馬云龍，郝金鵬，李秀廣，馬 波，常彬

（國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，銀川 750011）

高電壓技術(shù)

高壓直流輸電換流閥晶閘管試驗研究

馬云龍，郝金鵬，李秀廣，馬 波，常彬

（國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，銀川 750011）

針對高壓直流輸電換流閥晶閘管運行過程中故障率較高的問題，通過對各項試驗原理進行分析，提出采用綜合換流閥測試儀進行換流閥晶閘管試驗的方法。應(yīng)用結(jié)果表明：綜合換流閥測試儀能有效檢測出換流閥中有故障的晶閘管，便于運維人員及早進行檢修或更換，從而有效保障直流系統(tǒng)的安全運行。

高壓直流輸電；換流閥；晶閘管；例行試驗

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，我國已成為世界最大的能源消費國，但國內(nèi)能源生產(chǎn)和能源消費呈現(xiàn)明顯的逆向分布，負荷中心主要在東部地區(qū)，能源基地主要分布在西部和北部地區(qū)［1］。傳統(tǒng)以化石能源為主的能源傳輸方式，受到環(huán)境保護、氣候變化、運輸容量等因素的影響，已經(jīng)難以為繼，為滿足大容量、遠距離、高效的能源傳輸需求，建設(shè)特高壓電網(wǎng)是現(xiàn)階段最優(yōu)的選擇［2-3］。

隨著技術(shù)的不斷成熟，基于晶閘管換流閥的高壓直流輸電技術(shù)在實現(xiàn)能源優(yōu)化配置方面有著獨特的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，在我國得到了大量應(yīng)用。按照國家電網(wǎng)公司提出的建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、全球互聯(lián)的堅強智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略方針［2］，為滿足更遠距離、更大容量的高壓直流輸電需求，對高壓直流輸電核心設(shè)備進行試驗研究，確保其安全、穩(wěn)定運行，是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

1 晶閘管換流閥運行中的問題

換流閥在高壓直流輸電中承擔(dān)交直流變換的功能，其運行的性能直接關(guān)系整個輸電工程的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性［4］。晶閘管級作為構(gòu)成換流閥的核心元件，受到電力電子器件自身結(jié)構(gòu)、運行環(huán)境等條件的影響，在運行中極易損壞。由電力電子系統(tǒng)可靠性調(diào)研報告［5］可知，功率器件是變流系統(tǒng)中失效率最高的部件，約占34%，因此為保證換流閥的安全穩(wěn)定運行，除了在工程投運前對晶閘管級進行試驗外，需要定期對晶閘管級單元進行例行試驗［6-7］。換流站進行年檢時，由于工作量大，時間緊，若采用傳統(tǒng)分離試驗方式或只進行部分試驗，將無法保證例行試驗的效果。因此，探索一套適合工程實際的換流閥晶閘管級綜合試驗方法，對未來開展換流閥的例行試驗十分必要［8］。

本文通過結(jié)合相關(guān)標準［9-10］要求，提出采用綜合換流閥測試儀進行換流閥晶閘管試驗方法，可以有效檢測出故障晶閘管，然后進行檢修或更換，從而有效保證直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。通過在±800 kV特高壓直流輸電工程中的應(yīng)用，證明了該綜合測試裝置的試驗方法較分離式試驗方法能夠更高效地進行晶閘管試驗。

2 換流閥晶閘管試驗

2.1 換流閥晶閘管級電氣結(jié)構(gòu)

隨著高壓直流輸電技術(shù)的不斷成熟，現(xiàn)階段換流閥多采用12脈動換流器，使用2重閥或4重閥的形式，同時，設(shè)備制造廠結(jié)合多年生產(chǎn)維護經(jīng)驗，對換流閥采用模塊化設(shè)計：每個單閥由多個閥模塊串聯(lián)而成，閥模塊含有2個閥組件，閥組件則是由多個晶閘管級單元串聯(lián)形成。其中基本的晶閘管級單元是由晶閘管、晶閘管控制單元（（thyristor control unit，簡稱TCU）、阻尼電路、均壓電路及并聯(lián)在晶閘管陰陽級的散熱器構(gòu)成［3］，原理如圖1所示。

圖1 換流閥電氣原理

晶閘管是晶閘管級的通流元件，由于現(xiàn)在技術(shù)成熟，因此不需要并聯(lián)來增加通流能力，但由于晶閘管是一種四層（P1-N1-P2-N2）三端（A、K、G）的半控功率半導(dǎo)體元件，只具備正向控制導(dǎo)通、反向截止的功能。在晶閘管兩端并聯(lián)著阻尼電路，主要功能是抑制關(guān)斷時的電壓過沖。均壓電路則均衡電壓分布，避免因為參數(shù)差異引起的阻斷狀態(tài)和陡前波狀態(tài)下的電壓分布不均。

模塊化換流閥多采用光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)方式，通過光纖將閥控系統(tǒng)輸出的觸發(fā)信號傳送到每個晶閘管級的TCU中，實現(xiàn)上百個晶閘管的可靠觸發(fā)，其觸發(fā)能量和工作電壓可由TCU從晶閘管的陰陽兩極中耦合取得；同時TCU中還集成了正向保護觸發(fā)和反向恢復(fù)期保護觸發(fā)，保證晶閘管在上述非正常工況下能夠產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，保護晶閘管免于承受過電壓。

2.2 換流閥晶閘管試驗

高壓直流換流閥晶閘管級的試驗主要針對組裝完成、運行達到一定年限或大修等情況下，對換流閥組件及晶閘管級進行的基礎(chǔ)性檢驗，檢查換流閥整體性能是否達到設(shè)計性能，閥組件和晶閘管級是否具有足夠的電氣絕緣性能，各組件的功能是否能在允許的范圍內(nèi)。

根據(jù)GB/T 20992—2007［9］、Q/GDW 1168—2013［10］及國內(nèi)外閥制造廠技術(shù)條件，晶閘管級試驗主要開展以下幾個項目：阻抗試驗、短路試驗、低電壓觸發(fā)試驗、反向恢復(fù)期保護觸發(fā)試驗、電流斷續(xù)試驗、正極性沖擊試驗、負極性沖擊試驗等。

2.3 試驗系統(tǒng)

試驗時，一般將試驗系統(tǒng)集成到一個系統(tǒng)內(nèi)，稱為換流閥功能測試儀（Valve Test Electronics，VTE）。根據(jù)試驗功能需要，試驗系統(tǒng)集成了工頻電源、沖擊電源和高頻電源等電源，通過高壓繼電器的時序控制完成三者之間的切換；同時，系統(tǒng)內(nèi)部集成控制模塊、通訊模塊、輸入輸出（I/O）接口模塊以及系統(tǒng)內(nèi)部保護模塊等，試驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)

為保證測試儀在升降車上使用及上下吊裝，需要對測試儀的外形尺寸、箱體結(jié)構(gòu)有一定要求：一般測試儀需要在下方加裝滾輪，頂部加裝吊扣；內(nèi)部元件安排緊湊以便縮小體積和重量；操作界面設(shè)計符合人體工學(xué)，便于試驗人員在升降車上長時間使用。

2.4 試驗項目及試驗原理

試驗的項目可以根據(jù)試驗性能的不同，分為阻抗類試驗、觸發(fā)類試驗、保護觸發(fā)試驗和反向阻斷試驗幾類。

阻抗試驗主要是通過變頻電源和直流電源在晶閘管級兩端施加不同頻率段的電壓，測量流過的電流，計算該頻率段下電壓與電流的比值。對比該計算阻抗與設(shè)計值間的相對誤差，從而檢查出晶閘管兩端輔助回路中各元件參數(shù)是否滿足設(shè)計要求、接線是否符合標準。一般為綜合考慮系統(tǒng)成本和性能，采用峰值檢測的方式來測量電壓和電流信號，二者相除得到阻抗。試驗原理如圖3所示。

圖3 阻抗試驗原理

觸發(fā)類試驗主要通過在晶閘管級兩端帶電的情況下，施加觸發(fā)信號，看晶閘管是否能夠可靠導(dǎo)通；在電流斷續(xù)時，能否補發(fā)脈沖，保持晶閘管持續(xù)導(dǎo)通。試驗時使用變頻電源提供工頻電壓，通過電阻限制輸出的電流大小，電子開關(guān)給晶閘管級提供觸發(fā)指令，對觸發(fā)相角進行控制。在整個過程中對晶閘管級試品兩端電壓電流進行檢測，導(dǎo)通時，晶閘管處壓降近似于零。試驗原理如圖4所示。

圖4 觸發(fā)試驗原理

保護觸發(fā)試驗考驗的是晶閘管級單元在運行中，承受正極性或負極性過電壓時，TCU能否緊急觸發(fā)晶閘管，保證過電壓不會對元件造成破壞。試驗中，工頻電源提供晶閘管導(dǎo)通時需要的正向電壓和關(guān)斷時的反向截止電壓，沖擊電源模擬元件正常工作時遇到的暫態(tài)過電壓，兩種電源的切換由繼電器實現(xiàn)。在沖擊電壓后，切換到工頻電源對被試品施加連續(xù)N個正弦波（N可由技術(shù)協(xié)議規(guī)定），若晶閘管被緊急導(dǎo)通，則此時晶閘管陽極與陰極等電位，同時閥控系統(tǒng)會收到回報信號。試驗原理如圖5所示。

圖5 保護觸發(fā)試驗原理

晶閘管在運行未導(dǎo)通時，主要承受反向電壓，為考驗該工況下的元件絕緣性能，需要被試品通過阻斷電壓試驗。該試驗通過沖擊電源對被試晶閘管級兩端施加一定的沖擊電壓，通過檢測試品兩端電壓和流過的電流判斷試品是否被擊穿，試驗的接線如圖6所示。

圖6 反向阻斷試驗原理

試驗系統(tǒng)的操作面板如圖7（a）所示，采用windows操作系統(tǒng)，操作界面如圖7（b）所示，同時留有各類接口和指示燈，便于工作人員使用圖形化的界面對試驗流程進行控制和試驗數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。

圖7 VTE試驗系統(tǒng)

試驗時，工作人員只需將換流閥的傳輸光纖與VTE相連（如圖7（c）所示），將試驗線加至被試晶閘管級陰陽兩極，設(shè)置VTE中試驗參數(shù)，做好儀器和閥塔的接地后，就可以開始一體化自動試驗，試驗完畢后即可進行下一級晶閘管的試驗。每次試驗僅需2～3人，大大減少了試驗所需人數(shù)，提高了試驗效率。

3 應(yīng)用及效果評價

3.1 方法應(yīng)用

2016年，在某±800 kV換流站內(nèi)晶閘管換流閥安裝完成滿足試驗條件后，使用VTE對極Ⅰ、極Ⅱ共24個換流閥塔晶閘管級單元進行試驗。試驗時，試驗人員分為2組，一組在閥廳內(nèi)使用升降車對各閥塔進行試驗，另一組在主控室內(nèi)觀察晶閘管試驗中返回的各項報文。2組之間及時通過無線電聯(lián)系，協(xié)同進行試驗，正常進行一組晶閘管的試驗時間約在10 min左右。

在進行阻抗試驗時，進行了直流阻抗、100 Hz和10 kHz的阻抗試驗，其中一個晶閘管級典型試驗的結(jié)果分別為104kΩ，988Ω，31Ω，滿足技術(shù)協(xié)議中規(guī)定。在進行觸發(fā)試驗時，通過將檢測晶閘管兩端的電壓和流過的電流值與設(shè)定值進行對比，在實測中，觸發(fā)后晶閘管兩端的電壓值均小于10 V，導(dǎo)通電流值大于1 A；同時在電流斷續(xù)時，補發(fā)脈沖，維持晶閘管導(dǎo)通。保護觸發(fā)和阻斷試驗時，沖擊電壓的峰值的絕對值都超過8 kV，反向恢復(fù)期時沖擊電壓的峰值在2 kV左右，保護均正確動作，及時觸發(fā)保證電流從晶閘管中流過。

3.2 效果評價

上述應(yīng)用結(jié)果表明，相較傳統(tǒng)分離式試驗方法，本文所提出的試驗方法不需要更改試驗接線和試驗設(shè)備，從而節(jié)約一半時間；當(dāng)試驗結(jié)果不合格時，VTE會自動停止下一項試驗，試驗人員根據(jù)未通過的試驗項目可以迅速判斷出晶閘管單元故障部位，有效減少故障診斷時間；同時故障晶閘管級得到的數(shù)據(jù)，也為后續(xù)檢修、故障分析工作提供了可靠依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）基于晶閘管級的換流閥是高壓直流輸電的核心設(shè)備之一，但由于功率元器件故障率在整個系統(tǒng)中較高，為保證直流工程的正常運行，需要在安裝完畢后、投運達一定年限后對換流閥的晶閘管單元進行例行試驗，以及早發(fā)現(xiàn)劣化的晶閘管，進行檢修或更換。

（2）使用集中式的試驗系統(tǒng)，便于放置在升降車上進行作業(yè)，對減少技術(shù)人員工作量、加快作業(yè)進度有很極大幫助，尤其在換流站有限的年檢時間內(nèi)完成所有換流閥晶閘管的例行試驗，減少因為漏試造成缺陷隱患。

［1］ 劉振亞.中國電力與能源[M].北京：中國電力出版社，2012.

［2］ 劉振亞.全球能源互聯(lián)網(wǎng)[M].北京：中國電力出版社，2015版.

［3］ 楊曉萍.高壓直流輸電與柔性交流輸電[M].北京：中國電力出版社，2010.

［4］ 賀益康，潘再平.電力電子技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

［5］ 李武華，陳玉香，羅皓澤，等.大容量電力電子器件結(jié)溫提取原理綜述及展望[J].中國電機工程學(xué)報，2016，36（13）：3546-3557.

［6］ 查鯤鵬，周萬迪，高沖，等.高壓直流換流閥例行試驗方法研究及工程實踐[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(2)：465-470.

［7］ 李輝.±800 kV特高壓直流換流站可控硅閥預(yù)試項目及其必要性探討[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2013，3：10-12.

［8］ 劉隆晨，岳珂，龐磊，等.高壓直流輸電換流閥晶閘管級單元綜合測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，40(3)：756-761.

［9］ GB/T 20992—2007，高壓直流輸電用普通晶閘管的一般要求[S].

［10］Q/GDW 1168—2013，輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程[S].

Research and test on thyristor converter valve of high voltage direct current transmission

MA Yunlong，HAO Jinpeng,LI Xiuguang,MA Bo,CHANG Bin
(Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China)

Aiming at the problem of high failure rate of thyristor converter valve in high voltage direct current(HVDC)transmission operation,by analyzing each test principle puts forward the method of using integrated converter valve tester makes thyristor converter valve test.The application result shows that integrated converter valve tester can effectively detect the faulty thyristor converter valve, facilitate operation staff maintenance or replacement,ensure efficiently the safe operation of HVDC transmission system.

HVDC transmission;converter valve;thyristor;routine test

TM83

A

1672-3643（2017）01-0034-05

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.007

2016-10-12

馬云龍（1988），男，工學(xué)碩士，從事電氣設(shè)備技術(shù)監(jiān)督工作。

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.007