660kV直流输电工程换流阀电气设计综述

第32卷第7期2011年7月中图分类号：TM712

文献标志码：A

电力建设

ElectricPowerConstruction

7229（2011）07-0011-05文章编号：1000-

Vol.32，No.7

Jul，2011·11·

±660kV直流输电工程换流阀电气设计综述

杨晓楠，汤广福，彭玲，蓝元良

（中国电力科学研究院，100192）北京市，

ReviewofThyristorValveDesignfor

±660kVHVDCTransmissionProject

YANGXiaonan，TANGGuangfu，PENGLing，LANYuanliang

（ChinaElectricPowerResearchInstitute，Beijing100192，China）

ABSTRACT：

TheNingdong-Shandong

±660kVHVDC

transmissionprojectisthefirstworldwideDCpowertransmissionprojectin±660kVvoltagegrade，wherethesingle12-pulseconverterbridgeisusedresultinginthehighestsinglevalvevolageandthelargestnumberofseries-connectedthyristors．BasedontheH400valvedevelopedbyChinaElectricPowerResearchInstitute（CEPRI）togetherwithAREVAcompanyofFrance，thevalvesappliedintheprojectareoptimizedbyintroducingvalvesectioncapacitorandequippingwithnewshieldingcaseverifiedthroughtypetest．Furthermore，theelectricaldesignachievementsofthethyristorvalveintheprojectisreviewed．

KEYWORDS：highvoltagedirectcurrent（HVDC）；thyristorvalve；electricaldesign；typetest

摘要：宁东—山东±660kV直流输电工程是世界上第1个采用±660kV电压等级的直流工程，该工程采用单12脉动换流阀结构，单阀跨接电压最高，单阀串联晶闸管级数最多。以中国电力科学研究院与法国阿海珐（AREVA）公司联合推出的H400换流阀为基础，针对工程电压等级高的特点进行了设计加装了阀组件均压电容，进行了全新的屏蔽罩设计并通优化，

过型式试验进行了验证。对该工程换流阀电气设计的成果进行了综述。

关键词：高压直流输电（HVDC）；晶闸管换流阀；电气设计；型式试验

doi：10.3969/j．issn.1000-7229.2011.07.003

术，至今已建立了稳定的电压序列，形成了完整的直流

输电理论和实践体系。±500kV直流系统经济输电距±800kV直流系统经济输电距离离在1000km以下，

为1400km以上。宁东—山东直流输电工程输电距离1335km，若采用±500kV等级，则损耗较大，经济性偏差；采用±800kV等级则工程投资较高。根据多方因素的优化比选，国家电网公司最终确定宁东—山东直流输电工程采用±660kV直流系统、单12脉动换流阀和单相双绕组换流变压器，并将此工程作为示范工程，尽快形成标准化设计，推动规划中宁东送华东、四川送湖南等近10个直流输电项目利用本工程的应用成果，

［5］

建立起新的±660kV标准等级。

宁东直流工程采用±660kV电压拓扑虽然具

有接线布置简单、可靠性高、节省投资、占地少等优点，但采用单12脉动换流阀结构造成6脉动阀组跨

相比采用±500kV电压拓扑时单阀跨接电压过高，

接电压250kV，以及±800kV电压拓扑双12脉动

换流阀结构时单阀跨接电压200kV，宁东直流工程单阀跨接电压水平达330kV，对换流阀设计、试验和制造提出了极高的要求。

换流阀是直流输电系统的核心设备之一，它的设计性能直接影响整个系统的优劣和可靠运行。中国电力科学研究院（以下简称中国电科院）于2009年2月承接工程两端换流站换流阀供货任务后，在法国阿海珐（AREVA）公司的技术支持下，顺

成套结构设计、关键利完成换流阀成套电气设计、

零部件设计、水路设计以及光纤布线设计。工程单

极系统已于2010年11月28日正式投入商业运行，双极系统计划于2011年2月底投入运行。

本文以中国电科院和AREVA公司合作设计的H400型换流阀为基础，阐述换流阀设计所遵循的设计依据，并综述换流阀电气设计成果。

0引言

高压直流输电在远距离大容量输电、异步联网等

［1-2］

领域获得广泛的应用，世界上已建、在建和规划的±500、±600、高压直流项目电压序列主要包括±125、±660、±800和±1000kV［3-6］，其中宁东—山东直流输电工程采用的±660kV等级在世界范围内尚属首例。

我国在20世纪80年代末开始发展直流输电技

基金资助项目：国家电网公司科技项目（PG71－10－001）。

·12·电力建设

第32卷

1换流阀设计概述3换流阀电气设计

中国电科院与AREVA公司合作在国内推出了H400型换流阀，并已在中俄联网背靠背黑河换流站、西北—华中联网灵宝扩建背靠背工程、宁东—山东直流输电工程和三沪II回直流输电工程中得如沙到了应用。H400换流阀在海外也有工程应用，

特的海湾国家联网工程（GCCIA）、英法海峡联网改造工程（IFA2000）和巴西RioMadeira±600kV/3150MW直流输电工程等。H400换流阀采用模块化设计，通过多个阀模块串联连接适应不同电压等级的需求，换流阀结构紧凑，具有以下设计特点：

（1）采用国际通用的悬吊式、空气绝缘、水冷却、柔性防震设计；

（2）采用紧凑可靠的双阻尼回路设计和标准的串联/并联冷却阀组件设计；

（3）换流阀设计考虑了阻燃防火要求；

（4）换流阀控制系统高度智能，采用双冗余设计。

［7-8］，根据本工程的系统拓扑和参数设计每个换流阀采用二重阀塔设计，每换流站建设2个阀厅，

个阀厅包括6个悬吊式二重阀塔。

二重阀是将2个单阀串联连接，结构上形成1个阀塔。每个阀塔由阀塔顶部结构（悬吊支承系统）、顶屏蔽罩、阀层、层间阀塔材料和底屏蔽罩构成，每个阀塔还会配置1个阀避雷器串。

换流阀电气设计主要包括换流阀晶闸管串联级

数的确定、阻尼均压参数设计、换流阀均压措施和换流阀运行方式设计。

3．1单阀晶闸管串联级数的确定

本工程单阀跨接电压330kV，为满足耐压要求，单阀需要多个晶闸管级串联，确定单阀晶闸管串联级数是换流阀电气设计最基础的一个环节。不同的换流阀设计方法有不同的确定晶闸管串联级数的计算公式。H400换流阀根据晶闸管断态非重复峰值电压VDSM和阀避雷器操作冲击保护水平确定单阀最小晶闸管串联级数为

nmin=

SIPL·kim·kd

VDSM

式中：SIPL为跨阀操作冲击保护水平，银川东换流站

青岛换流站取642kV；kim为操作冲击电压取667kV，

下的安全系数，本工程取1.1；kd为操作冲击电压下

H400换流阀取1.05；VDSM单阀电压不均匀分布系数，

7.2kV晶闸管）。为7.2kV（本工程采用5英寸、

采用上述计算方法可保证阀避雷器在换流阀

运行中为主保护设备，根据计算，银川东换流站最小串联级数为107，青岛换流站为103。

7］8］，根据文献［和文献［在最小串联晶闸管级数基础上，单阀应增加一些晶闸管级作为2次计划检

修之间12个月运行周期内损坏元件的备用，也称为冗余晶闸管级；冗余晶闸管级数不小于12个月运行周期内损坏晶闸管级数期望值的2.5倍，也不少于单阀晶闸管级总数的3%。根据上述要求，银川东换流站和青岛换流站均增加4个晶闸管级作为冗余，因此设计的银川东换流站单阀晶闸管级数为111，青岛换流站为107。3．23．2．1

阻尼均压参数设计

阀组件

H400换流阀采用模块化设计，阀模块是一个独

2换流阀设计依据

7］8］两端换流阀的设计基于文献［和文献［的要

求，以及历次阀厅设计、冷却系统设计、控制保护系统（含阀基电子系统）设计联络会提出的要求。换流阀设计需满足的环境条件见表1。

表1Tab.1

项目

换流阀设计满足的环境条件thyristorvalvedesign

设计条件

微正压5～10Pa；海拔银川东换流全封闭户内，

站1235m，青岛换流站小于1000m；最高温度60℃，最低温度5℃；长期运行温度范围10～50℃；相对湿度5%～60%；地面水平加速度：银川东0.2g，青岛0.1g；地面垂直加速度：水平加速度的65%；阀厅通风空调过滤等级F9。银川东换流站：极端最高气温41.4℃；极端最低气温－28.0℃；年平均相对湿度57%；夏季空调室外湿球温度26.0℃。

青岛换流站：极端最高气温39.7℃；极端最低气温－19.2℃；年平均相对湿度71%；夏季空调室外湿球温度26.0℃。

Environmentalconditionssatisfiedby

立的阀单元，电气上可以作为一个完整单阀来使用，只是在耐受电压上作为整个阀塔的一部分。阀模块又可分为2个阀组件。

阀组件由GRP支撑件、晶闸管压装结构（TCA）、饱和电抗器、阻尼电阻、阻尼电容、门极单元、母排/导

1个阀组件由最多线及水管相互连接组成。电气上，

6个晶闸管级与1台饱和电抗器构成，根据需要还可能在串联晶闸管级和饱和电抗器两端并联阀组件电

容。晶闸管级和阀组件的电气原理见图1和图2。图中：Rd1Cd1和Rd2Cd2是2个并联阻尼均压回路，其中

阀厅环境条件

户外环境条件

第7期杨晓楠等：±660kV直流输电工程换流阀电气设计综述

表2

Tab.2

项目阻尼电阻

·13·

Rd2Cd2为主阻尼回路，Rd1Cd1为高频分量提供阻尼，可以满足不同频率动态电压的均压要求；Rdc为直流均压电阻，除了可以为门极单元提供晶闸管电压采样信号外，还可以使换流阀承受的低频电压分量在每个晶闸管两端均匀分布

。

RC回路参数设计

ParameterdesignofRCcircuit

参数值

52.5Ω≤Rd1≤56.1Ω，额定值55Ω137.5Ω≤Rd2≤146.9Ω，额定值144ΩCd1=Cd11+Cd12=1.0μF，Cd11=Cd12=0.5μFCd2=0.5μF

阻尼电容

晶闸管一致，而电流不超过门极单元测量回路的承受范围。本工程设计的直流均压电阻值Rdc=94kΩ，由2个47kΩ的电阻串联组成。

3．2．4饱和电抗器

在换流阀元部件设计中，饱和电抗器的设计非常重要，饱和电抗器作用包括：

（1）限制晶闸管刚开通时的di/dt；

（2）在晶闸管关断过程中限制di/dt，降低晶闸管从而抑制反向过冲峰值；关断时的反向恢复电荷，

（3）饱和电抗器设计有足够的阻尼防止电流过零产生振荡涌流而损害晶闸管；

（4）饱和电抗器能在冲击过电压作用下承担部使晶闸管免受电压破坏。分过电压，

H400换流阀有2种不同的电抗器设计方法，一另一种是采用低损种是精确控制铁心中的涡流损耗，

耗铁心和1个单独的二次绕组。为了保证电抗器的2种设计均采用液体电气特性并保护铁心迭片结构，

冷却方式。

换流阀阻尼均压回路包括每个晶闸管级中的2个RC回路和直流均压电阻，以及与晶闸管级串联的饱和电抗器。换流阀电压分布不均匀主要由2方面原因引起，除了阀内各晶闸管之间断态漏电流和反向恢复电荷分散性外，还由均压元件（电阻、电容）的公差引起，因此阻尼均压参数设计应确定参数变化范围，使换流阀电压不均匀分布系数满足设计预期。3．2．2RC阻尼回路

RC回路主要由电容器进行动态均压，其电容值选取原则如下：

（1）电容器必须能够耐受包括换相过冲在内的换流阀连续电压峰值；

（2）电容器应充分满足对换相过冲的吸收作用；

（3）电容器电容值的选取应使得换流阀阻尼损耗最小。

本工程设计的RC回路参数见表2。3．2．3直流均压电阻

选择直流均压电阻的原则是其电压耐受能力与

3．3

［9］

本工程采用第1种设计方案，饱和电抗器在不同的阶跃电压值下反映出不同的不饱和电感值，见表3。

表3

Tab.3

不同阶跃电压下的不饱和电感值differentvoltagelevels

电压值/kV

502010

不饱和电感值/μH（100%±20%）×460

600800

Unsaturatedinductanceofvalvereactorunder

换流阀均压措施

本工程单阀跨接电压高，单阀串联晶闸管级数

多，阀塔尺寸较大，使得由杂散电容分布分散性造成的阀组件上动态电压分布不均匀度加大。在陡波前冲击电压作用下，由于dv/dt很高，杂散电容分布分

这种动态电压的不均匀分布散性的作用进一步增强，

会更加明显。

同时，由于本工程电压等级很高，在阀塔内部某些电气连接处的电荷分布不均匀，容易产生电磁辐射

·14·和局部放电。

电力建3．4

设

换流阀运行方式设计

第32卷

为了改善阀塔电压分布，增设均压措施、优化均压方案成为换流阀电气设计重要的任务之一。3．3．1

阀组件电容设计

为了改善阀塔悬吊系统电压分布，考虑在本工程阀组件两端加装阀组件电容。为了考核阀组件电容并优化电容参数，对陡波前冲击电压作的均压效果，

用下承受最高电压的悬吊绝缘子所耐受的电压应力与预测的平均电压应力之比与加装阀组件电容的电

容值之间的关系进行了PSCAD仿真。

仿真结果表明，如果不加装阀组件电容，电压应力比值非常高（接近2），不满足业主对电压均匀分布的要求；阀组件电容值取6nF时，对电压分布的改善效果最明显，可认为电压基本均匀分布，此时杂散电容分散性对电压分布的影响可忽略不计，但此时换流阀成本将大幅增加。

为了兼顾换流阀的经济性和技术性，优化电容值，最终决定在阀组件两端加装均压电容，电容值为3nF，此时在陡波前冲击电压作用下电压不均匀分布系数为1.14，能满足工程需求。3．3．2屏蔽罩设计

为了有效地降低阀塔在运行时发生闪络的概率，确保阀塔对地呈现均匀的电场分布，为每个二重阀塔加装顶屏蔽罩和底屏蔽罩，这种屏蔽罩是专门为±800kV特高压直流工程开发的，屏蔽罩的边缘和棱角按圆弧设计，从外形上改为一体化形式（不同于西北—华中联网背靠背灵宝扩建工程采用的屏蔽罩形式）。

同时，为了验证和优化屏蔽罩的电磁屏蔽效果，确保这种新型的屏蔽罩结构能够在本工程实际应用中发挥作用，委托乌克兰国家实验室（UkrainianResearch，DesignandTechnologicalTransformerInstitute，VIT）对新型屏蔽罩设计进行操作冲击放电试验（相对雷电和陡波前冲击波形，操作冲击波形最能反映屏蔽结构的均压效果），并采用了比本工

［10-11］

。程多重阀操作冲击试验更严酷的试验条件

试验遵照标准IEC60060－1∶1989执行，这种

新型屏蔽罩设计顺利通过了试验考核，试验表明屏表面光洁平整、无毛刺和凸出蔽罩结构设计合理，部分，在给定电压等级和地电位面距离下能有效降低电磁噪声和静电放电危险。

除了加装新型顶、底屏蔽罩外，对阀模块屏蔽罩进行了优化，采用管状屏蔽罩代替了部分传统的板状屏蔽罩，既美观大方，又以圆弧化设计有效地解决了阀模块框架尖端存在的潜在放电问题。

换流阀运行方式包括额定运行、过负荷运行、

大角度运行、短路电流运行和交流系统故障运行。换流阀额定运行时，电压电流参数为±330kV/3030A，换流阀晶闸管结温不超过76℃，满足设计要求（晶闸管结温低于90℃）。

换流阀过负荷运行分为连续过负荷和暂时过负荷2种运行方式，其中连续过负荷运行又分为最大连续直流电流运行和2h过负荷电流运行。本工

因此程冷却系统设计的暂态响应时间远小于2min，对于任何达到或超过2min的过负荷均可视为连续

过负荷。经过计算得到连续过负荷运行时，本工程满足设计要求（晶换流阀晶闸管结温不超过81℃，闸管结温低于125℃）。

对于暂时过负荷，通过仿真计算得到的3s过负荷电流（1.4pu额定输送功率，最大室外设备环境温50℃阀厅温度，不投入备用冷却设备）为4.523度，kA，在此电流下换流阀晶闸管结温不超过87℃，满足设计要求（晶闸管结温低于125℃）。

换流阀运行在大角度方式下，晶闸管和阻尼电阻元件的热损耗急剧增加，需要设计具有足够冷却容量的冷却系统将发热元件的温度控制在限值内。晶闸管热应力、换流阀关断时电压耐受能力限制以及阻尼电阻损耗构成了设计限值，进而决定了换流阀以大角度运行方式运行时直流电流限值与触发角之间存在一定的函数关系。相比连续运行方式大角度运行方式下以额定电流3下触发角无限制，

030A运行的触发角限值约为60°。

换流阀短路运行分为单周波和三周波短路电流运行。本工程换流阀单周波和三周波短路电流峰值均为36kA。短路电流运行时，随着晶闸管结温上升，晶闸管电压阻断能力降低，换流阀设计须确保最恶劣晶闸管级两端的电压仍小于晶闸管的电压耐受能力。经过PSCAD仿真分析，单周波运行方式下，换流阀最大正向恢复电压峰值约为5kV，此时换流阀阻断电压高于6kV；三周波运行方式下，换流阀最大反向恢复电压峰值不到5kV，此时换流阀阻断电压约为6.5kV。由此可见，换流阀短路电流耐受能力完全满足设计要求。

换流阀在交流系统故障下的运行能力包括阀侧绕组电压降至最低和交流系统以低电压运行时换流阀门极单元维持正常工作的能力。

H400换流阀每个晶闸管级门极单元是在晶闸管断态期间通过其两端的电压取得能量的。当容性转移电流流入与晶闸管并联的一路RC回路时，对门极

第7期杨晓楠等：±660kV直流输电工程换流阀电气设计综述

1982：16-17．

·15·

单元的电源充电。

H400换流阀门极单元需要每个晶闸管级最小电压1.5kV（有效值）才能维持连续触发。银川东换流站单阀串联晶闸管级数111，按均压系数1.05考虑，要求换流变阀侧最小持续电压为174.83kV（有效值）。根据银川东换流站系统最小空载直流电压（Udi0min=342.49kV），计算换流变阀侧最小持续电压为

UV0min=

π

di0min=253.6kV（有效值）3［2］赵畹君．高压直流输电工程技术［M］．北京：中国电力出版社，

2004：10-16．

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［7］国家电网公司．西北（宁东）—华北（山东）±660千伏直流输电

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［8］国家电网公司．西北（宁东）—华北（山东）±660千伏直流输电

工程换流阀（青岛换流站）技术协议［R］．北京：国家电网公2009．司，

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东站换流阀型式试验规范［S］．北京：中国电力科学研究2009．院，

收稿日期：2010-12-10作者简介：

杨晓楠（1974），女，硕士，工程师，主要研究方向为高压直流输电换流阀电气分析和设计，以及换流阀试验方案研究；

汤广福（1966），男，博士，教授级高级工程师，主要研究方向为换流阀控制保护系统设计和高压直流输电换流阀电气分析和设计、工程应用、无功补偿和串联补偿系统设计；

彭玲（1982），女，硕士，工程师，主要研究方向为高压直流输电换流阀电气分析和设计，以及换流阀试验方案研究；

蓝元良（1970），男，博士，高级工程师，主要研究方向为高压直换流阀控制保护系统设计和工程应流输电换流阀电气分析和设计、用、无功补偿和串联补偿系统设计。

修回日期：2011-01-12

可见，系统可提供的阀侧最小持续电压高于要

H400换流阀在故障情况下取能不会受到求值，

影响。

H400换流阀每个门极单元均设有电容值很大的储能电容，可以保证阀端失去电压2s内仍对换流阀进行完全控制；当故障持续时间短于2s时不需要恢复时间，对本工程而言，这段时间长于交流系统单相对地故障和电压降至正常电压30%的故障时间0.7s，也长于三相对地故障的持续时间0.7s。

4结语

作为世界上第1个采用±660kV电压等级的

宁东—山东直流工程单阀跨接电压直流输电工程，

因此需要串接的晶闸管数量多，单阀高达330kV，

设计难度大。针对本工程电压等级高的特点，换流阀采用了全新的顶部和底部屏蔽罩设计，并对阀组件结构进行改进，加装阀组件电容。同时，对换流阀阻尼均压回路进行了详细计算和专门设计，谨慎选用饱和电抗器设计方案。全新设计的换流阀通过了型式试验考核，试验结果表明换流阀设计合理，性能良好，能够满足工程应用。

5参考文献

（责任编辑：何鹏）

［1］浙江大学发电教研组．直流输电［M］．北京：水利电力出版社，