第二章 宁东山东±660kV直流输电工程换流阀技术特点研究
1 ±660千伏直流换流阀关键零部件技术研究
由于HVDC换流阀包含一定数量的串联晶闸管，为了方便，可以在电气和机械上都将一个阀看作是由若干个阀组件组成的。阀组件通常由5/6个晶闸管级和一个饱和电抗器串联，电抗器可以在阀开通时保护阀不承受过高的di/dt。阀组件内的晶闸管都固定在高效的液体冷却散热器之间，组成一个“压装结构”，通过GRP（玻璃增强塑料）绷带的紧固，使晶闸管和散热器之间产生很大的压紧力，保证了元件间良好的电气和热接触。绷带具有足够的绝缘强度，能承受阀关断期间的电压应力。压装结构允许在不断开任何电气和水路连接的情况下方便地更换晶闸管。图2-1所示为具有6个晶闸管级的压装结构。 图2-1 晶闸管压装结构
1.2 阻尼及均压电路
阀作为一个整体，它的电压耐受能力总是小于每个串联晶闸管的电压耐受能力之和。这是
由串联晶闸管之间的断态漏电流和关断时存储电荷的差异引起的。因此，当一个阀中有两个或者更多晶闸管串联的时候，必须考虑阀内的电压分布问题。
每个晶闸管级有两个并联的百变神龙RC电路用于正常运行工况下的均压。电路中元件的电感和布线需经过精心考虑，以保证在阀承受频率很高的陡波头冲击电压时阻尼电路都能连续提供有效的均压。主RC阻尼电路也用于控制晶闸管开通和关断期间的暂态电压电流应力，此外它们还为每个晶闸管级的门极单元提供电源。
阻尼均压电路中还包括一个直流均压电阻，可以在阀承受单一的直流电压时提供均压作用，也用于门极单元对晶闸管电压的测量。
1.2.1 阻尼电阻
阻尼电阻是由几个无感厚膜电阻组成的，安装在每个晶闸管级中一个单独的散热器上（如图4-1所示）。均压电路两个支路的电阻都安装在散热器上。为了使电阻底座承受的绝缘应力最小，散热器与其中一条电阻支路的电气中点连接。
图4-1 阻尼电阻和散热器组件
1.2.2 阻尼电容
阻尼电容采用自愈式金属化聚丙烯材料、干式无油结构，将故障引发火灾的风险降到最低。每个电容都安装在一个独立的金属圆筒中，此设计使体积最小。电容固定在一个独立 的支架上，支架与阻尼电阻相邻。每个晶闸管级的支架安装两个阻尼电容。图5-1为一个完整阀组件的6个阻尼电容支架的紧凑布置。
图5-1 拿来主义课堂实录一个完整阀组件的阻尼电容
1.3 饱和电抗器
饱和电抗器是阀组件的一部分，用于限制晶闸管开通过程初始阶段的di/dt（见图6-1）。在晶闸管开通的最初几个微秒中，电抗器在小电流下表现出很大的不饱和电感，限制了晶闸管电流的上升率。晶闸管安全开通后，电抗器为完全饱和状态，电感值很小。电抗器还提
供了足够的阻尼来保护晶闸管，避免振荡涌流过零。
图6-1 饱和电抗器
1.4 晶闸管门极电路
每个晶闸管级都配备了门极电路以提供晶闸管的触发、监视和保护功能。门极电路根据运行要求提供正常触发信号，并在过电压、高dv/dt和提前恢复时进行保护性触发。每个晶闸管级的状态都被监视并传送到地电位的VBE柜中，同时VBE也向门极电路发送启动和停止信号。地电位和门极单元之间的通讯通过光纤实现。每个晶闸管级有两根光纤，一根“触发
”线用于传送启动和停止脉冲，一根“差分滤波器回报”线将晶闸管级的状态信息（晶闸管正常、失效以及正常但依赖独立触发回路）反馈给VBE。
在晶闸管断态期间，每个晶闸管级门极电路的电源来自于本地晶闸管电压。并联在晶闸管两端的两路RC阻尼回路中的一路会流过容性位移电流对门极电路充电。在阀两端无电压的情况下，充电回路中有一个足够大的储能电容仍能保持阀正常工作两秒。自动数据回报系统监视的状态包括但不限于晶闸管状态（正常或短路）以及VBO保护是否重复触发。
收到VBE发出的启动脉冲后，每个晶闸管级的门极电路会发出一个触发脉冲。晶闸管两端出现正向电压时，门极电路会将选通脉冲联锁。如果晶闸管在一个启动和停止脉冲之间不导通（例如在断续电流运行工况下），门极电路会监测到正向电压并发出补充脉冲。这种短脉冲触发系统与“济南丝足按需脉冲”逻辑相结合，便可产生有效宽度为120°、耗能最少的导通脉冲。
2 ±660千伏直流换流阀设计技术研究
直流输电换流阀设计包含了成套电气设计、机械结构设计、监控保护设计、零部件设计、
水路设计及光纤布线设计等。为实现换流阀在各种运行条件下的高性能和高可靠性，H400换流阀满足以下设计要求：
1）阀塔结构采用国际通用的悬吊式、柔性防震结构设计；
2）空气绝缘、二重阀（或四重阀）阀塔结构设计；
中国农业生态学报3）标准的晶闸管组件、电抗器组件设计；
4）去离子水或纯水/乙二醇混合液的串联/并联冷却系统设计；
5）结构布局简单合理，充分考虑了换流阀防火阻燃特性要求；
检验医学与临床
6）换流阀和阀基电子设备之间采用高压光纤实现高低压电隔离，提高抗干扰能力；
7）换流阀控制及监控柜采用双冗余设计，提高了可靠性。
H400换流阀的设计不但能够完全满足上述要求，而且在整体设计上遵循“贴近用户、紧跟未来”的设计理念，具有独特的技术优势，达到了更高可靠性和更强的性能：
1）可采用更高电压参数晶闸管元件，明显降低晶闸管串联级数，大幅提高换流阀运行可靠性；
2）更加紧凑和可靠的多阻尼电路设计，最大程度提高了换流阀的整体可靠性；
3）在饱和电抗器（又称阀电抗器、阳极电抗器、di/dt电抗器）设计方面采用了多种先进设计技术和制造工艺，实现了在各种运行工况下（各种冲击电压下，晶闸管组件上动态电压保护，晶闸管组件开通时，开通振荡电流的有效抑制等）更好地保护晶闸管组件，有效降低换流阀噪声，提高饱和电抗器及换流阀整体运行可靠性等目的；
4）在动态电压分布特性方面进行了深入的研究，采取多种技术措施，如加装组件电容等，实现动态电压的均匀分布；
5）智能化的门极电路设计，完备的屏蔽及抗干扰设计大幅提高了门极电路的性能及可靠性；
2.1 换流阀的电气设计
本工程采用传统的线路换相换流阀，换流阀设计使用5英寸电触发晶闸管，额定电流3030A、额定电压7.2kV，芯片直径125mm。单个晶闸管元件可以独立承担系统额定电流、过负荷电流及各种暂态冲击电流，不需要并联使用。
晶闸管级的串联数要参考阀避雷器的保护水平确定，在最大设计结温条件下，并考虑所有冗裕晶闸管级数都损坏的极端情况，单阀和多重阀的绝缘应具有以下安全系数：
1）对于操作冲击电压，超过避雷器保护水平的10%；
2）对于雷电冲击电压，超过避雷器保护水平的10%；
