500 kV直流融冰兼动态无功补偿装置的晶闸管阀试验

陆 翌，胡文堂，陈金法，赵启承，金涌涛

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

500 kV直流融冰兼动态无功补偿系统工程是浙江省电力公司的重点项目，所采用的直流融冰兼动态无功补偿装置 （下简称 “融冰兼动补装置”）安装于金华500 kV双龙变电站。该装置可以灵活简便地从动态无功补偿模式切换到直流融冰模式，其核心设备是由晶闸管组成的整流器[1]。对晶闸管阀组的试验可参照静止无功补偿装置（SVC）的规程进行，但也有其独特的要求。笔者结合金华500 kV双龙变直流融冰兼动态无功补偿系统的工程实施经验，总结了此类装置晶闸管阀的现场试验方法，并提出了一些注意事项。

1 晶闸管阀的构成

融冰兼动补装置采用六相12脉可控整流电路，如图1所示，共有2组三相6脉晶闸管阀组，每组晶闸管阀又由3个单相6脉冲晶闸管阀组成。每个单相晶闸管阀由1个正桥臂和1个负桥臂串接组成 （见图2），并采用N+2冗余原则，即每个桥臂上任意2个晶闸管损坏，整个阀体仍然可以正常工作。

晶闸管采用光电式触发方式。每个晶闸管配有1个晶闸管电子电路（TE），其功能是将控制系统进来的光触发信号（脉冲）转换为触发电流脉冲，使晶闸管触发导通，同时将晶闸管的状态信号（正常/损坏）转换为光脉冲信号转发给控制系统，从而使控制系统发出晶闸管告警或保护信号。

晶闸管过电压保护采用击穿二极管保护电路（Break Over Diode，BOD），能在触发脉冲丢失等极端情况下强制导通晶闸管以保护设备安全。

控制系统与晶闸管电子电路间通过光纤连接，每块TE电路连接2根光纤，分别传送晶闸管触发信号和回送状态信号。

晶闸管采用水冷却，水冷散热器串联于晶闸管阀串中。

图1 六相12脉可控整流电路拓扑结构

图2 单相阀的结构示意图

2 阀体均压试验

由于每相阀由多个晶闸管串联而成，所以必须确保阀串所承受的电压均匀分布到每个晶闸管上。阀体的均压系数可以在低压下测量，即在阀串两端施加380 V电压并测量每个晶闸管阀两端的电压。均压系数η为：

式中：UT为阀串两端的总电压；UM为阀串中单个晶闸管所承受的最大电压；ns为阀串串联的晶闸管数。

以融冰兼动补装置1号阀组C相阀正向串为例，实际测得各晶闸管阀两端的电压如表1所示，其均压系数以式（1）计算可得η为99.3%。

表1 1号阀组C相阀串的均压试验数据

值得注意的是，阀体的均压主要由晶闸管的RC阻尼回路来承担[2]。RC阻尼回路采用的是水电阻，并且通常大功率电力电子设备的开关元件都串联有水冷散热器，所以在进行均压试验前必须确认水冷系统已安装调试完毕。在试验时，水冷系统可以不开启，但是管道内必须有水，并且已经通过一段时间的过滤，各项参数达到正常运行要求。

3 晶闸管手动触发试验

晶闸管的手动触发试验主要是验证同一阀串上多个晶闸管开通和关断时间的均衡性，以确保阀体起到应有的均压作用。如果试验条件允许，手动触发试验应在阀体可承受的最高电压下进行，但也可以在低压下进行[3]。简单试验接线如图3所示。三相380 V接入阀组的交流输入端，同时在直流侧串联一小电抗。试验时，控制系统给出触发脉冲导通晶闸管，用示波器查看同一阀串上相邻2个晶闸管之间的电压（导通/关断时刻）波形，如图4所示，相邻2个晶闸管应基本同时导通。

图3 阀组低电压测试接线示意图

如果现场条件允许，手动触发试验应在最大和最小触发角之间重复多次并且测量每个晶闸管的导通关断时间。需要注意的是，不同型号的晶闸管存在大小不同的最小导通电压。如果现场试验条件只允许进行低压触发试验，但380 V的低压又不足以导通整个阀组时，可以对单相阀或者阀串上某个阀段分别进行试验。

4 低压通电试验

在晶闸管阀的分系统调试中，最重要的环节是低压通电试验。阀组在低电压条件下模拟正常运行工况，使设备本身的隐患可以在这一环节暴露出来，避免高压情况下损坏设备。低压通电试验的目的是验证晶闸管电子电路、控制系统、光电转换设备、晶闸管和光纤功能的正确性。试验接线同图3。试验时控制系 统和水冷系统必须投入正常运行。在监控系统上启动融冰兼动补装置并调节到最小运行工况后，依次检查各晶闸管状态和交流侧电流信号，如果条件允许还应测量装置输出的谐波电流含有量；检查直流侧电流信号，直流电流测量结果如图5所示，为典型的6脉冲整流波形。

确认装置运行正常后，还应进行以下试验：

（1）保护功能试验，即改变各项保护的整定值，使其低于当前运行值，验证保护能正常动作。

（2）抗干扰试验，即验证控制系统和光电转换设备的抗电磁干扰能力。试验时在距控制柜20 cm处，分别在开门和关门状态下持手机通话，手机的发射功率应在1～5 W。直流侧和交流侧的电流波形正常，没有突变的现象，且没有跳闸信号输出。

图5 阀组低压通电时的直流电流波形

（3）系统冗余试验，即验证装置备用系统和主系统之间的切换功能正常且切换过程平滑。如融冰兼动补装置的晶闸管电子电路有220VAC和220VDC 2路高频电流源 （一主一备），试验时可手动切除1路，检查备用电源是否正常启动且装置输出无波动。

5 模拟击穿和丢失脉冲试验

试验模拟2种故障工况，验证晶闸管阀保护功能，同时验证光纤通信功能的正确性。

击穿试验是模拟阀组有一个或多个晶闸管被击穿，此时阀两端的电压由同一阀串上的其他晶闸管承受。为防止其他晶闸管乃至装置的损坏，控制系统应发出相应的报警或保护信号。具体试验步骤为：在阀两端施加可以使其导通的电压，并确认控制系统已开启，阀电子电路已供电。然后对晶闸管的状态反馈光纤逐一插拔，确认阀电子电路报警显示正常。由于融冰兼动补装置的晶闸管阀采用N+2设计，当1个晶闸管故障时应报警，每串阀有3个及以上晶闸管故障时应跳闸。

丢失脉冲试验是模拟一个晶闸管丢失脉冲情况下，丢失脉冲的晶闸管处于关断状态，而阀串上的其他晶闸管处于导通状态，这样阀串两端电压全部由1个晶闸管承受，如不将其强制导通则必然引起晶闸管损坏[4]。试验时装置在低压通电情况下正常运行，通过拔除1个晶闸管的触发光纤来模拟晶闸管连续多次丢失脉冲故障，脉冲丢失持续时间应大于相应的保护时延。检查晶闸管的BOD保护是否正确动作，晶闸管是否被强制触发。此试验可以检验光纤连接是否正确，同时验证晶闸管触发脉冲已发送并被正确接收，以检验晶闸管BOD保护的正确性。

6 结语

晶闸管阀是融冰兼动补装置重要的子系统。由于现代电力电子装置的高集成度，晶闸管阀的部分试验 （耐压、绝缘等）在安装之前就可以完成。本文主要介绍融冰兼动补装置所用晶闸管阀的现场调试。根据现场调试经验，提出以下注意事项和重要原则：

（1）在进行均压试验时，如果水冷系统未投入运行，则必须确认冷却水的各项参数 （电导率等）达到运行要求。

（2）在进行手动触发试验时，必须注意晶闸管的最小导通电压。如果受现场条件限制，试验可以在阀串上分段进行。

（3）低压通电试验时虽然电流较小，但为了确保设备及人身安全，一般要求水冷系统正常运行。

（4）晶闸管击穿保护和丢失脉冲保护无法通过改变保护定值来验证，必须以手动插拔光纤来验证。

[1] 申屠刚，程极盛，江道灼，等.500 kV直流融冰兼动态无功补偿系统研发与工程试点[J].电力系统自动化，2009，33（23）：75-80.

[2] T.BAUER，H.P.LIPS，G.THIELE，et al.Operational Tests on HVDC Thyristor Modules in a Synthetic Test Circuit for the Sylmar East Restoration Project[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12 （3）：1151-1158.

[3] M.SAMPEI，T.YAMADA，S.TANABE，et al.Secular Change in Characteristics of Thyristors Used in HVDC Valve[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12（3）：1159-1167.

[4] J.URBANEK，R.J.PIWKO，E.V.LARSEN，et al.Thyristor Controlled Series Compensation Prototype Installation at the Slatt 500 kV Substation[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1993，8（3）：1460-1469.