高压直流输电系统换流变压器与换流阀设计

1、高压直流输电系统换流变压器与换流阀设计规范1.1 换流变压器在高压直流输电系统中，换流变压器是最重要设备之一。在整流站，用它将交流系统和直流系统隔离，通整流装置将交流电能转换为高压直流电能，再利用直流输电线路传输；在逆变站， 通过逆变装置将直流电能再转换为交流电能，再通过换流变压器输送到受端交流系统；从而实现不同交流系统的联络。1.1.1 换流变压器功能与特点换流变压器功能有：1、降低交流侧谐波电流，特别是降低了5、 7 次谐波电流，这是由于绕组接法为YNyn0和YNd11 ，提供相位差为30的 12 脉波交流电压； 2、作为交、直流系统的电气隔离，可削弱侵入直流系统的交流侧过电压幅值； 3、

2、限制故障电流，换流变压器的阻抗限制了阀臂短路和直流母线上短路时的故障电流，使换流阀免遭损坏；4、通过换流变压器可实现直流电压较大幅度的分档调节。由于换流变压器的运行与换流器的换相所造成的非线性密切相关，所以换流变在漏抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压和试验等方面与普通电力变压器有不同的特点。(1)短路阻抗为了限制当阀臂及直流母线短路时的故障电流以免损坏换流阀的晶闸管元件，换流变压器应有足够大的短路阻抗。但短路阻抗也不能太大，否则会使运行中的无功损耗增加，需要相应增加无功补偿设备，并导致换相压降过大。大容量换流变压器的短路阻抗百分数通常为12%18% 。(2)绝缘换流变压器阀侧绕组同时承受交流电

3、压和直流电压。由两个 6 脉动换流器串联而形成的12 脉动换流器接线中，由接地端算起的第一个6 脉动换流器的换流变压器阀侧绕组直流电压垫高 0. 25U d(U d 为 12 脉动换流器的直流电压 )，第二个 6 脉动换流器的阀侧绕组垫高 0. 75Ud，因此换流变压器的阀侧绕组除承受正常交流电压产生的应力外，还要承受直流电压产生的应力。另外，直流全压起动以及极性反转，都会造成换流变压器的绝缘结构远比普通的交流变压器复杂。(3)谐波换流变压器在运行中有特征谐波电流和非特征谐波电流流过。变压器漏磁的谐波分量会使变压器的杂散损耗增大，有时还可能使某些金属部件和油箱产生局部过热现象。对于有较强漏磁通

4、过的部件要用非磁性材料或采用磁屏蔽措施。数值较大的谐波磁通所引起的磁致伸缩噪声，一般处于听觉较为灵敏的频带，必要时要采取更有效的隔声措施。(4)有载调压为了补偿换流变压器交流网侧电压的变化以及将触发角运行在适当的范围内以保证运行的安全性和经济性，要求有载调压分接开关的调压范围较大，特别是可能采用直流降压模式时，要求的调压范围往往高达20%30% 。(5)直流偏磁运行中由于交直流线路的藕合、换流阀触发角的不平衡、接地极电位的升高以及换流变压器交流网侧存在2 次谐波等原因将导致换流变压器阀侧及交流网侧绕组的电流中产生直流分量，使换流变压器产生直流偏磁现象，导致变压器损耗、温升及噪声都有所增加。但是

5、，直流偏磁电流相对较小，一般不会对换流变压器的安全造成影响。(6)试验换流变压器除了要进行与普通交流变压器一样的型式试验与例行试验之外，还要进行直流方面的试验，如直流电压试验、直流电压局部放电试验、直流电压极性反转试验等。1.1.2 换流变的型式换流变压器的型式可以分为四类(如图 3-1)：三相三绕组式、三相双绕组式、单相三绕组式、单相双绕组式。采用哪种换流变压器的结构型式，应该根据换流变压器的交直流侧系统电压的要求、变压器运输的条件、变压器的容量以及换流站的布置情况等因素全面的考虑来确定。图 3-1 (a) 三相三绕组； (b) 三相双绕组； (c) 单相三绕组；(d) 单相双绕组对于中等额

6、定容量和额定电压的换流站来说，应该充分优化运输方案，可优先考虑采用三相变压器，能够有效的减少材料使用量，减少变压器占地空间和损耗，其中最为明显的是空载损耗。特别的，如果是12 脉动的换流变压器的两个 6 脉动换流桥，可以采用两台三相变压器。对于容量较大的换流变压器，可以考虑采用单相变压器组，如果制造条件和运输条件允许的情况下，也可以采用单相三绕组式的换流变压器。和单相双绕组变压器相比较来看，单相三绕组的换流变压器所使用的套管、铁芯、油箱及有载开关较少，因此也更经济、可靠。然而单相三绕组换流变压器的运输质量约为单相双绕组换流变压器的1.6 倍，宽度也比较大，对于大容量换流变压器来说，运输难度增加

7、许多。将单相双绕组变压器和单相三绕组变压器在选型原则上进行对比（表3-1），其中换流变容量由式(3-19、 20、 21、22)确定。型式单相三绕组变压器单相双绕组变压器换流变压器容量 ( 单812/767406/384台， MV A)接线方式YNydYNy;YNd换流变压器总台数6+1(每站双极 )12+2( 每站双极 )运输质量 (t)约 400约 250运输尺寸 (长 宽 高，131.54.99.54.44.7m)运输难度难易制造难度难易投资比较100%140%表 3-1 换流变压器选型对比哈郑工程双极输送的功率为 8000 MW ，考虑到运输风险、制造难度以及国产化等因素，采用的是单相

8、双绕组换流变压器。1.1.3 换流变的结构哈郑工程两端的换流变压器均采用单相双绕组型式，整流站的铁芯结构采用单相两柱带旁轭式，逆变站的铁芯结构为单相四柱式结构，中间两个主柱上套绕组，外边两个旁柱作为磁通回路，不套绕组。两个主柱上的绕组在电气上并联连接。每极为两组12 脉动换流阀组的串联，分为高端和低端两个阀组。与高端的阀组相连接的六台换流变压器组成两个三相组，分别接成YNyn0 和 YNd11 两种接线，分别称为“ Y H ”和“ D H”组。与低端的阀组相连接的六台换流变压器也组成了两个三相组，分别称为“Y L ”和“ D L ”组。所以，一个极需要四个 6 脉动换流变压器，而一个6 脉动换

9、流变压器需要3 个单相双绕组变压器，即一个极需要12 个单相双绕组变压器，一个站就需要24 个单相双绕组变压器，加上备用的4台，一个站需要的变压器台数为28 台。换流变压器的电气连接如图3-2所示。图 3-2换流变与换流阀接线示意图1.1.3 脉动换流器主要参数计算(1)换流器直流电压降该工程采用6 英寸晶闸管换流阀，在主回路计算值需考虑换流阀的各种损耗及压降。依据换流阀特性及以往工程经验，两端换流站每个 6 脉动换流器的相对阻性压降dr 取为0.3%，换流阀的前向压降 U T 取 0.3kV 7 。(2)额定相对感性压降换流器相对感性压降dx，可根据文献 7 化简为d xN1 uk式(3-1

10、)2一般在设计阶段， 主回路计算中需考虑为PLC 滤波器预留空间。 由于 PLC 滤波电抗器的相对感性压降较小，通常可取为约 0.2%7 ，可得。dxN1 uk u PLC式(3-2)2根据 1.1.4(四 )给出的换流变短路阻抗值和式 (3-2) 可得整流站和逆变站的额定相对感性压降为dxNR dxNI1 u k u PLC1 0.2 0.002 0.10222(3)换流器消耗的无功换流器在运行过程中要消耗大量的无功，需要利用无功设备进行补偿。额定运行工况下，每个12 脉动换流器消耗的无功功率计算为7Q2IUdNdNdi0N(式 3-4)式中的因子定义为 1 2180sin 2- sin2(

11、)式(3-5)4cos- cos( )对于逆变器，需将式(3-5) 中的换成。每个换流站2极共有 4 个 12 脉动换流器，因此消耗的无功功率应为式(3-4)的 4 倍7。据此可得两端换流站平衡双极额定运行时消耗的无功功率，计算中用到了上文2.2(8)中确定的换相角 R和 I 和下文式 (3-8) 和式 (3-9) 确定的换流器额定直流空载电压U di0NR和 U di0NI ，得整流侧 1 2180sin 2- sin2 ()cos- cos( )41 225.368sin 215- sin2 (1525.368 )1804cos15- cos(1525.368 )0.4884QdNR4 2

12、IdNU di0NR420.48845 232.6565 4545.1774 Mvar逆变侧 1 2180sin 2- sin2 ()cos- cos( )41 224.21sin 217- sin2 (1724.21 )1804cos17- cos(1724 .21 )0.5061QdNI42IdNU di0NI420.50615 219.776 4449.1453M var1.1.4 换流变压器主要参数计算(1)额定空载直流电压换流变压器额定空载直流电压Udi0N 可由 6 脉动换流器电压计算公式转换得到:U dRI dU di 0 NRnU di 0Rcos - (d xRdrR ) I

13、 dNU di 0RU TU dII dU di 0 NInU di 0 Icos - ( dxIdrI ) I dNU di 0 IU T式(3-6)式(3-7)式中： U dR 和 UdI 分别为整流侧和逆变侧的双12 脉动换流器电压； n 为每站每极6 脉动换流器的个数，在该特高压直流工程中取4。在额定运行工况下，对上述二式进行变换整理，得U dNRU T8000.3U di 0NRn4232.6565kV（）（）cos - dxNRd rNRcos15 - 0.1020.003式 (3-8)U dNIU T747.18550.3N IU di 0NI）4219.7760kV（）cos

14、- dxNRdrNRcos17 - 0.1020.003式 (3-9)(2)换流变压器阀侧额定交流线电压换流变压器阀侧额定交流线电压与理想空载直流电压之间的关系为U di 0 N U di 0N式(3-10)U vN31.352式中 Udi0N 为在额定触发角 N 或关断角 N 、额定直流电压 U dN 及额定直流电流IdN 下，一个 6 脉动换流器的理想空载直流电压。对于整流侧：U di 0 NR 232.6565式 (3-11)U vNR3172.3381kV21.35对于逆变侧：U di 0 NI 219.7760式(3-12)U vNI3162.7970kV21.35换流变压器阀侧交流

15、线电流有效值为I v2 I d25 4.0824kA33换流变阀侧Y 绕组额定电流I vYNI vN4.0824kA换流变阀侧绕组额定电流I vN4.0824I vDN2.3570 kA33(3)换流变压器额定容量SN对于连接 6 脉动的三相换流变压器的额定容量为SN3U vN I vNU di 0N I dN3对于连接 12 脉动的单相三绕组换流变压器额定容量为SN3W3U vN I vN22U di 0 N I dN39对于连接 12 脉动的单相双绕组换流变压器额定容量为SN 3WSN 2W29U di 0 N I dN式(3-13)式(3-14)式(3-15)式(3-16)式(3-17)

16、式(3-18)哈郑工程中采用连接 12 脉动的单相双绕组换流变压器，对于整流侧和逆变侧的额定容量分别为：SN 2WR9U di 0 NR I dN9232.6565 5 406.0622MVA式(3-19)SN 2WI9U di 0 NI I dN9219.7760 5 383.5815MVA式(3-20)在 1.1.1 变压器选型中，需单相三绕组换流变容量，计算如下SN 3WR232.6565 5 812.1244MVA2U di 0NR I dN299式 (3-21)SN 2WI22U di 0NI I dN219.7760 5 767.1630MVA99式(3-22)(4)换流变压器短路

17、阻抗为了限制当阀臂及直流母线短路时的故障电流，以免损坏换流阀的晶闸管元件，换流变压器应有足够大的短路阻抗。但短路阻抗越大，换流变压器将消耗更多的无功，并导致换相压降过大。短路阻抗的选择应考虑的因素有：短路阻抗uk 确定了换流变压器的漏磁电感值以及晶闸管允许的短路浪涌电流IM 的值； 由于短路阻抗uk 越大，换流站内部的电压降就越大，因此这对于已确定的高压直流输电系统的额定输送功率，换流变压器及换流阀就需要有更大的标称容量；短路阻抗 uk 确定了换相角的大小，从而也影响逆变站超前触发角或关断角的大小；影响换流站无功功率的需求以及所需的无功补偿设备容量；短路阻抗uk 将影响谐波电流的幅值，一般来说

18、，短路阻抗增大会减小谐波电流的幅值。根据换流阀的浪涌水平选择。哈郑工程中整流站和逆变站晶闸管的浪涌电流均为52kA 。SNR 为换流变压器的三相容量，Ssc-max 为最大交流三相短路容量，U 为交流系统电压水平，整流侧 U530KV ，逆变侧 U515KV ，I sc 为交流系统最大短路电流为 19KA 。其中最小短路阻抗应该满足范围12% 22% 。整流侧SNR3U vNR I vN3172.3381 4.08241218.5896MVA式 (3-23)SSC max3UI sc3530 1917441.7516MVA式(3-24)2IukminIdNSNR2 51218 .5896SSC

19、 max5212.2441 %M17441.7516式 (3-25)逆变侧SNI3UVN I VN3162.79704.08241151.1252MVA式 (3-26)SSC max3UI sc3515 1916948.1171MVA式(3-27)uk min2IIdNSNR2 51151.1252SSC max5212.4387%M16948.1171式 (3-28)特高压直流输电工程设计两端换流站的换流变短路阻抗 uk 一般为 19%一 20%，由于计算得出的uk 偏小，故在主回路设计中采用20%计算。1.2 换流阀哈密南到郑州特高压直流输电工程， 采用了 A5000 型换流阀。 A500

20、0 型换流阀绝缘配合设计综合考虑了阀塔在运行过程中交流、直流和冲击电压下空气间隙和局部放电等要求，设计了合理的空气净距和爬电距离。同时还考虑了高海拔运行环境下绝缘材料表面的污秽累积对绝缘性能的影响。在哈郑工程中，每个完整单极由2 个 12 脉动换流单元串联组成，分别位于高压阀厅与低压阀厅。每个12 脉动换流单元的额定电压为 400kV ，其中低压 12 脉动桥连接 0 电位和 400kV 直流电位，高压 12 脉动桥连接 400kV 和 800kV 直流电位。每个 12 脉动换流单元都跨接直流旁通断路器，使得当某一换流单元故障时另一换流单元还可以继续运行。1.2.1 6 英寸晶闸管简介直流输电

21、工程换流过程中，晶闸管的阀片是组成晶闸管换流阀的关键元件，哈郑工程由于电压高，功率大，每一极换流阀采用双脉动桥串联，采用了电触发的6 英寸晶闸管，其额定电压为8500 V，额定电流为5000 A ，短路电流能力可达 52 KA ，在通流能力方面留有很大的裕度。高压直流输电对于晶闸管有两个特点，第一，换流阀是由数千只的晶闸管串联而成，为了保证一个换流阀臂上的器件能够同时开通或者同时关断，对于晶闸管的参数一致性要求很高；第二，对于器件的长期可靠性的要求很高，能够保证换流阀具备长期连续可靠运行的能力。6 英寸晶闸管在设计的过程中主要考虑它的电流特性、电压特性、可靠性以及动态特性4 个方面。通过选择台

22、面的双负角造型、并结合合适的硅单晶以及杂质的分布，来实现晶闸管的预期耐压设计。同时，要在单晶电阻率、 杂质分布、片厚以及芯片内少子寿命之间进行优化，使晶闸管的电压特性和电流容量满足特高压换流阀的应用要求。晶闸管设计的最终目的是使器件的各种动态参数和静态参数大道最佳的效果。其中，晶闸管动态的特性包含有开通特性和关断特性，具体表现在电压上升率du dt 、电流上升率 di dt 、开通时间、关断时间、门极特性以及反向恢复电荷等参数 8 。1.2.2 换流阀设计基本要求高压直流输电系统中，把实现换流所需的三相桥式换流器的一个桥臂， 称为换流阀。 换流阀是直流系统的核心装备，它由数量繁多的多种元器件组

23、成，结构较复杂，对于换流阀的电气优化设计，对于直流输电系统运行的可靠性和能量利用率的评估具有重要的意义。(1)系统对换流阀定值的要求连续运行额定值根据本工程的要求，换流器应应具有的连续运行额定值有:额定直流电压， 80okV; 额定直流电流， 5000A ；额定直流功率， 8000MW 。阀的冷却系统及其他辅助系统的设计须满足的连续运行额定值的要求。过负荷能力依照系统要求的换流阀的过负荷能力可以分为三种：暂时过负荷额定值，一般指的是数秒之内的过负荷的能力；短时过负荷额定值，一般指的是半小时到数小时之内可以连续运行的过负荷的能力；连续过负荷额定值，指的是可以长期连续运行的过负荷的能力。系统要求换

24、流阀的过负荷能力应该能够和高压直流输电系统的过负荷能力相匹配。前两种过负荷额定值是由相应电力系统故障后为减少经济损失以及为电力系统故障后的恢复提供必要的功率支持而提出来的，该定值的合理性应顾及相应设备费用的增加。后一种过负荷额定值是由直流输电系统以各种调制方式阻尼交流系统的振荡和提高系统运行稳定性的要求而提出的。上述过负荷额定值均应考虑过负荷前的运行状态，例如实际的负荷情况及冷却设备投运情况。由于本文主要讨论额定状态下的换流阀设计，这部分不涉及。(2)对运行触发角工作范围的要求从减少谐波分量，减少无功的消耗，降低运行的损耗等方面来考虑，换流阀的额定运行触发角应该是越小越好，然而，要是从保证足够

25、的调节裕度和换流阀安全可靠的换相的角度来看，应该是有最小的角度限制。换流阀的运行触发角的工作范围的优化选择应该考虑的因素有以下几种：要满足正常的启停和事故时的启停的要求；要满足交流母线的电压控制和无功调节的控制要求；要满足最小负荷、额定负荷和直流降压等各种运行方式的要求等等。根据经验， 整流器的触发角一般在 15 左右，最小为 5 ；逆变器的关断角一般为 15 18 左右，最小为 15 。根据直流输电工程的经验和目前晶闸管的制造水平以及触发控制系统的性能水平，本工程中整流器的额定触发角N 15 ，最小值为 5;逆变器的额定关断角取 N 17 ，最小值为 15。1.2.3 换流阀电气设计(1)晶

26、闸管设计晶闸管串联极数由阀避雷器的操作冲击保护水平决定，关系如下：SIPL kdk im式(3-29)nminVDSM式中： SIPL 为跨阀的操作冲击保护水平，SIPL=451kV ；V DSM 为晶闸管正向断态不重复峰值电压，规定断态重复峰值电压 VDRM 为断态不重复峰值电压 (即断态最大瞬时电压)V DSM 的 90%，VDSMVDRM8.5kV ； k im1.1 为操作冲击电压下0.9的安全系数；k d 1.05 为单阀的电压分布系数。在哈郑工程中，晶闸管串联极数最小值为SIPL kd k im451 1.1 1.05式(3-30)nmin61.28 61VDSM8.5依据工程经验， 晶闸管换流阀的冗余度不宜小于1.03( 即n 1.03nmin 1.03 61 63.83 )，且每阀臂冗余元件数不应少于3 个，故每个换流阀中的晶闸管一共为64 个。(2)饱和电抗器为增加换流阀设计的通用性，A5000 换流阀的每个阀组件都串联 2 个 EET-3 型饱