摘要：±500kV高压直流输电(HVDC)换流阀绝缘型式试验是目前国际上最高电压等级的换流阀绝缘试验。冲击试验是换流阀绝缘型式试验中的难点，对试验回路及设备的要求很高，试验难度很大。文章以三峡—上海直流输电工程用±500kV HVDC换流阀的完整四重阀试验为例，介绍了其结构、负荷特性，以及换流冲击试验和单阀冲击试验技术，并给出了部分试验结果。试验结果表明，该阀的内部参数设计满足技术要求。
关键词： 电力系统；高压直流输电；换流阀；绝缘型式试验；冲击试验
换流阀是高压直流输电(HVDC)系统的关键设备，由许多单个器件模块化单元串联而成，即由一系列串联起来的晶闸管组成的三相整流桥，在运行中要承受来自交、直流系统的过电压［1］。因交流侧有换流变压器隔离，直流侧有平波电抗器隔离，因此，雷电过电压一般不会直接作用到换流阀上。当雷电过电压侵入到换流阀上时，幅值、陡度均已大幅度减小。但是，当换流站内（平波电抗器内侧）的直流线路发生接地故障时，将会产生波前很陡的过电压，类似于雷电过电压。另外，换流站内一个换流阀在最大电压下触发时，将在另一个换流阀上出现接近于冲击电压波形的过电压；当换流站内阀侧发生交流接地故障时，也会产生波前很陡的过电压，也类似于雷电过电压。
换流阀冲击电压试验的目的在于确定其能否承受规定的过电压；每一个内部过电压保护回路是否有效；阀的电子设备是否会受干扰影响，功能是否正常；阀能否在规定的过电压条件下正常保护触发等。因此，在考核其绝缘性能的型式试验中包含有各种冲击试验。
IEC 60700-1［2］中指出，换流阀的冲击试验项目采用了高压交流系统及元件的标准波形和标准试验的方法，为工业化提供了很有利的条件，因为它可以将很多现有的高压试验标准应用到HVDC换流阀试验中。但是，高压直流系统中的元件与交流系统的元件存在着差异，因而试验波形是不同的。在这种情况下，针对直流产品的绝缘试验，有必要改进试验技术，以达到标准要求。
下面以采用ABB技术生产的三峡—上海直流输电工程用±500kV HVDC换流阀为例，介绍其负荷特性和冲击试验技术。
1 换流阀结构及负荷等效电路
此次换流阀试品采用空气绝缘、水冷却的户内悬吊式结构。通常采用12脉动桥四重阀结构，阀体中避雷器悬挂在阀结构附近，并且阀体结构设计要满足抗震性能的要求。晶闸管通常是根据用户的要求来设计，要满足指定的试验和运行中所有电及机械应力的要求［3］。三峡—上海直流输电工程用±500kV
HVDC换流阀外观如图1所示。换流阀晶闸管极的耐压为6.8kV,试验所用的四重阀是由360个相同的晶闸管串联构成。
图1 三峡—上海直流输电工程用±500kV HVDC换流阀
因为单个晶闸管的耐压很低，因此一个换流阀一般是由几十个甚至几百个相同的晶闸管串联构成，组件作为换流阀最小的完整功能单元，其中包括多个串联的高压晶闸管以及辅助电路。每个晶闸管需要并联一个缓冲电路来阻尼关断电压过冲，并线性化串联电压分布。为了使晶闸管免受在导通时缓冲回路和外分布电容放电产生的高涌入电流的冲击，将一个非线性电抗器与晶闸管串联［4］。试品的每一个单阀由15个组件组成，每个组件由6个晶闸管及其阻尼回路、电抗器等组成。组件等效电路如图2所示。
L—饱和电抗器；Rb—6个晶闸管阻尼电阻；Cb—6个晶闸管阻尼电容
图2 组件等效电路
2 换流阀冲击试验
按IEC 60700－1的要求［2］，本次换流阀试验采用完整的四重阀进行绝缘型式试验，其冲击试验项目和试验电压如表1所示。
表1 换流阀冲击试验项目
试 品
试 验
试验电压/kV
阀支撑
操作冲击耐压试验
±767
雷电冲击耐压试验
±788
陡波前冲击耐压试验
±844
多重阀单元（MVU）
操作冲击耐压试验
±1364
雷电冲击耐压试验
±1403
陡波前冲击耐压试验
±1543
单 阀
操作冲击耐压试验
±583（干/湿）
雷电冲击耐压试验
±577
陡波前冲击耐压试验
±684
冲击电位分布
表1中,阀支撑是指阀支架、冷却管、光导向装置的绝缘元件和其他与阀支架有关的绝缘元件，其冲击试验的目的是验证与阀支撑相关的绝缘件的冲击耐受能力；多重阀单元（MVU）是指1个以上阀组成的简单结构，在绝缘试验中指完整的四重阀结构，为了模拟最严酷条件，试验时将一个阀短路，冲击试验的目的在于验证MVU外绝缘的冲击电压耐受能力，考虑到其周围环境，尤其是对连接在极电位的阀的冲击耐受能力，以及验证MVU结构内单阀之间的冲击电压耐受能力；单阀是指仅由一个阀组成的简单结构，其冲击试验的目的是为了验证阀的冲击电压耐受能力，并考核阀的冲击电压特性的设计是否合理。
每项冲击试验均包括施加正、负极性各5次的冲击电压。冲击电压波形应符合IEC 60060标准的规定，且试品不应产生破坏性放电现象。每项试验电压的确定应根据避雷器的绝缘配合所决定的冲击保护水平和试验安全系数。对于阀支撑和多重阀单元，考核外绝缘水平的冲击耐压时，应考虑大气修正系数；对于考虑单阀内部绝缘水平的冲击耐压，则不考虑大气修正系数。
3 单阀冲击试验
对于试验的实施方，换流阀冲击试验的技术难点在于单阀冲击试验，原因是：
（1） 单阀的负荷电容量较阀支撑和MVU的大，冲击调波较为困难。
（2） 单阀冲击试验要求有恢复保护单元（TCU）充电回路，在施加冲击电压，尤其是施加正向冲击电压时，当加在晶闸管层上的冲击电压幅度超过它的正向保护电压时，如果不采取保护措施，晶闸管层便会被击穿。为了避免这种情况的发生，必须采取保护措施，确保一旦冲击电压超过正向保护电压，晶闸管将被触发信号触发，使其可靠导通。因此，阀的电子回路必须带电，以保证在冲击电压达到晶闸管层的正向保护触发电压时能够正常触发并使晶闸管导通，避免造成晶闸管的损伤。对于单阀电子回路的供电电源，采取施加冲击电压前先施加低幅值的冲击电压给TCU的电子回路储能，在电子回路已储能时施加冲击电压。这就要求2套冲击系统具备同步工作的功能。
（3） 在单阀雷电和陡波前冲击试验中，要求模拟换流阀在实际运行中晶闸管的最高结温，因此必须通过辅助加热回路对单阀进行加热，并且要求撤除加热回路到主冲击施加的时延小于100ms。
3.1 单阀冲击试验回路
单阀冲击试验回路如图3所示。
C1—发生器主电容；R—电阻；Rf—波头电阻；D1—硅堆；Rt—波尾电阻；DS—直流源；R01、R02—电阻分压器；DS1—直流源；IPV—峰值电压表；C2—发生器主电容；DS0—数字示波器；Rf1—波头电阻；r—分流器；Rt1—波尾电阻；Cs—电容器；T0—试品；C0,R0—冲击电压分压器
图3 单阀冲击试验回路
图3中，虚线部分为辅助加热回路，是在单阀雷电冲击和陡波前冲击试验中使用的直流电源加热回路。为了减少施加在试品上的应力次数，安全有效地进行冲击试验，掌握试品冲击调波方法对于实施冲击试验非常重要。常规高压电器产品的电容为几百至几千pF，其冲击试验调波方法可以通过简单的经验公式得到。而对于换流阀这样的复杂网络负荷，冲击试验调波中非线性因素很多，没有简单的经验公式可以依据，要靠建模和计算机分析等手段得到其调波方法。对于含有多个储能元件的电路,分析计算的方法比较成熟，可以采用电路仿真计算软件来分析，当前PSCAD、EMTDC、MATLAB等软件均可用来分析仿真计算复杂电路。在应用计算机软件仿真帮助分析计算复杂电路时，计算结果的真实性关键在于杂散参数的选择。
3.2 单阀冲击电位分布测试
为验证换流阀单阀内部晶闸管层冲击电位分布的均匀程度，IEC 60700－1要求进行单阀的冲击电位分布测量，可选取至少4个晶闸管层进行测量，施加电压峰值不小于耐压试验电压值的50%，并要求测量仪器不能影响阀体的电位分布。冲击电位分布测量系统的高压探头应采取超小型结构［5］，虽然测量电位差不大（约为几kV），但探头本身有可能处于高达几十至上百kV的高电位。为了把电阻型传感器输出的信号有效地传送到处于地电位的信号处理计算机上，因而采用光导纤维传输，以满足电气绝缘的要求，同时光束又几乎不受寄生电磁场干扰的影响。电位分布测量试验布置如图4所示。
图4 电位分布测量试验布置图
光电测量系统采用的是Nicolet公司的69xI系列光电隔离测量系统，其主要参数如下：输入阻抗1MΩ，50pF；四通道；带宽>5MHz；输入范围±100mV～±100V；直流不确定度0.1%。
该系统的参数可以满足测量雷电冲击全波的要求。表2列出了测得的4个晶闸管层上冲击电位分布的部分结果。
表2 冲击电位分布测量结果
晶闸管编号
1号
30号
60号
90号
冲击电位分布
操作冲击
0.8
0
1.2
1.9
不均匀度/%
雷电冲击
2.6
3.1
0.4
6.1
测量结果表明，对于操作冲击电压激励，换流阀内部的电位分布比较均匀；而对于雷电冲击，随着波形陡度的增加，电位分布的不均匀程度明显增加，这是由换流阀在不同陡度冲击作用下自身杂散参数不同所导致的，可见随着陡度的增加，杂散因素的作用在增大。阀设计时，采用的均压措施已充分考虑到现场杂散参数的影响，利用晶闸管层上并联的均压电容、组件上串联饱和电抗器，以及阀体的屏蔽罩设计等都可以减小或补偿杂散参数的影响。设计要求操作冲击电位分布不均匀度小于5%，雷电冲击电位分布不均匀度小于10%。试验结果证明，该阀的设计满足要求。
4 结束语
±500kV换流阀绝缘型式试验是目前国际上最高电压等级的换流阀绝缘试验，不同于ABB的双重阀试验，它采用完整的四重阀进行试验，能够更真实地模拟实际工况。冲击试验是换流阀绝缘型式试验中的难点，对试验回路及设备的要求很高，试验难度很大。试验结果表明，该阀的内部参数设计满足了技术要求。
这是我国第一次进行这种大型的试验，它表明换流阀的国产化在不断深入的同时，已开始向更广泛的领域发展。因此，本次试验的意义不仅在于考核换流阀的设计、部分国产件的绝缘水平，及真实四重阀结构换流阀的绝缘水平，还在于实现了±500kV换流阀试验技术的国产化，为开发换流阀产品打下了良好的试验基础。这次试验为直流换流阀产品国产化提供了试验平台，为进一步制定直流换流阀试验国家标准积累了试验数据，也为今后开展±800kV换流阀绝缘试验积累了经验。
±500kV HVDC换流阀冲击试验的完成，填补了我国在该领域的空白，标志着国内换流阀绝缘试验已达到了国际水平。
5 参考文献
［1］ 戴熙杰. 直流输电基础［1］. 北京：水利电力出版社，1990.
［2］ IEC 60700－1. Thyristor valves for highvoltage direct－current(HVDC)power
transimission－Part 1:Electrical testing［S］. 1998.
［3］ Tanabe S. Recent technical advancement of thyristor valve for HVDC
transmission system［A］. Proceedings of the International Conference on Energy
Management and Power Delivery. EMPD［C］,1995(1): 394～398.
［4］ Tanabe S. Kobayshi S. Discussion of thyristor characteristic optimization
for HVDC valves［J］. Electrical Engineering in Japan. 1999,128(3)：43～52.
［5］ 赵中原，邱毓昌，王建生，等.高压换流阀组件冲击电压测量用高压探头的研制［J］. 高电压技术，2002，28（10）：1～2.
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