高压直流输电换流阀晶闸管试验研究

马云龙，郝金鹏，李秀广，马 波，常彬

（国网宁夏电力公司电力科学研究院，银川 750011）

高电压技术

高压直流输电换流阀晶闸管试验研究

马云龙，郝金鹏，李秀广，马 波，常彬

（国网宁夏电力公司电力科学研究院，银川 750011）

针对高压直流输电换流阀晶闸管运行过程中故障率较高的问题，通过对各项试验原理进行分析，提出采用综合换流阀测试仪进行换流阀晶闸管试验的方法。应用结果表明：综合换流阀测试仪能有效检测出换流阀中有故障的晶闸管，便于运维人员及早进行检修或更换，从而有效保障直流系统的安全运行。

高压直流输电；换流阀；晶闸管；例行试验

随着经济社会的发展，我国已成为世界最大的能源消费国，但国内能源生产和能源消费呈现明显的逆向分布，负荷中心主要在东部地区，能源基地主要分布在西部和北部地区［1］。传统以化石能源为主的能源传输方式，受到环境保护、气候变化、运输容量等因素的影响，已经难以为继，为满足大容量、远距离、高效的能源传输需求，建设特高压电网是现阶段最优的选择［2-3］。

随着技术的不断成熟，基于晶闸管换流阀的高压直流输电技术在实现能源优化配置方面有着独特的技术和经济优势，在我国得到了大量应用。按照国家电网公司提出的建设以特高压电网为骨干网架、全球互联的坚强智能电网的战略方针［2］，为满足更远距离、更大容量的高压直流输电需求，对高压直流输电核心设备进行试验研究，确保其安全、稳定运行，是当前迫切需要解决的问题。

1 晶闸管换流阀运行中的问题

换流阀在高压直流输电中承担交直流变换的功能，其运行的性能直接关系整个输电工程的稳定性和经济性［4］。晶闸管级作为构成换流阀的核心元件，受到电力电子器件自身结构、运行环境等条件的影响，在运行中极易损坏。由电力电子系统可靠性调研报告［5］可知，功率器件是变流系统中失效率最高的部件，约占34%，因此为保证换流阀的安全稳定运行，除了在工程投运前对晶闸管级进行试验外，需要定期对晶闸管级单元进行例行试验［6-7］。换流站进行年检时，由于工作量大，时间紧，若采用传统分离试验方式或只进行部分试验，将无法保证例行试验的效果。因此，探索一套适合工程实际的换流阀晶闸管级综合试验方法，对未来开展换流阀的例行试验十分必要［8］。

本文通过结合相关标准［9-10］要求，提出采用综合换流阀测试仪进行换流阀晶闸管试验方法，可以有效检测出故障晶闸管，然后进行检修或更换，从而有效保证直流输电系统的安全稳定运行。通过在±800 kV特高压直流输电工程中的应用，证明了该综合测试装置的试验方法较分离式试验方法能够更高效地进行晶闸管试验。

2 换流阀晶闸管试验

2.1 换流阀晶闸管级电气结构

随着高压直流输电技术的不断成熟，现阶段换流阀多采用12脉动换流器，使用2重阀或4重阀的形式，同时，设备制造厂结合多年生产维护经验，对换流阀采用模块化设计：每个单阀由多个阀模块串联而成，阀模块含有2个阀组件，阀组件则是由多个晶闸管级单元串联形成。其中基本的晶闸管级单元是由晶闸管、晶闸管控制单元（（thyristor control unit，简称TCU）、阻尼电路、均压电路及并联在晶闸管阴阳级的散热器构成［3］，原理如图1所示。

图1 换流阀电气原理

晶闸管是晶闸管级的通流元件，由于现在技术成熟，因此不需要并联来增加通流能力，但由于晶闸管是一种四层（P1-N1-P2-N2）三端（A、K、G）的半控功率半导体元件，只具备正向控制导通、反向截止的功能。在晶闸管两端并联着阻尼电路，主要功能是抑制关断时的电压过冲。均压电路则均衡电压分布，避免因为参数差异引起的阻断状态和陡前波状态下的电压分布不均。

模块化换流阀多采用光电转换触发方式，通过光纤将阀控系统输出的触发信号传送到每个晶闸管级的TCU中，实现上百个晶闸管的可靠触发，其触发能量和工作电压可由TCU从晶闸管的阴阳两极中耦合取得；同时TCU中还集成了正向保护触发和反向恢复期保护触发，保证晶闸管在上述非正常工况下能够产生触发脉冲，保护晶闸管免于承受过电压。

2.2 换流阀晶闸管试验

高压直流换流阀晶闸管级的试验主要针对组装完成、运行达到一定年限或大修等情况下，对换流阀组件及晶闸管级进行的基础性检验，检查换流阀整体性能是否达到设计性能，阀组件和晶闸管级是否具有足够的电气绝缘性能，各组件的功能是否能在允许的范围内。

根据GB/T 20992—2007［9］、Q/GDW 1168—2013［10］及国内外阀制造厂技术条件，晶闸管级试验主要开展以下几个项目：阻抗试验、短路试验、低电压触发试验、反向恢复期保护触发试验、电流断续试验、正极性冲击试验、负极性冲击试验等。

2.3 试验系统

试验时，一般将试验系统集成到一个系统内，称为换流阀功能测试仪（Valve Test Electronics，VTE）。根据试验功能需要，试验系统集成了工频电源、冲击电源和高频电源等电源，通过高压继电器的时序控制完成三者之间的切换；同时，系统内部集成控制模块、通讯模块、输入输出（I/O）接口模块以及系统内部保护模块等，试验系统如图2所示。

图2 试验系统

为保证测试仪在升降车上使用及上下吊装，需要对测试仪的外形尺寸、箱体结构有一定要求：一般测试仪需要在下方加装滚轮，顶部加装吊扣；内部元件安排紧凑以便缩小体积和重量；操作界面设计符合人体工学，便于试验人员在升降车上长时间使用。

2.4 试验项目及试验原理

试验的项目可以根据试验性能的不同，分为阻抗类试验、触发类试验、保护触发试验和反向阻断试验几类。

阻抗试验主要是通过变频电源和直流电源在晶闸管级两端施加不同频率段的电压，测量流过的电流，计算该频率段下电压与电流的比值。对比该计算阻抗与设计值间的相对误差，从而检查出晶闸管两端辅助回路中各元件参数是否满足设计要求、接线是否符合标准。一般为综合考虑系统成本和性能，采用峰值检测的方式来测量电压和电流信号，二者相除得到阻抗。试验原理如图3所示。

图3 阻抗试验原理

触发类试验主要通过在晶闸管级两端带电的情况下，施加触发信号，看晶闸管是否能够可靠导通；在电流断续时，能否补发脉冲，保持晶闸管持续导通。试验时使用变频电源提供工频电压，通过电阻限制输出的电流大小，电子开关给晶闸管级提供触发指令，对触发相角进行控制。在整个过程中对晶闸管级试品两端电压电流进行检测，导通时，晶闸管处压降近似于零。试验原理如图4所示。

图4 触发试验原理

保护触发试验考验的是晶闸管级单元在运行中，承受正极性或负极性过电压时，TCU能否紧急触发晶闸管，保证过电压不会对元件造成破坏。试验中，工频电源提供晶闸管导通时需要的正向电压和关断时的反向截止电压，冲击电源模拟元件正常工作时遇到的暂态过电压，两种电源的切换由继电器实现。在冲击电压后，切换到工频电源对被试品施加连续N个正弦波（N可由技术协议规定），若晶闸管被紧急导通，则此时晶闸管阳极与阴极等电位，同时阀控系统会收到回报信号。试验原理如图5所示。

图5 保护触发试验原理

晶闸管在运行未导通时，主要承受反向电压，为考验该工况下的元件绝缘性能，需要被试品通过阻断电压试验。该试验通过冲击电源对被试晶闸管级两端施加一定的冲击电压，通过检测试品两端电压和流过的电流判断试品是否被击穿，试验的接线如图6所示。

图6 反向阻断试验原理

试验系统的操作面板如图7（a）所示，采用windows操作系统，操作界面如图7（b）所示，同时留有各类接口和指示灯，便于工作人员使用图形化的界面对试验流程进行控制和试验数据的导出。

图7 VTE试验系统

试验时，工作人员只需将换流阀的传输光纤与VTE相连（如图7（c）所示），将试验线加至被试晶闸管级阴阳两极，设置VTE中试验参数，做好仪器和阀塔的接地后，就可以开始一体化自动试验，试验完毕后即可进行下一级晶闸管的试验。每次试验仅需2～3人，大大减少了试验所需人数，提高了试验效率。

3 应用及效果评价

3.1 方法应用

2016年，在某±800 kV换流站内晶闸管换流阀安装完成满足试验条件后，使用VTE对极Ⅰ、极Ⅱ共24个换流阀塔晶闸管级单元进行试验。试验时，试验人员分为2组，一组在阀厅内使用升降车对各阀塔进行试验，另一组在主控室内观察晶闸管试验中返回的各项报文。2组之间及时通过无线电联系，协同进行试验，正常进行一组晶闸管的试验时间约在10 min左右。

在进行阻抗试验时，进行了直流阻抗、100 Hz和10 kHz的阻抗试验，其中一个晶闸管级典型试验的结果分别为104kΩ，988Ω，31Ω，满足技术协议中规定。在进行触发试验时，通过将检测晶闸管两端的电压和流过的电流值与设定值进行对比，在实测中，触发后晶闸管两端的电压值均小于10 V，导通电流值大于1 A；同时在电流断续时，补发脉冲，维持晶闸管导通。保护触发和阻断试验时，冲击电压的峰值的绝对值都超过8 kV，反向恢复期时冲击电压的峰值在2 kV左右，保护均正确动作，及时触发保证电流从晶闸管中流过。

3.2 效果评价

上述应用结果表明，相较传统分离式试验方法，本文所提出的试验方法不需要更改试验接线和试验设备，从而节约一半时间；当试验结果不合格时，VTE会自动停止下一项试验，试验人员根据未通过的试验项目可以迅速判断出晶闸管单元故障部位，有效减少故障诊断时间；同时故障晶闸管级得到的数据，也为后续检修、故障分析工作提供了可靠依据。

4 结论

（1）基于晶闸管级的换流阀是高压直流输电的核心设备之一，但由于功率元器件故障率在整个系统中较高，为保证直流工程的正常运行，需要在安装完毕后、投运达一定年限后对换流阀的晶闸管单元进行例行试验，以及早发现劣化的晶闸管，进行检修或更换。

（2）使用集中式的试验系统，便于放置在升降车上进行作业，对减少技术人员工作量、加快作业进度有很极大帮助，尤其在换流站有限的年检时间内完成所有换流阀晶闸管的例行试验，减少因为漏试造成缺陷隐患。

［1］ 刘振亚.中国电力与能源[M].北京：中国电力出版社，2012.

［2］ 刘振亚.全球能源互联网[M].北京：中国电力出版社，2015版.

［3］ 杨晓萍.高压直流输电与柔性交流输电[M].北京：中国电力出版社，2010.

［4］ 贺益康，潘再平.电力电子技术[M].北京：科学出版社，2004.

［5］ 李武华，陈玉香，罗皓泽，等.大容量电力电子器件结温提取原理综述及展望[J].中国电机工程学报，2016，36（13）：3546-3557.

［6］ 查鲲鹏，周万迪，高冲，等.高压直流换流阀例行试验方法研究及工程实践[J].电网技术，2013，37(2)：465-470.

［7］ 李辉.±800 kV特高压直流换流站可控硅阀预试项目及其必要性探讨[J].电源技术应用，2013，3：10-12.

［8］ 刘隆晨，岳珂，庞磊，等.高压直流输电换流阀晶闸管级单元综合测试系统设计与实现[J].电网技术，2016，40(3)：756-761.

［9］ GB/T 20992—2007，高压直流输电用普通晶闸管的一般要求[S].

［10］Q/GDW 1168—2013，输变电设备状态检修试验规程[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

马云龙（1988），男，工学硕士，从事电气设备技术监督工作。

有效访问地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.007