第32卷第7期2011年7月电力建设
Electric Power Construction
Vol.32，No.7
Jul ，2011·11·
音圈电机模组
中图分类号：TM 712
文献标志码：A
文章编号：1000-
7229（2011）07-0011-05基金资助项目：国家电网公司科技项目（PG71－10－001）。
杨晓楠，汤广福，彭玲，蓝元良
（中国电力科学研究院，北京市，
100192）Review of Thyristor Valve Design for
ʃ660kV HVDC Transmission Project
YANG Xiaonan ，TANG Guangfu ，PENG Ling ，LAN Yuanliang
（China Electric Power Research Institute ，Beijing 100192，China ）
ABSTRACT ：
The Ningdong-Shandong
ʃ660kV HVDC
transmission project is the first worldwide DC power transmission project in ʃ660kV voltage grade ，where the single 12-pulse converter bridge is used resulting in the highest single valve volage and the largest number of series-connected thyristors．Based on the H400valve developed by China Electric Power Research Institute （CEPRI ）together with AREVA company of France ，the valves applied in the project are optimized by introducing valve section capacitor and equipping with new shielding case verified through type test．Furthermore ，the electrical design achievements of the thyristor valve in the project is reviewed．
KEYWORDS ：high voltage direct current （HVDC ）；thyristor valve ；electrical design ；type test
摘要：宁东—山东ʃ660kV 直流输电工程是世界上第1个采用ʃ660kV 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优化， 加装了阀组件均压电容，进行了全新的屏蔽罩设计并通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
0引言
高压直流输电在远距离大容量输电、异步联网等
领域获得广泛的应用［1-2］
，世界上已建、在建和规划的高压直流项目电压序列主要包括ʃ125、ʃ500、ʃ600、ʃ660、ʃ800和ʃ1000kV ［3-6］，其中宁东—山东直流输电工程采用的ʃ660kV 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
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。ʃ500kV 直流系统经济输电距离在1000km 以下，
ʃ800kV 直流系统经济输电距离为1400km 以上。宁东—山东直流输电工程输电距离1335km ，若采用ʃ500kV 等级，则损耗较大，经济性偏差；采用ʃ800kV 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ʃ660kV 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，
建立起新的ʃ660kV 标准等级［5］
。
宁东直流工程采用ʃ660kV 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
接电压过高，
相比采用ʃ500kV 电压拓扑时单阀跨接电压250kV ，以及ʃ800kV 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
利完成换流阀成套电气设计、
成套结构设计、关键零部件设计、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。
·12·电力建设第32卷
1换流阀设计概述
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
到了应用。H400换流阀在海外也有工程应用，如沙
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Rio Madeiraʃ600kV/3
150MW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。
根据本工程的系统拓扑和参数设计［7-8］，每个
换流站建设2个阀厅，换流阀采用二重阀塔设计，每
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。
2换流阀设计依据
两端换流阀的设计基于文献［7］和文献［8］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1换流阀设计满足的环境条件
Tab.1Environmental conditions satisfied by
thyristor valve design
项目设计条件
阀厅环境条件全封闭户内，微正压5 10Pa；海拔银川东换流站1235m，青岛换流站小于1000m；最高温度60ħ，最低温度5ħ；长期运行温度范围10 50ħ；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。
户外环境条件银川东换流站：极端最高气温41.4ħ；极端最
低气温－28.0ħ；年平均相对湿度57%；夏季
空调室外湿球温度26.0ħ。
青岛换流站：极端最高气温39.7ħ；极端最低
气温－19.2ħ；年平均相对湿度71%；夏季空
调室外湿球温度26.0ħ。
3换流阀电气设计
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
V
DSM
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
n
min
=
SIPL·k
im
·k
d
V
DSM
式中：SIPL为跨阀操作冲击保护水平，银川东换流站
取667kV，青岛换流站取642kV；k
im
为操作冲击电压
下的安全系数，本工程取1.1；k
低频声波吹灰器d
为操作冲击电压下
单阀电压不均匀分布系数，H400换流阀取1.05；V
DSM
为7.2kV（本工程采用5英寸、7.2kV晶闸管）。
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。
根据文献［7］和文献［8］，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
家庭自制黄豆芽机
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。
3．2阻尼均压参数设计
3．2．1阀组件
H400换流阀采用模块化设计，阀模块是一个独
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
线及水管相互连接组成。电气上，1个阀组件由最多
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：R
d1
C
d1
和R
d2
C
d2
是2个并联阻尼均压回路，其中
第7期杨晓楠等：ʃ660kV 直流输电工程换流阀电气设计综述
·
13·
R d2C d2为主阻尼回路，R d1C d1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；R dc 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
。
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［9］
，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
表2
RC 回路参数设计
Tab.2
Parameter design of RC circuit
项目参数值
带通滤波器阻尼电阻
52.5Ω≤R d1≤56.1Ω，额定值55Ω137.5Ω≤R d2≤146.9Ω，额定值144Ω阻尼电容
C d1=C d11+C d12=1.0μF ，C d11=C d12=0.5μF C d2=0.5μF
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R dc =94k Ω，由2个47k Ω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d i /d t ；
（2）在晶闸管关断过程中限制d i /d t ，降低晶闸管关断时的反向恢复电荷，
从而抑制反向过冲峰值；（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分过电压，
使晶闸管免受电压破坏。H400换流阀有2种不同的电抗器设计方法，一种是精确控制铁心中的涡流损耗，
另一种是采用低损耗铁心和1个单独的二次绕组。为了保证电抗器的电气特性并保护铁心迭片结构，
2种设计均采用液体冷却方式。
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
不同阶跃电压下的不饱和电感值Tab.3
Unsaturated inductance of valve reactor under
different voltage levels
电压值/kV
不饱和电感值/μH 50（100%ʃ20%）ˑ460
2060010
800
3．3
电极箔
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d v /d t 很高，杂散电容分布分
散性的作用进一步增强，
这种动态电压的不均匀分布会更加明显。
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·电力建设第32卷
和局部放电。
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的均压效果，并优化电容参数，对陡波前冲击电压作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ʃ800kV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（Ukrainian Research，Design and Technological Transformer Institute，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），并采用了比本工程多重阀操作冲击试验更严酷的试验条件［10-11］。
试验遵照标准IEC60060－1ʒ1989执行，这种新型屏蔽罩设计顺利通过了试验考核，试验表明屏蔽罩结构设计合理，表面光洁平整、无毛刺和凸出部分，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。3．4换流阀运行方式设计
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ʃ330kV/ 3030A，换流阀晶闸管结温不超过76ħ，满足设计要求（晶闸管结温低于90ħ）。
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。本工程冷却系统设计的暂态响应时间远小于2min，因此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，本工程换流阀晶闸管结温不超过81ħ，满足设计要求（晶闸管结温低于125ħ）。
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度，50ħ阀厅温度，不投入备用冷却设备）为4.523 kA，在此电流下换流阀晶闸管结温不超过87ħ，满足设计要求（晶闸管结温低于125ħ）。
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。相比连续运行方式下触发角无限制，大角度运行方式下以额定电流3 030A运行的触发角限值约为60ʎ。
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：ʃ660kV直流输电工程换流阀电气设计综述·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，要海藻生姜洗发水
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
（U
di0min
=342.49kV），计算换流变阀侧最小持续电
压为
U
V0min =π
槡
32
U
di0min
=253.6kV（有效值）
可见，系统可提供的阀侧最小持续电压高于要求值，H400换流阀在故障情况下取能不会受到影响。
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ʃ660kV电压等级的直流输电工程，宁东—山东直流工程单阀跨接电压高达330kV，因此需要串接的晶闸管数量多，单阀设计难度大。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
［1］浙江大学发电教研组．直流输电［M］．北京：水利电力出版社，
1982：16-17．
［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．
［3］袁清云．特高压直流输电技术现状及在我国的应用前景［J］．电网技术，2005，29（14）：1-3．
［4］舒印彪．中国直流输电的现状及展望［J］．高电压技术，2004，30（11）：1-2．
［5］刘振亚，舒印彪，张文亮，等．直流输电系统电压等级序列研究［J］．中国电机工程学报，2008，28（10）：1-8．
［6］张文亮，周孝信，郭剑波，等．ʃ1000kV特高压直流在我国电网应用的可行性研究［J］．中国电机工程学报，2007，27（28）：1-7．
［7］国家电网公司．西北（宁东）—华北（山东）ʃ660千伏直流输电工程换流阀（银川东换流站）技术协议［R］．北京：国家电网公司，2009．
［8］国家电网公司．西北（宁东）—华北（山东）ʃ660千伏直流输电工程换流阀（青岛换流站）技术协议［R］．北京：国家电网公司，2009．
［9］高冲，温家良，于坤山．反向恢复电荷分散性对直流换流阀的影响［J］．中国电机工程学报，2008，28（28）：1-5．
［10］乌克兰国家实验室．800kV直流换流阀屏蔽罩结构型式试验报告［R］．扎波罗热：乌克兰国家实验室，2009．
［11］中国电力科学研究院．宁东—山东ʃ660kV直流输电工程银川东站换流阀型式试验规范［S］．北京：中国电力科学研究
院，2009．
收稿日期：2010-12-10修回日期：2011-01-12
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，主要研究方向为高压直流输电换流阀电气分析和设计、换流阀控制保护系统设计和工程应用、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流输电换流阀电气分析和设计、换流阀控制保护系统设计和工程应用、无功补偿和串联补偿系统设计。
（责任编辑：何鹏）
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议