±800kV 特高压直流输电换流阀核相试验

2021-04-24郭绯阳李国楷杨云龙

电气技术 2021年4期

郭绯阳张涛吴鑫李国楷杨云龙

（1. 河南九域恩湃电力技术有限公司，郑州 450052；2. 河南合众电力技术有限公司，郑州 450001）

0 引言

随着特高压直流输电（ultra-high voltage direct current, UHVDC）工程项目规模逐渐增大，直流输电的安全性及可靠性变得至关重要。特高压直流输电工程在跨区域、高功率输电方面有着广泛的应用[1]。±800kV 特高压直流输电工程进行系统调试之前，必须完成换流阀核相试验，该环节不仅可检验特高压直流工程项目现场设备是否安装正确，也可保证系统调试的顺利进行[2-4]。

特高压直流输电换流阀核相试验是对换流阀是否能够正确按照触发信号进行导通的实际验证，同时也是对现场工程项目一次接线、换流变压器一次接线的检测验证，从而保证工程调试前各环节处于安全稳定状态。整个试验主要针对交流电压相序和换流阀电压相序是否一致、控制信号与触发脉冲是否一致、触发脉冲角度与晶闸管导通角度是否一致进行分析验证。整个核相试验可有效检验特高压直流输电工程系统相关环节的配合逻辑是否正确，因此，换流阀核相试验对直流工程系统调试的顺利进行具有一定的实际意义[5-9]。

本文针对±800kV 特高压输电换流阀核相试验进行研究，详细介绍换流阀核相试验的原理与主回路接线，并对试验参数进行数学建模和设备选型分析，总结换流阀核相试验的试验步骤。最后，针对试验波形进行详细对比，验证换流阀触发控制电压的正确性和触发脉冲对应阀组触发顺序的正确性，为特高压输电换流阀核相试验提供一种新思路和新方法[10-14]。

1 试验主回路接线

特高压直流输电换流阀核相试验是在换流变压器交流侧模拟施加较低的交流试验电压，通过十二脉动整流桥将交流电压变为直流电压，对试验过程中换流变压器交流侧的同步电压、换流阀直流侧电压及晶闸管两端电压进行核相分析[15]。

特高压直流输电工程受电端的换流阀正常工作在逆变状态，本文所涉工程额定直流输送能力为8 000MW，换流站采用双极四阀组，每个阀组为一个12 脉冲双桥换流器。换流阀为许继柔性输电系统公司生产，一个单阀由59 个晶闸管级构成，控制保护系统由南瑞集团公司制造。换流阀系统接线结构如图1 所示[16]。

图1 换流阀系统接线结构

特高压直流输电换流阀中的晶闸管通常采用串并联方式组合使用，试验用临时短接线将其组成12脉动整流桥，将直流侧正、负极电压和单阀阳极电压接入测量装置。试验采用的直流电流Id在能使晶闸管连续导通的前提下尽可能低，但能维持晶闸管正常触发导通并允许触发延迟角在一定的范围内变动，换流阀临时短接图如图2 所示。

试验电源接线：换流阀核相试验的低压加压设备由三相调压器和升压变压器组成，经过调压变压器调节升压变压器的输出电压。变压器采用Yy 联结可降低变压器高低压侧的相角误差，避免Yd 联结方式产生的30°相位差，同时，试验变压器的输入与输出实际相位差可忽略不计，核相试验系统接线图如图3 所示。

图2 换流阀临时短接图

图3 核相试验系统接线图

试验变压器与换流阀触发控制系统之间需连接三相调压器，该调压器的输出电压需调节到电压互感器（PT）二次电压值（约为100V 线电压）。进行换流阀核相试验时，务必检查试验变压器的电压相序与同步电压是否一致，且试验前需保证换流变压器交流电压与触发控制电压之间的相位差一致。

2 试验参数计算分析

2.1 试验电源容量计算

试验先后对每一阀组进行核相试验，极I 与极II 参数基本一致，因此，本文以极I 为例。在阀塔交流侧加试验电压，对换流器每片选用500V，试验电流选用2A，换流变压器分接头取最低电压。

500kV 换流变压器高压侧电压计算如下。

Y -Y 分支有

Y-△分支为

即500kV 换流变压器高压侧电压为2 553.2V。

直流侧输出电压（最大值）：

式（3）和式（4）中：UdY为Y -Y 侧输出直流电压；Ud△为Y-△侧输出直流电压。

式（5）和式（6）中：Rd为直流侧负载电阻；Ud为直流总电压。

电阻消耗功率为

式中：Idtest为直流侧试验电流（2A）；Pd为试验电阻消耗的功率。

电源容量为

式中，P1为极I 试验电源容量。依据负载侧功率选择6kV·A 容量的调压器，但考虑该容量的调压器负载侧电流较大不足以支撑，因此还需计算直流侧最大输出电流。

换流变压器低压侧电流为

式（9）和式（10）中：I1Y为Y -Y 侧换流变压器低压侧电流；I△1为Y-△侧换流变压器低压侧电流。

换流变压器高压侧电流为

式（11）和式（12）中：IY2为Y -Y 侧换流变压器高压侧电流；I△2为Y-△侧换流变压器高压侧电流。

试验变压器高压侧电流为

试验变压器低压侧电流为

其中，试验变压器低压侧电流为25.6A，考虑电源容量的最大输出电流，最终选择三相调压器额定容量为50kV·A，输入电压为380V，输出最大电流为67A。

2.2 试验负载电阻的计算

根据换流阀及换流变压器的参数，计算试验所需电源容量和直流负载电阻值。现场Yy11 换流变压器，额定容量为415MV·A，额定电压比为530/(+24, -6)×1.25%/166.3/kV；Yy11 换流变压器，额定容量为415MV·A，额定电压比为530/(+24, -6)×1.25%/166.3/kV。

选用电阻性负载时计算如下：

式中：Ud为换流器直流侧电压；U2为换流变压器阀侧相电压；α为控制触发延迟角。

在控制触发延迟角为60°时，直流侧电压为

则触发延迟角为60°时负载电阻为

由于晶闸管最小导通电流为2A，此时电阻功率为P=I2Rd，实际工程中选用规格为500Ω/2kW 的电阻。

当控制触发延迟角大于60°时，直流侧电压为

在控制触发延迟角为90°时，直流侧电压为

则触发延迟角为90°时的负载电阻为

由于晶闸管最小导通电流为2A，此时电阻功率为P=I2Rd，选用规格为125Ω/0.5kW 的电阻。经计算，核相试验换流阀不同控制触发延迟角下，试验电阻及功率选型规格见表1。

表1 试验电阻及功率选型

2.3 试验仪器设备选型

1）三相调压器、试验变压器选择

依据式（14）得到试验变压器低压侧电流为25.6A，因此选择三相调压器额定容量为50kV·A，输出电压在0～430V，最大输出电流为67A；三相调压器1 输出电压应为102V；试验变压器选择额定容量为200kV·A，额定电压比10kV/380V。

2）试验电缆

交流场选择三种试验电缆：①电压等级为450V，截面积为10mm2；②电压等级为450V，截面积为2.5mm2；③电压等级为6kV，截面积为2.5mm2。

试验过程中所用设备仪器见表2。

表2 试验设备选型

3 试验步骤

特高压直流输电工程核相试验需在现场仪器和设备安装完毕后进行，换流阀安装及接线工作完成，所有晶闸管均检查测试完成，换流变压器安装及检查试验已经完成，控制保护系统分系统调试已经完成，控制保护厂家完成试验程序和保护出口临时设置，换流站辅助电源系统调试完成，换流阀应已具备充电条件。

1）按试验方案连接试验回路构成12 脉动整流桥，将电阻负载接入直流侧，完成接线检查。

2）施加试验电压至换流变压器。

3）检查试验电源和PT 端子箱的电压相序及相位差是否正确，并做记录。

4）未触发脉冲时，检查交流母线电压相序与阀电压相序是否一致。

5）检查送入控制装置的同步信号是否正确；若无异常，按控制触发延迟角从 90°开始试验，选择控制触发延迟角依次为90°、75°、60°，45°、30°、15°，触发延迟角每改变15°记录换流阀交、直流电压波形。

6）检查直流电阻电压波形是否为十二脉动波形，分析晶闸管导通时间和触发延迟角，若换流阀不能维持稳定通流，可适当升高试验电压直到通流稳定。

7）试验完成，断开试验电源，恢复现场接线。

4 试验波形

为了验证本文所提±800kV 特高压直流输电换流阀核相试验理论分析的正确性，进行±800kV 特高压换流站极Ⅱ低压端试验。

图4～图9 所示为极Ⅱ端低压加压核相试验波形，其中CH1显示的是abc 三相同步电压与单阀两端电压波形，在自然换相点由于施加触发脉冲晶闸管导通，其电压波形瞬间跌落时刻为该阀导通，控制触发延迟角按照在工频50Hz 下自然换相点距离晶闸管导通触发时间计算。触发延迟角为15°的时候自然换相点距离晶闸管触发时间为0.83ms，如图9 所示；触发延迟角为60°的时候自然换相点距离晶闸管触发时间为3.3ms，如图6 所示。CH2为ua、uc电压波形正半周相交且ua大于uc处为自然换相点。CH3为试验交流电压整流输出的直流电压波形，一个工频周期内有12 个脉动数，显示波头均匀、完整。