閥阻斷電壓高于6 kV;三周波運(yùn)行方式下,換流閥最大反向恢復(fù)電壓峰值不到5 kV,此時(shí)換流閥阻斷電壓約為6.5 kV。由此可見,換流閥短路電流耐受能力完全滿足設(shè)計(jì)要求。
換流閥在交流系統(tǒng)故障下的運(yùn)行能力包括閥側(cè)繞組電壓降至最低和交流系統(tǒng)以低電壓運(yùn)行時(shí)換流閥門極單元維持正常工作的能力。
H400換流閥每個(gè)晶閘管級(jí)門極單元是在晶閘管斷態(tài)期間通過其兩端的電壓取得能量的。當(dāng)容性轉(zhuǎn)移電流流入與晶閘管并聯(lián)的一路RC回路時(shí),對(duì)門極單元的電源充電。
H400換流閥門極單元需要每個(gè)晶閘管級(jí)最小電壓1.5 kV(有效值)才能維持連續(xù)觸發(fā)。銀川東換流站單閥串聯(lián)晶閘管級(jí)數(shù)111,按均壓系數(shù)1.05考慮,要求換流變閥側(cè)最小持續(xù)電壓為174.83 kV(有效值)。
根據(jù)銀川東換流站系統(tǒng)最小空載直流電壓(Udi0min=342.49 kV),計(jì)算換流變閥側(cè)最小持續(xù)電壓為
可見,系統(tǒng)可提供的閥側(cè)最小持續(xù)電壓高于要求值,H400換流閥在故障情況下取能不會(huì)受到影響。
H400換流閥每個(gè)門極單元均設(shè)有電容值很大的儲(chǔ)能電容,可以保證閥端失去電壓2 s內(nèi)仍對(duì)換流閥進(jìn)行完全控制;當(dāng)故障持續(xù)時(shí)間短于2 s時(shí)不需要恢復(fù)時(shí)間,對(duì)本工程而言,這段時(shí)間長于交流系統(tǒng)單相對(duì)地故障和電壓降至正常電壓30%的故障時(shí)間0.7 s,也長于三相對(duì)地故障的持續(xù)時(shí)間0.7 s。
作為世界上第1個(gè)采用±660 kV電壓等級(jí)的直流輸電工程,寧東—山東直流工程單閥跨接電壓高達(dá)330 kV,因此需要串接的晶閘管數(shù)量多,單閥設(shè)計(jì)難度大。針對(duì)本工程電壓等級(jí)高的特點(diǎn),換流閥采用了全新的頂部和底部屏蔽罩設(shè)計(jì),并對(duì)閥組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),加裝閥組件電容。同時(shí),對(duì)換流閥阻尼均壓回路進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算和專門設(shè)計(jì),謹(jǐn)慎選用飽和電抗器設(shè)計(jì)方案。全新設(shè)計(jì)的換流閥通過了型式試驗(yàn)考核,試驗(yàn)結(jié)果表明換流閥設(shè)計(jì)合理,性能良好,能夠滿足工程應(yīng)用。
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