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1、直流输电工程晶闸管换流阀,北京网联直流工程技术有限公司 2009年08月,高压直流输电用（HVDC）晶闸管换流阀是当代世界上先进的输变电技术重要组成部分。直流输电以其特有的优点，在我国的交流输电和电力系统中起着十分重要的补充和完善的作用，具有广泛的发展前景。 换流阀是直流输电的核心设备，它是集高电压、电力电子、自动控制、微电子、光电技术等为一体的高新技术产品，其主要作用有远距离大功率高压直流输电和跨大区电网互联，其价值约占其成套直流设备总价的22%左右。,高压直流输电系统的基本工作原理是通过整流站将送端系统的交流电转变为直流电，再由逆变站将直流电转换为交流电送入受端系统。在此过程中实现换流(交
2、流变直流整流，或直流变交流逆变)功能的装置称之为换流装置。 在高压直流输电系统中，换流装置的基本功能单元通常为三相桥式换流器。而三相桥式换流器的每个桥臂，在直流输电系统中称之为直流换流阀。,从20 世纪50 年代开始运行的第一个瑞典哥特兰岛一瑞典本土的直流工程到目前投运的高岭背靠背直流联网工程，直流换流阀的制造技术随着大功率半导体器件的制造技术的发展而发展，它经历了从汞弧换流阀，到门极可关断晶闸管换流阀( GTO 阀) ，再到绝缘栅双极晶体管换流阀(IGBT 阀)的发展过程。,从1970年开始，在瑞典的哥特兰岛扩建工程中首次采用晶闸管换流阀，额定电流200A，额定电压50kV。到目前为止，晶闸
3、管换流阀的额定电流最高达4500A，额定电压最高达800kV。 根据触发方式不同，晶闸管阀又可分为电触发晶闸管换流阀和光触发晶闸管换流阀。 晶闸管阀有空气绝缘和油绝缘两种，空气绝缘占主导地位。空气绝缘阀有风冷、循环油冷和水冷等冷却方式，其中以水冷的效果最好。,国内已投运直流工程晶闸管换流阀：,包括特高压直流工程在内的目前国内直流工程使用的晶闸管换流阀，都是采用空气绝缘和水冷，其中贵广直流工程和德宝工程以及背靠背工程换流站的部分换流阀将采用光触发晶闸管，其它工程均采用电触发晶闸管。,由于晶闸管目前仍是耐压水平最高、输出容量最大的电力电子器件，在大容量、高电压应用领域，在国内外已经投运的近90项直
4、流输电工程中，绝大多数采用晶闸管直流换流阀。特别是近些年在我国取得重大发展的800kV 级特高压直流输电技术采用了基于6inch晶闸管的直流换流阀技术。,800kV特高压直流输电工程中的晶闸管换流阀采用了近十几年来大功率高压直流输电工程中先进的设计和制造技术以及严格的质量保证体系，具有结构紧凑、可靠性高、损耗低的特点，并配备有完善的防火系统。 这种换流阀经过了严格的型式试验的检验，试验结果表明，换流阀的各项性能指标均达到或高于IEC60700的标准和合同要求，为今后直流系统的安全运行提供了可靠保证。,二、晶闸管,为了实现电流形态的转换，换流阀必须采用非线性器件，其电阻阻值会随着电流的方向不同而
5、发生很大的变化。对于直流换流阀，其电流的方向只能通过一个方向，称之为正方向，这时换流阀的正向导通电阻很小;而在反方向，电流根本不能导通，其反向电阻可以认为是无穷大。,晶闸管是由PNPN四层半导体构成的，它中间形成三个PN结。由最外层的P和N分别引出两个电极，成为阳极和阴极，由中间的P引出控制极。 晶闸管是一个可以控制的单方向导通的半导体元件。它的反向伏安特性与一般的二极管相似，在反向电流急剧增大时所对应的电压称为击穿电压。当不加控制电压时，其正向特性与反向相似；在正向电压达到某一转折电压后，元件突然导通，导通后的正向特性与二极管的正向特性相似。,晶闸管的导通有两个基本条件，一个是施加正向电压，
6、另一个就是触发。只有在正向电压下进行触发，晶闸管才能安全导通。 晶闸管正向能够通过多大电流，归根结蒂由管芯的允许温度(环温加上P结温)决定的。导致管芯温度升高的因素有环境温度、元件的各种损耗，以及冷却系统能力。,元件的损耗包括：正向导通损耗、泄漏损耗、开关损耗等。 环境温度一般情况下比设备温度底，有利于散热。 冷却系统可以带走损耗产生的热量，降低元件温度 换流阀的通流能力就是上述三个因素综合作用的结果,晶闸管通常与控制、辅助设备及阳极电抗器(又称di/dt 电抗器，为饱和电抗器)及阻尼回路元件等组装在一起，如下图所示：,在施加触发信号晶闸管开始导通的初期，只在硅片上靠近控制极的很小区域里导通，
7、然后才扩展到整个硅片导通。所以，如果在晶闸管开始导通是就通过很大电流，这个电流将集中在控制极附近很小的区域中，很容易引起局部过热，损坏晶闸管元件。阳极电抗器能有效限制晶闸管开通初期电流的上升速度，避免晶闸管局部过热造成的损坏。,如果在晶闸管两端突然施加一个正向电压，即使这个电压未超过转折电压，也会使晶闸管导通。为了限制电压的上升速度，一般在晶闸管的两端并联一个电容与电阻的串联回路，阻尼晶闸管关断时的高频振荡造成的误导通。 晶闸管在从导通状态变成截止状态需要一定的时间，为了加速晶闸管的关断，通常在晶闸管两端施加一个反向电压。但如果反向电压的时间过短，晶闸管可能再次导通，造成阀的换相失败。,近十年
8、来晶闸管技术发展迅猛，通过改进技术和工艺，晶闸管具备了极高的抗冲击电压和冲击电流能力。目前高压直流输电中使用的晶闸管的最大管径为150mm（6英寸），最高阻断电压为8.5kV。 特高压直流输电工程采用了6英寸的晶闸管，额定电流4500A，短路电流46-50kA，最大的非重复正向电压VDSM的承受能力为8kV，最大的反向非重复电压承受能力为8.5kV。这种规格的晶闸管在直流工程中第一次采用。,三、换流阀结构,晶闸管换流阀是由晶闸管元件及其相应的电子电路、阻尼回路以及阳极饱和电抗器、均压元件等组成的换流阀组件，又由若干换流阀组件组成换流桥的一个桥臂。换流阀的额定电压等级取决于单个晶闸管元件的电压以
9、及元件串联的个数，其电流取决于晶闸管的通流能力。,早期的直流输电工程多采用6 脉动换流器作为基本换流单元。由于6脉动换流器会在交直流侧产生较多的低次谐波，因此在现代高压直流工程中均采用12 脉动换流器作为其基本单元。因此可以认为三相6 脉动换流器由6个桥臂组成;直流输电常用的12 脉动换流器则由12 个桥臂组成。,典型传统HVDC换流器单线原理图,换流阀结构示意图,晶闸管及晶闸管级,晶闸管级由晶闸管元件及其所需的触发、保护及监控电子电路、阻尼回路组成。晶闸管级是换流阀的最基本的功能单元。 每一个晶闸管级包括一个RC均压阻尼回路。该回路和阀的电抗器合理匹配可以实现： 限制换向关断过冲； 确保从工
10、频至瞬态陡前波电压时晶闸管级的电压均匀分布。,阀组件,阀组件是由晶闸管和紧靠它们的辅助设备及阳极电抗器(又称di/dt 电抗器，为饱和电抗器)机械组装在一起的结构单元。,单阀,单阀(或阀臂)。由若干阀组件串联组成的单元，它构成了6脉动换流器的一个桥臂，故又称为阀臂,多重阀（双重阀）,双重阀是将2个单阀串联连接，结构上做成一个阀塔。500kV高压直流输电工程每个换流站共需要12个这样的双重阀，每个双重阀塔如左图所示 。,二重阀接线示意图,四重阀接线示意图,贵州广东二回直流输电工程换流阀外形图,四、换流阀的电气特点,换流阀最主要的特性是仅能在一个方向导通电流，这个方向定为正向。电流仅在周期的1/3
11、 期间内流过一个换流阀。 不导通的换流阀应能耐受正向及反向阻断电压，换流阀电压最大值由避雷器保护水平确定。 当换流阀上的电压为正时，得到一个控制脉冲换流阀就会从闭锁状态转向导通状态，一直到流过换流阀的电流减小到零为止，换流阀始终处于导通状态，不能自动关断。一旦流过换流阀的电流到零，阀即关断。 换流阀要有一定的过电流能力，通过健全换流阀的最大过电流发生在阀两端间的直接短路，而过电流的幅值主要由系统短路容量和换流变压器短路阻抗所决定。,换流阀应能承受各种不同的过电压，换流阀的耐压设计应考虑保护裕度。当考虑到电压的不均匀分布、过电压保护水平的分散性以及其他换流阀内非线性因素对阀应力的影响时，保护裕度
12、必须足够大。 避雷器是换流阀的正方向和反方向的主要保护，每一个单阀都由一个无间隙的ZnO避雷器保护。 对于操作冲击过电压，阀的耐受水平高于避雷器保护水平10% 对于雷电冲击过电压，阀的耐受水平高于避雷器保护水平10% 对于陡波头冲击过电压，阀的耐受水平高于避雷器保护水平15%。,通常，换流阀的过电压耐受能力是由每个晶闸管的耐压水平通过多个元件串联叠加来实现的，故在一定的元件耐压水平参数下，换流阀的耐压能力由晶闸管的串联元件数所决定。 阀臂中每个阀组件与一个饱和电抗器串联，而该电抗器将承担陡波冲击的大部分过电压和雷电冲击的部分过电压，而且平波电抗器还将限制从线路侵人的雷电波，上述两种过电压对阀臂
13、串联元件数并不是主要的控制因素。,操作冲击是决定串联元件数的主要因素。由于多个元件串联和各元件对端部的杂散电容及元件特性的不均匀性，尽管有均压回路，但仍会存在电压分布不均匀，操作冲击波的电压分布不均匀系数，目前制造水平可达到1. 05 - 1. 10 ，这是决定阀臂最小串联元件数时应予以考虑的因素。,换流阀的另外一个重要的过电压保护措施就是每个晶闸管元件配备的保护触发功能( BOD) ，保护水平的整定要求当晶闸管元件两端出现正向过电压时，该保护立即动作，对晶闸管实施有效的保护；而对于交流侧故障产生的过电压保护触发不动作，以利于直流系统的快速恢复，提高系统的安全性。 从绝缘配合要求看，阀臂正向非
14、重复阻断电压应高于避雷器保护水平和最小正向保护触发电压( BOD) ，阀臂的反向非重复阻断电压应高于避雷器保护水平并满足最小绝缘配合裕度要求。,晶闸管换流阀应能耐受在负荷额定运行工况、连续过负荷及短时过负荷工况下的直流电流，而且还应具有一定的暂态过电流能力。 其中连续过负荷、短时过负荷等稳态工况下晶闸管换流阀的通流能力要求决定了冷却系统容量选择。而，各种暂态故障电流将决定晶闸管元件的最高允许结温 目前国际上的制造水平是:导致永久性损坏的极限结温为300 - 400 ，承受最严重故障电流后的最高结温为190 -250 。,五、换流阀的控制保护系统,换流阀的触发系统指控制系统发出指令至晶闸管控制极
15、接受指令之间的全部环节。换流阀触发系统向换流器发出一定的波形和相位，并满足其他要求的门极触发脉冲，对换流阀的触发开通时刻(相位)进行控制，以实现直流输电系统的电流、电压及功率的控制。,为了保证安全导通，晶闸管换流阀的触发系统必须满足的要求有: 控制系统发出的触发指令必须传递到不同高电位下的每个晶闸管级; 在晶闸管所处的电位下，需有足够的能量来产生触发脉冲; 所有晶闸管必须同时接收到触发脉冲。,触发脉冲的具体参数视晶闸管制造商的不同而略有差别。目前，换流阀的触发方式主要有光电转换触发和光直接触发两种。 光电转换触发把由换流阀控系统来的触发信号转换为光信号，通过光缆传送到每个晶闸管级，在门极控制单
16、元把光信号再转换成电信号，经放大后触发晶闸管元件。 光触发工作原理是在晶闸管元件门极区周围，有一个小光敏感区，当一定波长的光被光敏感区吸收后，在硅片的耗尽层内吸收光能而产生电子一空穴对，形成注入电流使晶闸管元件触发,换流阀运行还需要相关的外围设备触发与在线监控装置 整个系统包括阀基电子设备(VBE) 、晶闸管电子设备( TE 板)、阀控(VC) 和站控( SC) 设备以及一些连接光缆,六、换流阀的冷却系统,冷却水系统是晶闸管换流阀的一个重要组成部分，要确保在运行中带走换流阀产生的热量，使晶闸管的结温，以及电抗器、电阻等元件的温度在允许范围以内 特高压直流换流阀通常采用空气绝缘水冷却方式。通常冷却水系统又可以分为内冷水系统和外冷水系统。,内冷水系统 换流阀的内冷却水系统又称为一次循环水。在换流阀第一次投运前，必须向换流阀的内冷却回路注入一定数量的冷却水，冷却水管将阀内所有元件的散热器连接起来。较低温度的冷却水经循环水泵加压后，进入冷却水管，流入换流阀内全部散热器，吸收晶闸管元件及其辅助元件产生的热量，水温将升高。一
