高壓直流輸電用（HVDC）晶閘管換流閥是當代世界上先進的輸變電技術重要組成部分。直流輸電以其特有的優點，在我國的交流輸電和電力系統中起著十分重要的補充和完善的作用，具有廣泛的發展前景。換流閥是直流輸電的核心設備，它是集高電壓、電力電子、自動控制、微電子、光電技術等為一體的高新技術產品，其主要作用有遠距離大功率高壓直流輸電和跨大區電網互聯，其價值約占其成套直流設備總價的22%左右。第1頁/共119頁第一頁，共120頁。高壓直流輸電系統的基本工作原理是通過整流站將送端系統的交流電轉變為直流電，再由逆變站將直流電轉換為交流電送入受端系統。在此過程中實現換流(交流變直流—整流，或直流變交流—逆變)功能的裝置稱之為換流裝置。在高壓直流輸電系統中，換流裝置的基本功能單元通常為三相橋式換流器。而三相橋式換流器的每個橋臂，在直流輸電系統中稱之為直流換流閥。第2頁/共119頁第二頁，共120頁。從20世紀50年代開始運行的第一個瑞典哥特蘭島一→瑞典本土的直流工程到目前投運的高嶺背靠背直流聯網工程，直流換流閥的制造技術隨著大功率半導體器件的制造技術的發展而發展，它經歷了從汞弧換流閥，到門極可關斷晶閘管換流閥(GTO閥)，再到絕緣柵雙極晶體管換流閥(IGBT閥)的發展過程。第3頁/共119頁第三頁，共120頁。一、概述直流輸電中使用的換流閥是從汞弧閥開始的：哥特蘭島工程2陽極汞弧閥，額定電流200A，額定電壓50kV。英法海峽工程4陽極汞弧閥，額定電流800A，額定電壓100kV。意大利撒丁島工程4陽極汞弧閥，額定電流1000A，額定電壓100kV。日本佐久間工程4陽極汞弧閥，額定電流1200A，額定電壓125kV。庫克海峽工程4陽極汞弧閥，額定電流1200A，額定電壓125kV。康梯＿斯坎工程4陽極汞弧閥，額定電流1200A，額定電壓125kV。溫哥華島I工程4陽極汞弧閥，額定電流1200A，額定電壓130kV。太平洋聯絡線I工程6陽極汞弧閥，額定電流1800A，額定電壓133kV。伏爾加格勒＿頓巴斯1陽極汞弧閥，額定電流900A，額定電壓125kV。金斯諾思＿倫敦4陽極汞弧閥，額定電流1200A，額定電壓133kV。納爾遜河工程6陽極汞弧閥，額定電流1800A，額定電壓150kV。第4頁/共119頁第四頁，共120頁。從1970年開始，在瑞典的哥特蘭島擴建工程中首次采用晶閘管換流閥，額定電流200A，額定電壓50kV。到目前為止，晶閘管換流閥的額定電流最高達4500A，額定電壓最高達800kV。根據觸發方式不同，晶閘管閥又可分為電觸發晶閘管換流閥和光觸發晶閘管換流閥。晶閘管閥有空氣絕緣和油絕緣兩種，空氣絕緣占主導地位。空氣絕緣閥有風冷、循環油冷和水冷等冷卻方式，其中以水冷的效果最好。第5頁/共119頁第五頁，共120頁。葛上直流工程四重閥結構，額定電流1200A，額定電壓500kV。天廣直流工程四重閥結構，額定電流1800A，額定電壓500kV。三常直流工程雙重閥結構，額定電流3000A，額定電壓500kV。三廣直流工程雙重閥結構，額定電流3000A，額定電壓500kV。三滬直流工程雙重閥結構，額定電流3000A，額定電壓500kV。貴廣直流工程四重閥結構，額定電流3000A，額定電壓500kV。靈寶換流站雙重閥結構，額定電流3000A，額定電壓120kV。高嶺換流站雙重閥結構，額定電流3000A，額定電壓125kV。國內已投運直流工程晶閘管換流閥：第6頁/共119頁第六頁，共120頁。包括特高壓直流工程在內的目前國內直流工程使用的晶閘管換流閥，都是采用空氣絕緣和水冷，其中貴廣直流工程和德寶工程以及背靠背工程換流站的部分換流閥將采用光觸發晶閘管，其它工程均采用電觸發晶閘管。第7頁/共119頁第七頁，共120頁。由于晶閘管目前仍是耐壓水平最高、輸出容量最大的電力電子器件，在大容量、高電壓應用領域，在國內外已經投運的近90項直流輸電工程中，絕大多數采用晶閘管直流換流閥。特別是近些年在我國取得重大發展的±800kV級特高壓直流輸電技術采用了基于6inch晶閘管的直流換流閥技術。第8頁/共119頁第八頁，共120頁。800kV特高壓直流輸電工程中的晶閘管換流閥采用了近十幾年來大功率高壓直流輸電工程中先進的設計和制造技術以及嚴格的質量保證體系，具有結構緊湊、可靠性高、損耗低的特點，并配備有完善的防火系統。這種換流閥經過了嚴格的型式試驗的檢驗，試驗結果表明，換流閥的各項性能指標均達到或高于IEC60700的標準和合同要求，為今后直流系統的安全運行提供了可靠保證。第9頁/共119頁第九頁，共120頁。二、晶閘管為了實現電流形態的轉換，換流閥必須采用非線性器件，其電阻阻值會隨著電流的方向不同而發生很大的變化。對于直流換流閥，其電流的方向只能通過一個方向，稱之為正方向，這時換流閥的正向導通電阻很小;而在反方向，電流根本不能導通，其反向電阻可以認為是無窮大。第10頁/共119頁第十頁，共120頁。晶閘管是由PNPN四層半導體構成的，它中間形成三個PN結。由最外層的P和N分別引出兩個電極，成為陽極和陰極，由中間的P引出控制極。晶閘管是一個可以控制的單方向導通的半導體元件。它的反向伏安特性與一般的二極管相似，在反向電流急劇增大時所對應的電壓稱為擊穿電壓。當不加控制電壓時，其正向特性與反向相似；在正向電壓達到某一轉折電壓后，元件突然導通，導通后的正向特性與二極管的正向特性相似。第11頁/共119頁第十一頁，共120頁。晶閘管的導通有兩個基本條件，一個是施加正向電壓，另一個就是觸發。只有在正向電壓下進行觸發，晶閘管才能安全導通。晶閘管正向能夠通過多大電流，歸根結蒂由管芯的允許溫度(環溫加上P結溫)決定的。導致管芯溫度升高的因素有環境溫度、元件的各種損耗，以及冷卻系統能力。第12頁/共119頁第十二頁，共120頁。元件的損耗包括：正向導通損耗、泄漏損耗、開關損耗等。環境溫度一般情況下比設備溫度底，有利于散熱。冷卻系統可以帶走損耗產生的熱量，降低元件溫度

換流閥的通流能力就是上述三個因素綜合作用的結果第13頁/共119頁第十三頁，共120頁。晶閘管通常與控制、輔助設備及陽極電抗器(又稱di/dt電抗器，為飽和電抗器)及阻尼回路元件等組裝在一起，如下圖所示：第14頁/共119頁第十四頁，共120頁。在施加觸發信號晶閘管開始導通的初期，只在硅片上靠近控制極的很小區域里導通，然后才擴展到整個硅片導通。所以，如果在晶閘管開始導通是就通過很大電流，這個電流將集中在控制極附近很小的區域中，很容易引起局部過熱，損壞晶閘管元件。陽極電抗器能有效限制晶閘管開通初期電流的上升速度，避免晶閘管局部過熱造成的損壞。第15頁/共119頁第十五頁，共120頁。如果在晶閘管兩端突然施加一個正向電壓，即使這個電壓未超過轉折電壓，也會使晶閘管導通。為了限制電壓的上升速度，一般在晶閘管的兩端并聯一個電容與電阻的串聯回路，阻尼晶閘管關斷時的高頻振蕩造成的誤導通。晶閘管在從導通狀態變成截止狀態需要一定的時間，為了加速晶閘管的關斷，通常在晶閘管兩端施加一個反向電壓。但如果反向電壓的時間過短，晶閘管可能再次導通，造成閥的換相失敗。第16頁/共119頁第十六頁，共120頁。近十年來晶閘管技術發展迅猛，通過改進技術和工藝，晶閘管具備了極高的抗沖擊電壓和沖擊電流能力。目前高壓直流輸電中使用的晶閘管的最大管徑為150mm（6英寸），最高阻斷電壓為8.5kV。特高壓直流輸電工程采用了6英寸的晶閘管，額定電流4500A，短路電流46-50kA，最大的非重復正向電壓VDSM的承受能力為8kV，最大的反向非重復電壓承受能力為8.5kV。這種規格的晶閘管在直流工程中第一次采用。第17頁/共119頁第十七頁，共120頁。三、換流閥結構晶閘管換流閥是由晶閘管元件及其相應的電子電路、阻尼回路以及陽極飽和電抗器、均壓元件等組成的換流閥組件，又由若干換流閥組件組成換流橋的一個橋臂。換流閥的額定電壓等級取決于單個晶閘管元件的電壓以及元件串聯的個數，其電流取決于晶閘管的通流能力。第18頁/共119頁第十八頁，共120頁。早期的直流輸電工程多采用6脈動換流器作為基本換流單元。由于6脈動換流器會在交直流側產生較多的低次諧波，因此在現代高壓直流工程中均采用12脈動換流器作為其基本單元。因此可以認為三相6脈動換流器由6個橋臂組成;直流輸電常用的12脈動換流器則由12個橋臂組成。第19頁/共119頁第十九頁，共120頁。典型傳統HVDC換流器單線原理圖第20頁/共119頁第二十頁，共120頁。換流閥結構示意圖第21頁/共119頁第二十一頁，共120頁。晶閘管及晶閘管級晶閘管級由晶閘管元件及其所需的觸發、保護及監控電子電路、阻尼回路組成。晶閘管級是換流閥的最基本的功能單元。每一個晶閘管級包括一個RC均壓阻尼回路。該回路和閥的電抗器合理匹配可以實現： ——限制換向關斷過沖； ——確保從工頻至瞬態陡前波電壓時晶閘管級的電壓均勻分布。第22頁/共119頁第二十二頁，共120頁。閥組件閥組件是由晶閘管和緊靠它們的輔助設備及陽極電抗器(又稱di/dt電抗器，為飽和電抗器)機械組裝在一起的結構單元。第23頁/共119頁第二十三頁，共120頁。第24頁/共119頁第二十四頁，共120頁。單閥單閥(或閥臂)。由若干閥組件串聯組成的單元，它構成了6脈動換流器的一個橋臂，故又稱為閥臂第25頁/共119頁第二十五頁，共120頁。多重閥（雙重閥）雙重閥是將2個單閥串聯連接，結構上做成一個閥塔。±500kV高壓直流輸電工程每個換流站共需要12個這樣的雙重閥，每個雙重閥塔如左圖所示。第26頁/共119頁第二十六頁，共120頁。二重閥接線示意圖第27頁/共119頁第二十七頁，共120頁。第28頁/共119頁第二十八頁，共120頁。四重閥接線示意圖第29頁/共119頁第二十九頁，共120頁。貴州－－廣東二回直流輸電工程換流閥外形圖第30頁/共119頁第三十頁，共120頁。四、換流閥的電氣特點換流閥最主要的特性是僅能在一個方向導通電流，這個方向定為正向。電流僅在周期的1/3期間內流過一個換流閥。不導通的換流閥應能耐受正向及反向阻斷電壓，換流閥電壓最大值由避雷器保護水平確定。當換流閥上的電壓為正時，得到一個控制脈沖換流閥就會從閉鎖狀態轉向導通狀態，一直到流過換流閥的電流減小到零為止，換流閥始終處于導通狀態，不能自動關斷。一旦流過換流閥的電流到零，閥即關斷。換流閥要有一定的過電流能力，通過健全換流閥的最大過電流發生在閥兩端間的直接短路，而過電流的幅值主要由系統短路容量和換流變壓器短路阻抗所決定。第31頁/共119頁第三十一頁，共120頁。換流閥應能承受各種不同的過電壓，換流閥的耐壓設計應考慮保護裕度。當考慮到電壓的不均勻分布、過電壓保護水平的分散性以及其他換流閥內非線性因素對閥應力的影響時，保護裕度必須足夠大。避雷器是換流閥的正方向和反方向的主要保護，每一個單閥都由一個無間隙的ZnO避雷器保護。

對于操作沖擊過電壓，閥的耐受水平高于避雷器保護水平10% 對于雷電沖擊過電壓，閥的耐受水平高于避雷器保護水平10% 對于陡波頭沖擊過電壓，閥的耐受水平高于避雷器保護水平15%。第32頁/共119頁第三十二頁，共120頁。通常，換流閥的過電壓耐受能力是由每個晶閘管的耐壓水平通過多個元件串聯疊加來實現的，故在一定的元件耐壓水平參數下，換流閥的耐壓能力由晶閘管的串聯元件數所決定。閥臂中每個閥組件與一個飽和電抗器串聯，而該電抗器將承擔陡波沖擊的大部分過電壓和雷電沖擊的部分過電壓，而且平波電抗器還將限制從線路侵人的雷電波，上述兩種過電壓對閥臂串聯元件數并不是主要的控制因素。第33頁/共119頁第三十三頁，共120頁。操作沖擊是決定串聯元件數的主要因素。由于多個元件串聯和各元件對端部的雜散電容及元件特性的不均勻性，盡管有均壓回路，但仍會存在電壓分布不均勻，操作沖擊波的電壓分布不均勻系數，目前制造水平可達到1.05-1.10，這是決定閥臂最小串聯元件數時應予以考慮的因素。第34頁/共119頁第三十四頁，共120頁。換流閥的另外一個重要的過電壓保護措施就是每個晶閘管元件配備的保護觸發功能(BOD)，保護水平的整定要求當晶閘管元件兩端出現正向過電壓時，該保護立即動作，對晶閘管實施有效的保護；而對于交流側故障產生的過電壓保護觸發不動作，以利于直流系統的快速恢復，提高系統的安全性。從絕緣配合要求看，閥臂正向非重復阻斷電壓應高于避雷器保護水平和最小正向保護觸發電壓(BOD)，閥臂的反向非重復阻斷電壓應高于避雷器保護水平并滿足最小絕緣配合裕度要求。第35頁/共119頁第三十五頁，共120頁。晶閘管換流閥應能耐受在負荷額定運行工況、連續過負荷及短時過負荷工況下的直流電流，而且還應具有一定的暫態過電流能力。其中連續過負荷、短時過負荷等穩態工況下晶閘管換流閥的通流能力要求決定了冷卻系統容量選擇。而，各種暫態故障電流將決定晶閘管元件的最高允許結溫目前國際上的制造水平是:導致永久性損壞的極限結溫為300-400℃

，承受最嚴重故障電流后的最高結溫為190-250℃

。第36頁/共119頁第三十六頁，共120頁。五、換流閥的控制保護系統換流閥的觸發系統指控制系統發出指令至晶閘管控制極接受指令之間的全部環節。換流閥觸發系統向換流器發出一定的波形和相位，并滿足其他要求的門極觸發脈沖，對換流閥的觸發開通時刻(相位)進行控制，以實現直流輸電系統的電流、電壓及功率的控制。第37頁/共119頁第三十七頁，共120頁。為了保證安全導通，晶閘管換流閥的觸發系統必須滿足的要求有: ①控制系統發出的觸發指令必須傳遞到不同高電位下的每個晶閘管級; ②在晶閘管所處的電位下，需有足夠的能量來產生觸發脈沖; ③所有晶閘管必須同時接收到觸發脈沖。第38頁/共119頁第三十八頁，共120頁。觸發脈沖的具體參數視晶閘管制造商的不同而略有差別。目前，換流閥的觸發方式主要有光電轉換觸發和光直接觸發兩種。光電轉換觸發把由換流閥控系統來的觸發信號轉換為光信號，通過光纜傳送到每個晶閘管級，在門極控制單元把光信號再轉換成電信號，經放大后觸發晶閘管元件。光觸發工作原理是在晶閘管元件門極區周圍，有一個小光敏感區，當一定波長的光被光敏感區吸收后，在硅片的耗盡層內吸收光能而產生電子一空穴對，形成注入電流使晶閘管元件觸發第39頁/共119頁第三十九頁，共120頁。換流閥運行還需要相關的外圍設備——觸發與在線監控裝置整個系統包括閥基電子設備(VBE)、晶閘管電子設備(TE板)、閥控(VC)和站控(SC)設備以及一些連接光纜第40頁/共119頁第四十頁，共120頁。六、換流閥的冷卻系統冷卻水系統是晶閘管換流閥的一個重要組成部分，要確保在運行中帶走換流閥產生的熱量，使晶閘管的結溫，以及電抗器、電阻等元件的溫度在允許范圍以內特高壓直流換流閥通常采用空氣絕緣水冷卻方式。通常冷卻水系統又可以分為內冷水系統和外冷水系統。第41頁/共119頁第四十一頁，共120頁。 內冷水系統換流閥的內冷卻水系統又稱為一次循環水。在換流閥第一次投運前，必須向換流閥的內冷卻回路注入一定數量的冷卻水，冷卻水管將閥內所有元件的散熱器連接起來。較低溫度的冷卻水經循環水泵加壓后，進入冷卻水管，流入換流閥內全部散熱器，吸收晶閘管元件及其輔助元件產生的熱量，水溫將升高。一次循環水經過冷卻系統后，水溫降至初始值，開始下一個循環冷卻。第42頁/共119頁第四十二頁，共120頁。由于換流閥體處于幾百千伏的高電位上，一次循環水必須具有極低的電導率。工程經驗表明，電導率一般為0.1-0.5μS/cm，達到0.5μS/cm時換流閥須立即停運。為此，內冷卻水系統必須配置長期并聯去離子運行的封閉式循環水處理支路。第43頁/共119頁第四十三頁，共120頁。 外冷卻系統換流閥外冷卻系統的主要功能是對一次循環進行冷卻

使水溫降至初始值，再進入換流閥體進行循環冷卻。換流閥組對外冷卻系統的要求是提供足夠的冷卻容量，保證換流閥組安全可靠運行。外冷卻系統有二次水噴淋冷卻(濕冷)和空氣強迫冷卻(干冷)兩種方式。800kV直流輸電工程均采用二次水噴淋冷卻方式第44頁/共119頁第四十四頁，共120頁。七、閥廳布置閥廳用于布置換流閥，根據換流閥塔的安裝方式，換流閥塔的安裝可以采用支撐結構和懸掛式結構。但是無論采用支撐結構還是懸掛式結構，直流換流閥都應布置于干燥的、低污穢程度、帶通風和空調、區域環境、溫度可控的室內，閥廳內呈微正壓以減少灰塵的進入。除此之外，為了保證換流閥的安全、可靠運行，閥廳還應該為金屬屏蔽，以屏蔽外部的電磁干擾和閥工作時產生的干擾。第45頁/共119頁第四十五頁，共120頁。德寶工程換流閥設計12脈動換流閥的主要電氣性能數據：參數名稱參數值額定直流功率1500MW額定直流電壓500kV最大穩態直流電壓515kV額定直流電流3000A最小直流電流300A德寶工程12脈動換流閥技術參數第46頁/共119頁第四十六頁，共120頁。額定觸發角15°額定功率最大觸發角17.5°+0.5°額定功率最小觸發角12.5°-0.5°最小觸發角5°額定熄弧角17°額定功率的最大熄弧角17°+1°額定功率的最小熄弧角17°-1°最小熄弧角16°第47頁/共119頁第四十七頁，共120頁。德寶換流閥結構設計德寶工程每個四重閥由4個單閥串聯組成，一個完整的單閥由3個晶閘管組件串聯而成，每個晶閘管組件包括2個閥段，因此一個四重閥包括12個晶閘管組件。2個晶閘管閥段在組件中間，電抗器單元在組件端部，每個硅堆與2個電抗器單元組成1個閥段。第48頁/共119頁第四十八頁，共120頁。德寶工程換流站的晶閘管組件每個硅堆設計有13只晶閘管元件，由串聯的晶閘管元件及散熱器壓裝成一個硅堆，串聯兩個飽和電抗器，再并聯一個沖擊均壓電容組成。冷卻水主管道和光纜槽均從閥頂部接入，這種結構同時也考慮了地震應力對四重閥塔的最小影響。閥頂部組件直接安裝在閥廳頂部的懸吊絕緣子上。第49頁/共119頁第四十九頁，共120頁。每個閥段包括晶閘管及其散熱器，壓裝結構，阻尼回路，晶閘管控制和監測板（TVM），閥電抗器以及沖擊均壓電容。大功率5英寸晶閘管能夠滿足額定電流容量，不需要并聯。阻尼回路由一只電容器和一只冷卻效率極高的直接水冷式電阻器串聯。這種技術使閥段內的功率器件數盡可能的減少，致使組件及其內部連線異常簡捷。更換晶閘管時無需斷開任何水接頭。第50頁/共119頁第五十頁，共120頁。閥組件四周的鋁型材屏蔽罩，一方面滿足電磁屏蔽的功能，另一方面又作為閥段中所有器件的機械支撐結構架。組件內的空間能夠完全滿足必須的爬電距離。這樣，也保證每個電器件都有自己充足獨立的空間，易于維修。冷卻水管道和光纜導槽在四重閥內垂直安裝，滿足絕緣要求的同時均采用柔性連接，適當地消納地震時產生的振動位移。第51頁/共119頁第五十一頁，共120頁。晶閘管硅堆主要由端板、夾緊板、晶閘管、水冷散熱器和碟彈單元組成。兩個端板和兩個夾緊板將晶閘管、水冷散熱器和碟彈裝置支撐并固定起來。晶閘管與散熱器是間隔串聯在一起的，其每個接觸面都必須保證良好的接觸，以保證散熱和電聯接。第52頁/共119頁第五十二頁，共120頁。高壓直流輸電閥的冷卻水采用去離子水，電導率最大為0.5μs/cm。水路將閥各個不同電位的電器件連接起來，不同電位的金屬件之間的水路就有可能產生電解電流。因此，這些金屬件會受到電解腐蝕。為了解決這一問題，在水路的相應位置安裝電極。這樣，水路的電位將與晶閘管閥的電位一致。從而避免了金屬件的電解腐蝕。第53頁/共119頁第五十三頁，共120頁。來自冷卻系統的冷卻水管連接到四重閥的上部，1進1出水管由上部垂直向下進入閥體。水管連接成彎曲形狀，增加了水流路徑長度，因此減小了水流流經不同電位的單閥而產生的漏電流。彎曲形狀保證了不同電位的閥層間具有足夠的爬電距離。通過電解惰性鉑金電極控制水管中冷卻水的電位。第54頁/共119頁第五十四頁，共120頁。閥塔懸吊部分的作用是將組件、閥底屏蔽框機械的串聯在一起，組成一個水平方向可任意擺動的柔性結構，以滿足抗震、沖擊要求。閥塔層間連接選用標準的硅橡膠絕緣子，它除了具有足夠的機械強度外，也保證了層與層之間需要的空氣絕緣距離和爬電距離。第55頁/共119頁第五十五頁，共120頁。德寶換流閥防火設計盡管換流閥設計采取了多種防火措施，著火的可能性依然存在。除了技術方面的問題，人為失誤（例如檢修時工具遺漏在換流閥上）也可能引起火災事故。所以，防止火災事故的進一步擴大尤為重要，換流閥在這方面采取了一些措施。第56頁/共119頁第五十六頁，共120頁。換流閥材料選擇時，需考慮材料的阻燃特性。換流閥所選的塑料材料幾乎都具有阻燃特性（根據UL94V-0標準），這意味著當火源去除后，火很快熄滅，燃燒后跌落物不會引起火災。一些少量零件（例如塑料螺釘）防火阻燃等級為UL94HB，但因其數量少，又分布于整閥中，引起火災的可能性極小。第57頁/共119頁第五十七頁，共120頁。唯一不容忽視的是光纜，阻燃等級為UL94HB的部件，但光纜不是起火根源，并且采取了充分的屏蔽措施防止火災。光纜被全部埋入光纜槽里，光纜槽為玻璃絲加強的環氧塑料，阻燃等級為UL94V-0。光纜槽裝有防火材料，以隔絕火的擴散。第58頁/共119頁第五十八頁，共120頁。德寶換流閥電氣設計德寶工程換流站換流閥的絕緣水平換流閥電壓耐受能力第59頁/共119頁第五十九頁，共120頁。單閥串聯晶閘管元件數由下式確定： nmin=SIPL×kd×kim/VDSM=73.6 其中：

SIPL：跨閥的操作波保護水平；

kd：操作沖擊電壓下單閥的電壓分布系數； kim：操作沖擊電壓下的安全系數； VDSM：晶閘管斷態非重復峰值電壓； 考慮3%冗余取nmin=74，工程設計僅需要76只晶閘管串聯，本工程設計單閥為78只。單閥晶閘管串聯數第60頁/共119頁第六十頁，共120頁。LTT晶閘管的門極觸發由光脈沖完成。光脈沖是由閥底部電子柜（VBE）通過光纜系統直接觸發每個晶閘管的門極。因此，ETT閥中的晶閘管門極電子電路、輔助電源以及任何防止電磁干擾的設備（EMI）是不需要的。當超過其允許電壓值時，集成在光觸發晶閘管內的正向保護BOD觸發該晶閘管。外部的保護觸發回路常用于電觸發的晶閘管。光觸發晶閘管不再需要這些回路。阻尼均壓回路第61頁/共119頁第六十一頁，共120頁。閥飽和電抗器主要功能如下： ·限制晶閘管開通的電流上升率； ·限制晶閘管瞬態陡前波沖擊電壓； ·和阻尼電路配合，改善串聯聯接的晶閘管間的電壓不均勻分布電抗器參數及外型的設計原則： 視每個閥組件中的器件數量而定，折衷選取最小值重量要易于維護和檢修。每個閥段設計有兩臺電抗器。閥飽和電抗器第62頁/共119頁第六十二頁，共120頁。為確保因雜散電容的影響，造成瞬態陡波沖擊在閥段間的不均勻分布，每個閥段并聯一個5.5nF的沖擊電容,內部絕緣采用為氮氣和SF6氣體，護套為硅橡膠并設計有一定的爬電距離，電壓與13個晶閘管串聯時閥段電壓在各種電壓應力下的電壓相匹配，組件結構設計時充分考慮了沖擊電容與周圍帶電體的空氣間隙。組件均壓電容第63頁/共119頁第六十三頁，共120頁。德寶換流閥保護換流閥為四重閥結構，但保護設計的原則是對每一個單閥進行的。每個單閥由78只3000A/8kV的LTT晶閘管串聯而成。晶閘管為電力半導體器件，對電壓、電流的過載能力較低，通常當其兩端電壓超過其可重復電壓時在幾個周波內就可能導致其損壞。在晶閘管的串聯應用中上述問題尤為突出。已損壞的晶閘管將不承擔電壓，勢必造成其余晶閘管承擔電壓的增加，依次類推，有可能造成雪崩導致全閥擊穿，為此作為第一級保護，每個單閥均并聯一個閥避雷器。避雷器保護第64頁/共119頁第六十四頁，共120頁。在德寶工程中，考慮每個單閥去掉3個冗余其耐壓水平為：8kV75=600kV，考慮到晶閘管均壓的不均勻性，在設計上確定的閥實際耐壓水平為：571.4kV。閥避雷器保護動作值設定為：496.3kV，即在閥耐壓水平的87%左右閥避雷器保護動作從而有效保護閥第65頁/共119頁第六十五頁，共120頁。作為第二級保護，換流閥通常在每個LTT晶閘管內集成了一個BOD器件（BreakOverDiode）作為該晶閘管的正向保護。BOD動作電壓為7500V100V。整閥的BOD正向保護水平為750075=562.5kV。考慮到BOD動作的分散性和晶閘管均壓的不均勻性，設計確認的BOD保護動作值為536kV。BOD保護第66頁/共119頁第六十六頁，共120頁。晶閘管在電流過零關斷后，由于結電容存在一個反向恢復電流，這就需要一定的反向恢復時間。在反向恢復期內載流子依然很活躍，過高的du/dt導致反向恢復電流過大，造成硅片局部過熱而損壞晶閘管。這時必須使晶閘管觸發導通，使其免受過高du/dt的損壞。因此，在換流閥中設計了RPU單元對晶閘管在反向恢復期進行保護。反向恢復期保護第67頁/共119頁第六十七頁，共120頁。德寶工程中LTT晶閘管反向恢復期為：300s400s。設計最終考慮3倍的裕度，保護區間設定為1.3ms。du/dt動作值設定為100V/s。第68頁/共119頁第六十八頁，共120頁。電流保護 晶閘管換流閥的電流保護是： ——過電流保護； ——短路電流保護； ——換相故障保護； ——誤觸發過流保護。漏水保護

——膨脹水箱煙霧報警系統其它保護第69頁/共119頁第六十九頁，共120頁。晶閘管冗余和可靠性冗余量必須滿足下面要求： （1）在運行的12個月中，一個完整12脈動換流閥，不能有多于一個閥的冗余量被耗盡。德寶工程設計值：晶閘管損壞最大量是3只。 （2）冗余量不能小于閥整個晶閘管數量3%，德寶工程設計值：3只晶閘管級冗余是78只晶閘管級的3.8%。第70頁/共119頁第七十頁，共120頁。晶閘管閥的短路電流能力閥短路有后續閉鎖，浪涌電流、重復電壓、晶閘管結溫和時間的關系曲線第71頁/共119頁第七十一頁，共120頁。閥短路無后續閉鎖，浪涌電流、重復電壓、晶閘管結溫和時間關系曲線第72頁/共119頁第七十二頁，共120頁。晶閘管監視系統晶閘管故障監測系統主要功能是在線監測晶閘管、阻尼均壓電路、晶閘管電子線路、光信號傳輸系統及光纜的故障。它是處于地電位的閥底部電子設備柜（VBE）的一部分。晶閘管故障監測系統將光纜送來的閥上的回報信號進行估值計算。正常運行時，該系統能夠在每個周波內檢測出閥上的任何故障。但對同一故障連續檢測三次，當其完全相同時才預以確認，以防故障的誤判別。第73頁/共119頁第七十三頁，共120頁。晶閘管、晶閘管電壓監測板TVM、光纜以及保護觸發（BOD）故障時都能被打印出來，并標明故障發生的日期、時間、原因以及晶閘管級的位置。當損壞的晶閘管達到閥的冗余時，就會發出一個報警信號。超過冗余時，將危及閥的安全運行，此時發出換流器停機的跳閘信號。第74頁/共119頁第七十四頁，共120頁。

LTT閥觸發和監測系統框圖第75頁/共119頁第七十五頁，共120頁。晶閘管觸發系統VBE的核心是以微處理器為主的晶閘管控制和監測單元，簡稱TC&M。每柜中有兩套完全相同的TC&M系統，即系統1和系統2。兩個系統獨立工作互為熱備用。運行系統有效控制全部輸出，備用系統處于熱備用狀態。在運行中兩個系統除自檢外還進行互檢。當運行系統故障后，備用系統能自動切換入運行狀態，無需停機。另外VBE中還有光發送、光接收、RPU控制電子線路板以及和外部控制與保護系統的接口。第76頁/共119頁第七十六頁，共120頁。在高壓閥上，每個閥段13個晶閘管具有一臺混合光耦合器MSC。MSC直接接收由VBE中激光二極管發出的觸發光脈沖。在此混合并均勻分配然后發送給與其相連的13個晶閘管的光控門極。每個晶閘管的觸發脈沖寬度為10s。光功率不小于40mW。另外，在晶閘管的反向恢復期內，MSC也接收RPU發出的保護觸發光脈沖。同樣將其均勻分配發送給與其相連的13個晶閘管，直接觸發該閥段，進行保護。第77頁/共119頁第七十七頁，共120頁。光發送板屬VBE的一部分，分別裝在3塊不同扳子的激光二極管，在TCM的控制下，同時發出觸發光脈沖送往閥上的MSC。在這里混合再均勻分配后觸發一個閥段的每個晶閘管，光發送板是三取二的冗余系統，3路板中只要任意兩路正常就能保證正常觸發，故障的一塊板可隨意拆下檢修或交換。光發送板第78頁/共119頁第七十八頁，共120頁。光接收板屬VBE的一部分，接收從閥上TVM發來的“正向門檻達到”、“負電壓建立”、“BOD動作”三個回報信號和一個附加的光發送系統試驗回報信號。在這里經光——電轉換后供TCM監測讀取。RPU控制板屬VBE的一部分，在TCM的控制下，在晶閘管的反向恢復期啟動閥上的RPU保護電路。光接收板及RPU控制板第79頁/共119頁第七十九頁，共120頁。換流閥控制系統框圖第80頁/共119頁第八十頁，共120頁。閥冷卻系統設計每個閥塔有獨立的供水管，包括一路進水管和一路出水管，進水管和出水管從閥頂部到底部貫穿閥塔每個組件中進出水管與主水管的連接均采用并聯方式，每個晶閘管散熱器、阻尼電阻回路和單個電抗器與主水管的連接也采用并聯方式。水的均壓通過鉑金電極完成，鉑金電極插在每個組件的水管中和地電位處。第81頁/共119頁第八十一頁，共120頁。在閥組件設計中晶閘管采用兩面冷卻的方式，在晶閘管的兩邊都有一個鋁制的散熱器。而且連接晶閘管的水路采用并聯連接的方式，保證晶閘管兩側散熱器的進水都是涼冷卻水（不同于串聯連接中一側是冷水，另一側是熱水），冷卻效果好。在晶閘管硅堆兩端，支水管的相應位置裝有鉑電極，這樣布置能夠保證在晶閘管散熱器與支水管連接的支路水管兩端不會產生電壓差，避免散熱器由于電解電流而引起電腐蝕。第82頁/共119頁第八十二頁，共120頁。晶閘管閥水路連接第83頁/共119頁第八十三頁，共120頁。HVDC換流閥試驗試驗是控制產品質量的有效手段，晶閘管換流閥的試驗包括：換流閥型式試驗、例行試驗、抽樣試驗、長期老化試驗和現場試驗。對于HVDC換流閥的試驗，通常依據IEC60700-1，1998的有關規定。不同的換流閥供應商對其質量控制都有其相應獨特的要求，根據換流閥的設計特點，由換流閥供應商制定換流閥型式試驗規范，業主、系統設計、監造商、供應商共同討論認可型式試驗規范。第84頁/共119頁第八十四頁，共120頁。換流閥型式試驗換流閥型式試驗分為運行型式試驗和絕緣型式試驗。（1）試品運行型式試驗試品——單閥或與單閥數量相當的晶閘管組件、電抗器組件。絕緣型式試驗試品——獨立完整的換流閥結構。所有的試品應適用相同的閥或組件。第85頁/共119頁第八十五頁，共120頁。2）試驗順序絕緣型式試驗→運行型式試驗3）實驗程序

IEC600604）試驗依據

IEC60700-11998、5）型式試驗目的絕緣型式試驗試驗：檢驗換流閥高電壓下的性能運行型式試驗：檢驗換流閥的開通、關斷及與電流特性有關的性能。第86頁/共119頁第八十六頁，共120頁。6）成功型式試驗的判據——任何一項型式試驗后，如果短路的晶閘管級數大于1，則未通過型式試驗。——任何一項型式試驗后，如果有1級晶閘管短路，允許需修復損壞的晶閘管級，重新進行該項試驗。——在重復進行某項型式試驗時，如果再次發生任何一級或多級晶閘管短路，則未通過型式試驗。——應對閥或閥組件進行檢查。如果試驗中或試驗后發現損壞的晶閘管級或附件，在下一項試驗前允件更換。——由于檢查導至的短路晶閘管級也應按上述規定納入判據中。第87頁/共119頁第八十七頁，共120頁。6）成功型式試驗的判據——除短路的晶閘管級外，在型式試驗以及隨后進行的檢查中出現參數改變但尚未短路的晶閘管級數不能超過一個完整閥中全部晶閘管級數的3%。關于整體閥的型式試驗判據：——在試驗中閥的外部閃絡，閥冷卻系統的損壞以及觸發脈沖傳輸和分配系統的任何絕緣材料的擊穿都是不允許的。——任何元件、導體及其接頭的溫度，附近物體的表面溫度都不能超過設計允許值。第88頁/共119頁第八十八頁，共120頁。換流閥絕緣型式試驗1）閥基絕緣型式試驗：閥的兩個主要端子應連接在一起，直流電壓施加在連接在一起的兩個端子和地之間。試驗項目試品——直流耐壓試驗——交流耐壓試驗——操作沖擊波耐壓試驗——雷電沖擊波耐壓試驗——陡波頭沖擊波耐壓試驗考核目的：檢查閥支承結構（包括閥支承結構內的冷卻介質管道，光纖通道等）具有足夠的內部絕緣能力，能耐受所規定的各種試驗電壓，并能保證在過電壓條件下的局部放電不超過規定值。

閥基第89頁/共119頁第八十九頁，共120頁。閥基直流耐壓試驗試驗電壓：UDC1=±Udms﹡1.6*katm

時間1分鐘UDC2=±Udms﹡1.3*katm

時間3小時，在最后1小時測局部放電量Udms：出現在閥支撐上穩態運行電壓的直流分量的最大值。對于雙重閥結構高12脈動雙重閥Udms=UDCmax/4*3，對于四重閥結構Udms=UDCmax/2。Katm：大氣修正系數第90頁/共119頁第九十頁，共120頁。閥基交流耐壓試驗試驗電壓：UAC1=±Ums﹡1.3*Katm

時間1分鐘UAC1=±Ums﹡1.15*Katm

時間30分鐘，在規定的30分鐘試驗期間內，測量局部放電量Ums：穩態運行（包括換向過沖）期間閥支撐上的最大重復運行電壓的峰值。Katm：大氣修正系數第91頁/共119頁第九十一頁，共120頁。閥基操作沖擊波耐壓試驗正負極性各3次。采用符合IEC60060的標準操作沖擊電壓波形。試驗電壓的選擇應符合HVDC直流站的絕緣配合,試驗時考慮大氣修正系數及一定的試驗安全系數。對于雙重閥結構，高12脈動閥組的閥基操作沖擊波耐受電壓以高12脈動橋6脈動母線避雷器操作保護水平為依據。對于四重閥結構，高12脈動閥組的閥基操作沖擊波耐受電壓以雙12脈動橋400kV母線避雷器操作保護水平為依據。波形：250/2500us第92頁/共119頁第九十二頁，共120頁。閥基雷電沖擊波耐壓試驗正負極性各3次。采用符合IEC60060的標準雷電沖擊電壓波形。試驗電壓的選擇應符合HVDC直流站的絕緣配合,試驗時考慮大氣修正系數及一定的試驗安全系數。對于雙重閥結構，高12脈動閥組的閥基雷電沖擊波耐受電壓以高12脈動橋6脈動母線避雷器雷電保護水平為依據。對于四重閥結構，高12脈動閥組的閥基雷電沖擊波耐受電壓以雙12脈動橋400kV母線避雷器雷電保護水平為依據。波形：1.2/50us第93頁/共119頁第九十三頁，共120頁。閥基陡波頭沖擊波耐壓試驗正負極性各3次。試驗電壓的選擇應符合HVDC直流站的絕緣配合,試驗時考慮大氣修正系數及一定的試驗安全系數。對于雙重閥結構，高12脈動閥組的閥基陡波沖擊波耐受電壓以高12脈動橋6脈動母線避雷器陡波保護水平為依據。對于四重閥結構，高12脈動閥組的閥基陡波沖擊波耐受電壓以雙12脈動橋400kV母線避雷器陡波保護水平為依據。波形：1200kV/us第94頁/共119頁第九十四頁，共120頁。2）多重閥(MVU)的絕緣型式試驗：MVU高壓端子和地之間試驗項目試品——直流耐壓試驗——操作沖擊波耐壓試驗——雷電沖擊波耐壓試驗——陡波頭沖擊波耐壓試驗考核目的：驗證多重閥單元整體結構以及多重閥中各單閥之間具有足夠的絕緣強度，考核絕緣配合，包括電暈和局部放電特性。MVU（四重閥或雙重閥）第95頁/共119頁第九十五頁，共120頁。多重閥的絕緣試驗除應完全滿足IEC60700-1，1998中第7款的要求外，還應滿足以下要求：(1)

如果在多重閥中安裝有閥避雷器，在試驗中應僅裝設閥避雷器外套。多重閥中可以不安裝全部的閥組件，但需包含均壓電路或補償電容以確保試驗中電壓的適當分布。(2)

多重閥中應包含所有冷卻設備和控制設備，連接被試模塊和處于地電位的元件，試驗中的冷卻介質參數（電導率、流量、溫度）應與運行時相同。第96頁/共119頁第九十六頁，共120頁。MVU直流耐壓試驗試驗電壓：UDC1=±Udmm﹡1.6*katm

時間1分鐘UDC2=±Udmm﹡1.3*katm

時間3小時，在最后1小時測局部放電量，局部放電的要求參見IEC60700-1，Udms：出現在MVU高壓端子和地之間的穩態運行電壓的直流分量的最大值。Katm：大氣修正系數第97頁/共119頁第九十七頁，共120頁。MVU操作沖擊耐壓試驗采用符合IEC60060的標準操作沖擊電壓波形試驗電壓：Ut=SIPLTh*k1*katmSIPLTh：MVU高壓端子和地之間的避雷器操作波保護水平Katm：大氣修正系數k1：試驗安全系數,建議采用1.15第98頁/共119頁第九十八頁，共120頁。MVU雷電沖擊耐壓試驗采用符合IEC60060的標準雷電沖擊電壓波形試驗電壓：Ut=LIPLTh*k1*katmLIPLTh：MVU高壓端子和地之間的避雷器操作波保護水平Katm：大氣修正系數k1：試驗安全系數,建議采用1.15第99頁/共119頁第九十九頁，共120頁。MVU陡波頭沖擊耐壓試驗采用符合IEC60060的標準陡前沖擊電壓波形試驗電壓：Ut=SFIPLTh*k1*katmSFIPLTh：MVU高壓端子和地之間的避雷器（CB2）陡波頭保護水平Katm：大氣修正系數k1：試驗安全系數，建議采用1.2第100頁/共119頁第一百頁，共120頁。3）閥的絕緣型式試驗：單閥的主端子和地之間試驗項目試品——直流耐壓試驗——交流耐壓試驗——操作沖擊波耐壓試驗——雷電沖擊波耐壓試驗——陡波頭沖擊波耐壓試驗——濕態操作沖擊波耐壓試驗——濕態直流耐壓試驗——非周期觸發試驗考核目的：驗證所設計的閥在各種過電壓下（直流、交流工頻、操作沖擊波、雷電沖擊波和陡波頭沖擊波過電壓以及非周期觸發）的特性。

單閥第101頁/共119頁第一百零一頁，共120頁。通過這些試驗表明：閥具有足夠的絕緣水平，能夠耐受所規定的各種過電壓。閥內部的各種過電壓保護功能正確。在正常情況下不產生局部放電，在高的過電壓情況下，局部放電強度應在所規定的范圍內。內部阻尼均壓回路的額定容量足夠大。在各種過電壓（包括過電壓保護動作的情況）下，閥內任何部件，包括晶閘管級和飽和電抗器等，實際承受的電壓不超過其電壓耐受能力。各種電子回路具有足夠的干擾能力，功能正確。閥能在規定的過電壓下觸發而不發生損壞。當電流從與閥并聯的閥避雷器上向閥轉換時，閥應具有足夠的通流能力。第102頁/共119頁第一百零二頁，共120頁。單閥直流耐壓試驗試驗電壓：UDC1=±UdN﹡1.6

時間1分鐘UDC2=±UdN﹡0.8

時間3小時，在最后1小時測局部放電量，局部放電的要求參見IEC60700-1，UdN：6脈動橋的額定電壓第103頁/共119頁第一百零三頁，共120頁。單閥交流耐壓試驗試驗電壓參照IEC60700-1，1998單閥操作沖擊試驗采用符合IEC60060的標準操作沖擊電壓波形試驗電壓：Ut=SIPL*k1SIPL：閥端避雷器（V）操作波保護水平k1：試驗安全系數，建議采用1.15第104頁/共119頁第一百零四頁，共120頁。單閥雷電沖擊試驗采用符合IEC60060的標準雷電沖擊電壓波形試驗電壓：Ut=LIPL*k1SIPL：閥端避雷器（V）雷電沖擊保護水平k1：試驗安全系數，特高壓建議仍采用1.15單閥陡波頭沖擊試驗采用符合IEC60060的標準陡波頭沖擊電壓波形試驗電壓：Ut=SFIPL*k1SFIPL：閥端避雷器（V）陡波頭沖擊保護水平k1：試驗安全系數，特高壓建議仍采用1.2第105頁/共119頁第一百零五頁，共120頁。非周期觸發試驗試驗目的是驗證閥在規定的高電壓情況下開通時，晶閘管及與其相連的電路有足夠的電流和電壓耐受能力。試驗應包括施加三次正極性操作沖擊電壓，且閥在操作沖擊電壓峰值處觸發到導通狀態。第106頁/共119頁第一百零六頁，共120頁。絕緣型式試驗后檢查換流閥耐受電壓檢驗（檢查是否短路）觸發檢驗觸發和監視