锦屏—苏南±800kV特高压直流工程晶闸管换流阀

换流阀是特高压直流输电工程中主要关键设备,其设计的可靠性直接影响直流系统的安全可靠运行。文中介绍了锦屏—苏南±800 kV特高压直流工程晶闸管换流阀主要技术参数。主要从电压应力、电流应力、水冷系统、晶闸管参数4个方面和先前投运的向家坝—上海±800 kV特高压直流工程晶闸管换流阀进行了对比分析。验证了锦屏—苏南特高压直流工程晶闸管换流阀整体性能比向家坝—上海±800 kV直流工程有所提升,可以长期安全可靠运行;同时也为后续±800 kV特高压直流工程换流阀的设计和制造奠定了良好的基础。     

±1100kV特高压直流输电工程换流阀研发产品运行试验

随着向家坝—上海、云南—广东等多项±800 kV特高压直流输电工程的顺利建成,中国在特高压直流输电线路的建设和工程运行过程中积累了丰富的经验。为了满足中国国民经济的飞速发展对电力能源的需求,建设更大输送容量的直流工程将成为下一步直流输电工程建设发展的必然趋势,而系统电压等级的提高又对换流阀产品性能提出了更高要求。用于±1 100 kV特高压直流输电工程的换流阀产品,其单级晶闸管元件运行试验最高触发电压和恢复电压分别达到5.5 kV和3.3 kV,试验电流和短路故障电流分别为5 332 A和50 kA。为保证系统运行安全,换流阀产品在投运之前,必须通过型式试验对其性能进行验证。西安高压电器研究院有限责任公司利用换流阀运行试验合成回路,模拟±1 100 kV特高压直流输电工程用换流阀在实际运行中的各种工况,完成了试品阀的运行型式试验,并对得到的试验数据进行了分析,为±1 100 kV特高压换流阀产品的设计、制造及工程运行和试验标准的制定提供了参考依据。     

±1 100 kV特高压直流输电换流阀研制及型式试验

为了研发更高电压等级、更高容量的直流输电线路及相关设备,中电普瑞电力工程有限公司完成了±1100kV特高压直流换流阀的研制。介绍了电气回路、触发与监控系统、换流阀冷却系统、阀塔结构设计,并给出了试验电路拓扑。所研制样机通过了型式试验验证。试验结果表明,该±1100kV／5000A特高压直流换流阀样机可满足工程应用,并具备一定的升级空间。     

±800 kV特高压直流输电用6英寸大功率晶闸管换流阀

现如今,中国有多条±800 kV特高压直流输电项目正在建设或正在规划之中。较高的输电电压及其较高的稳态、瞬态过压而产生的晶闸管换流阀绝缘设计难点已在云南—广东±800 kV/5 000 MW直流输电工程中得到了研究和解决,但是在向家坝—上海特高压直流输电±800 kV/6 400 MW工程中,必须采用更大功率的晶闸管,才能满足额定电流4 000 A的要求。为了满足实际工程需要,基于硅片的新一代6英寸大功率晶闸管应运而生,同时,为了满足更高直流电流的要求,在晶闸管换流阀设计中,应用了相关新的设计技术。笔者介绍了向家坝—上海特高压直流输电工程中复龙站晶闸管换流阀设计,包括阀的结构、电气设计、机械设计、阀内部电器件选择等,另外,对6英寸晶闸管的特点作了介绍。复龙站换流阀型式试验已分别在德国西门子、中国西安高压电器研究院有限责任公司完成,试验结果表明,基于6英寸晶闸管的向家坝—上海±800 kV特高压直流输电工程复龙站换流阀设计可靠,可保证向家坝—上海输电工程复龙站换流阀的长期、可靠运行。     

±1 100 kV特高压直流输电换流阀运行试验研究

随着电网电压等级和传输容量的提高,特高压直流输电工程的电压等级也随之提高, 研发更高电压等级、更高容量直流输电线路及相关设备的需求也更加迫切。为此,国网智能电网研究院完成了±1100 kV特高压直流换流阀的研制。对±1 100 kV特高压直流换流阀运行试验项目和实际试验参数进行全面介绍,阐述了换流阀合成试验方法,并展示了试验波形。试验结果表明,该±1 100 kV/5 000 A特高压直流换流阀样机顺利通过试验考核,设计合理。     

向家坝-上海特高压直流示范工程复龙换流站换流阀成功通过全部型式试验

2009年9月26日,向家坝-上海±800kV特高压直流输电示范工程复龙换流站800kV、7000MW级6英寸晶闸管换流阀顺利通过全部型式试验项目考核。这一结果为特高压直流工程换流阀的研发工作以及6英寸晶闸管器件的研制工作划上了一个圆满的句号!在此之前,由许继集团生产的特高压直流示范工程奉贤换流站换流阀已于今年5月份成功通过型式试验。     

±1100kV/5000A特高压直流输电换流阀非周期触发试验仿真研究与试验验证

换流阀是直流输电工程中的核心设备,除电气设计及结构设计均比较复杂外,电器元件的选择也是核心工作,随着大功率电力电子器件的飞速发展,其技术的先进性和运行的可靠性也得到了大幅度提升,6英寸晶闸管现已在特高压直流输电换流阀上得到了普遍使用。换流阀在挂网运行之前需要对其进行绝缘型式试验,绝缘型式试验是对换流阀的绝缘性能进行全面的考核,文中将对±1 100 kV直流输电换流阀绝缘型式试验中的非周期触发试验进行研究,非周期触发试验是对换流阀考核最为严格和全面的一项试验,旨在考核换流阀在操作冲击电压下通过冲击电流的能力,同时也考核了VCM对换流阀晶闸管器件开通和关断的控制及保护能力。笔者利用PSCAD仿真软件对±1 100 kV换流阀的非周期触发试验进行了仿真分析,分析结果可知,给单阀施加规定的操作冲击电压574.4 kV时,单阀通过冲击电流的能力约为6 045 A,并得到试验验证。     

特高压直流输电用6英寸晶闸管恢复特性的优化

为了进一步优化特高压直流(UHVDC)输电工程用晶闸管器件的设计,提升UHVDC换流阀的运行性能,基于6英寸8.5 kV T型门极晶闸管开发出Y型门极晶闸管;采用先进3D器件仿真与试验相结合,优化门极及阴极短路结构来实现器件通态压降、存储电荷、关断时间之间的协调配合,获得优化的动态参数组;在保障器件阻断电压满足高压直流(HVDC)应用要求的基础上,减小了器件通态压降,降低了反向恢复储存电荷,缩短了关断时间,大大提高了器件性能.所研制的新型6英寸晶闸管已在多个试验室检测验证,并且在昌吉-古泉±1100 kV UHVDC工程获得实际应用.     

新一代±800 kV/8 GW特高压直流工程换流阀晶闸管设计优化

新一代标准化±800 kV/8 GW特高压直流工程对换流阀晶闸管性能及可靠性提出更高要求。通过分析新一代标准化特高压换流阀设备的性能提升需求,明确了晶闸管产品的性能参数优化目标;在以往工程晶闸管研制的基础上,研究了进一步提升电流性能、降低通态压降、提高动态参数一致性及安全裕度的优化设计与工艺改进方法,完成了2种国产技术路线的新一代标准化±800 kV/8 GW特高压直流工程用8.5 kV/5 500 A晶闸管产品设计,并通过专项试验对比分析不同技术路线晶闸管产品的性能特点。研究及试验结果表明,经优化设计后,2种国产晶闸管产品的通态压降与通流特性均得到提高,动态参数一致性更优,安全裕度进一步提升,2种国产晶闸管产品均能够满足新一代特高压工程要求。     

世界首个800kV、700万kW级6英寸晶闸管换流阀通过全部型式试验

2009年5月27日,向家坝—上海±800kV特高压直流示范工程奉贤换流站800kV、700万kW级6英寸晶闸管换流阀顺利通过全部型式试验,各项参数指标均达到或超过了合同技术要求。     

UHVDC换流阀及其晶闸管元件试验程序的优化

±800 kVUHVDC 换流阀与常规±500 kV 及以下等级的换流阀比较, 在质量及可靠性方面提出了更高的要求。有必要对换流阀及其晶闸管元件的型式试验内容、程序及方法进行有针对性的分析。文齐介绍了±800 kV 特高压直流工程换流阀及所采用的6 英寸晶闸管元件的特性, 对常规直流工程中换流阀的型式试验工程经验进行了总结。针对特高压直流工程换流阀的特点, 提出试验程序的优化及关键控制点, 为UHVDC换流阀提供质量保证依据。     

特高压直流换流阀非周期触发暂态特性分析

±800 kV/4 750 A特高压直流(ultra high voltage direct current,UHVDC)换流阀通过了型式试验。饱和电抗器是换流阀中晶闸管的串联保护元件,深入研究其电气特性对于提高换流阀的可靠性有重要意义。分析了特高压换流阀在非周期触发工况下,晶闸管开通物理过程及电气应力;分析了饱和电抗器各电气参数、铁芯电感和铁芯等值电阻动态过程对开通应力的影响。研究了饱和电抗器与晶闸管协调配合工作的原则,提出了饱和电抗器电气参数设计方法。仿真结果显示,饱和电抗器在非周期开通过程中起到了很好的保护作用,浪涌电流峰值及电流变化率均在晶闸管耐受范围内。     

±1100kV特高压换流阀直流耐压试验方法研究

为满足±1 100kV特高压直流换流阀绝缘型式试验实施,针对±1 100kV特高压换流阀直流耐压试验实施方法进行了研究,通过理论分析,仿真计算以及利用ANSYS有限元软件进行电场强度计算,依据现有试验条件,计算得出电场强度最大值为22kV/cm,低于空气击穿场强30kV/cm。若不考虑气候条件的影响,现有试验室空间、试验方法设计及设备满足±1 100kV特高压换流阀直流耐压试验的要求。完成了满足IEC标准特高压换流阀直流耐压试验要求的试验原理及试验方法研究,为±1 100kV特高压换流阀直流耐压试验的实施提供了理论依据。     

6250A/±800kV特高压直流换流阀设计

当前我国在运的直流输电工程额定电流最高5 000A,额定功率最高8 000MW。更大容量的2个6 250A直流输电工程已经开工建设。换流阀是高压直流输电的核心设备,介绍了即将应用于某直流工程的6 250A/±800kV特高压换流阀的主要技术参数、电气设计方案、结构设计方案以及阀控系统设计方案等,并重点介绍针对电流提升的优化设计。优化后的6 250A/±800kV换流阀性能优良、可靠性高,满足工程应用要求。     

±1100 kV/12 GW特高压换流阀关键技术研究

随着特高压(UHV)直流输电技术的不断成熟和完善,输送容量又达到了新高度,总结了±1 100 kV/12 GW UHV换流阀设计所采用的关键技术,此处仅从换流阀关断特性研究、结温控制技术研究和型式试验展开分析,首先结合晶闸管特性和试验数据,提出了换流阀不同运行工况下反向恢复电荷修正函数;在此基础上根据换流阀内部拓扑结构,提出了晶闸管结温计算方法,建立了换流阀应力分析模型。所设计制造的±1 100 kV/12GW晶闸管换流阀,根据IEC 60700-1标准通过了全套型式试验,并应用于世界上第一条电压等级最高、输送容量最大的“昌吉-古泉±1 100 kV/12 GW UHV直流工程”,为后续UHV换流阀精益化设计奠定了良好基础。     

国内

世界首套±1100kV特高压直流输电晶闸管换流阀通过鉴定：2012-07-07。受国家能源局委托,中国机械工业联合会组织专家在西安对中国西电集团公司自主研制的世界首套“KGWF-5000A／±1100kV特高压直流输电晶闸管换流阀”进行了产品技术鉴定。     

我国首个800kV换流阀完成试验

2009年5月27日,由国内外共同研制的用于向家坝-上海±800kV特高压直流示范工程奉贤换流站800kV、7000MW级直流工程的6英寸晶闸管换流阀顺利通过全部型式试验。各项参数指标均达到或超过了合同技术要求,代表了世界直流输电技术的最高水平。     

HVDC换流阀非周期触发试验方法

高压直流输电(HVDC)换流阀单阀非周期触发试验是换流阀绝缘型式试验中的难点。按照IEC 60700-1标准要求,通过对实际应力的分析及试验电路拓扑的设计,给出了满足工频补能型换流阀要求并可兼容换流阀抗电磁干扰试验的试验电路。在上述研究的基础上,顺利完成了宁东-山东直流输电工程±660kV HVDC换流阀的非周期试验,复现了工程中的非周期触发电压、电流应力。试验电压峰值达685kV,电流峰值为8.1kA,最大电流变化率达到1.4kA/μs,均满足实际工程中非周期触发试验应力的要求,并考验了换流阀的电流和电压耐受能力。试验结果表明宁东工程换流阀能够耐受规定的非周期触发应力。该试验电路设计合理,准确反映了晶闸管导通后前10μs的电压、电流应力,并实现了各强应力源μs级的时序配合。     

±800kV/6250A特高压直流换流阀的研制

随着我国东部地区用电负荷进一步增大,迫切需要开发10000MW以上特高压直流输电技术。针对直流工程核心装备,系统地介绍了6250A/±800k V特高压直流换流阀的研究工作。通过结构参数、电子辐照能量等参量的调整,开发了具有超大通流能力的晶闸管,提出了晶闸管电气特性优化方法。分析了晶闸管关断过冲电压及关断损耗的影响因素,确定了阻尼电阻、阻尼电容值,关断过冲安全情况下使晶闸管关断损耗最优化。建立了饱和电抗器等效电路模型,对优质低损耗铁心的热特性开展了仿真分析,分析结果表明电流大幅提升并未明显提高饱和电抗器铁心损耗及热点温升。建立了流体-固体耦合模型,开展了电接头热特性分析,通过巧妙设计含水路的母排,在有限空间内解决了大电流下电接头发热的问题。最后对研制的6250A/±800k V特高压直流换流阀开展了型式试验,试验结果表明换流阀各项指标优良,完全满足工程应用要求。     

6英寸高压晶闸管的研制

基于5英寸换流阀晶闸管的设计和工艺技术平台,通过优化杂质扩散工艺、光刻版设计和台面造型保护工艺,保证了掺杂分布的均匀性、重复性和可控性,以及器件良好的阻断特性,确保器件获得较高的电流上升率、电压上升率,研制出了6英寸4000 A/8000 V高压晶闸管样品。并采用电子辐照技术得到进一步优化,对器件的通态压降与反向恢复电荷的折衷关系。