巴西美丽山I期工程换流阀绝缘型式试验.DOC

1、 巴西美丽山 I期工程换流阀绝缘型式试验 周军川 1 2 3，魏晓光 1 2 3，王高勇 1 2 3，宗文志 1 2 3 （ 1. 全球能源互联网研究院，北京市 昌平区 102211； 2. “先进输电技术”国家重点实验室，北京市 昌平区 102211； 3. “大功率电力电子”北京市重点实验室，北京市 昌平区 102211） 摘要： 巴西美丽山 I 期特高压直流工程是我国在海外中标的首个特高压输电项目，也是我国首次承担单 12 脉动结构型式的特高压换流阀型式试验，试验难度极大。本文对巴西美丽山 I 期特高压直流工程换流阀绝缘型式试验进行了介绍 ，针对试验实施中存在的试验设备保护、杂散参数影响

2、分压等问题，提出了试新的验方法，给出了试验电路拓扑，并给出了相关试验结果 。 关键词 ： 巴西美丽山 I 期工程 ； 单 12 脉动换流阀 ； 绝缘试验 Dielectric Type-Test of Thyristor Valve for Belomonte Transmission Project ZHOU Junchuan1 2 3, WEI Xiao-guang1 2 3, WANG Gaoyong1 2 3, ZONG Wenzhi1 2 3 (1.SGRI, Cha ngping District, Beijing 102211, China; 2. Advanced Power

3、Transmission Technology, State key laboratory, Changping District, Beijing 102211, China; 3. Power electronic laboratory, Key laboratory of Beijing, Changping District, Beijing 102211, China) ABSTRACT: Brazil Belomonte Transmission I Project is Chinas successful bidder in the first ultra-high voltag

4、e transmission project, but also for the first time in China to assume a single 12 pulse type of ultra-high valve type test, the test is extremely difficult. The paper introduces the dielectric type test of the converter valve in the Belomonte I Project, and puts forward a new test method for the pr

5、otection of the test equipment and avoid the influence of the spurious parameters on the test. The circuit topology and test results for the project will be presented. KEY WORDS: Belomonte Transmission I Project; single 12 pulse thyristor converter valve; dielectric test 0 引言 2014年 2月国家电网公司成功中标巴西美丽山

6、I 期特高压直流送出项目，这是我国在海外中标的首个特高压输电项目，也是美洲第一条特高压直流输电线路，标志着中国特高压技术“走出去 ”取得重大突破 1-2。 该工程起于巴西北部的帕拉州，至于巴西南部的米纳斯州，线路全长 2084km，额定电压 800kV，输送容量 4000MW，直流送、受端换流站分别基于现有的 500kV 欣古和埃斯特雷图都变电站扩建形成 3。该工程的核心设备 直流换流阀采用西门子公司的产品。 2016 年，西门子公司委托全球能源互联网研究院（以下简称联研院）开展该工程换流阀的绝缘型式试验，这是我国首次承担在国外生产的特高压换流阀的型式试验。同时由于该工程采用每极单 12脉动阀

7、组接线方式 3，造成绝缘试验试品用二重阀塔晶闸 管串联级数多、体积重量庞大，与我国特高压工程普遍采用的双 12 脉动串联的换流阀存在较大差异，给试验实施带来了巨大挑战。 1 电力系统电力电子实验室 电力系统电力电子 实验室 （以下简称实验室）是隶属于国家电网公司的北京市重点 实验室， 主要开展 FACTS、特高压常规直流及柔性直流换流阀、直流断路器等大功率电力电子设备的研发试验及型式试验工作。该实验室划分为 2 个试验大厅，其中 54m27m16m 的大厅主要完成运行试验，54m44m 30m 的大厅主要用来完成绝缘试验，实验室的布置及外观分 别如图 1 和图 2。绝缘试验区内有 1 个专门用

8、于换流阀吊装的悬挂系统，最大承重为 40t4-7。 2 辅助设备区 HVDC 阀 绝缘试验区 辅助建筑区 F ACT S 阀试验区 HVDC 阀 运行试验区 5 4 m5 4 m44m27m图 1 电力系统电力电子 实验室布置 Fig. 1 Layout map of the power system power electronic laboratory（ PSPEL） 图 2 电力系统电力电子实验室外观 Fig. 2 The Appearance of the PSPEL 实验室内常规直流换流阀的绝缘和运行试验能力如表 1 所示 8-9，完全满足 800kV/5000A 换流阀试验需求。目

9、前实验室已成功完成锦屏 -苏南800kV/4500A、哈密 -郑州 800kV/5000A、厦门320kV/1000MW 等多个 重大 特高压直流和柔性直流 工程换流阀、及舟山 200kV 直流断路器的型式试验。 表 1 常规直流阀的试验设备及参数 Tab. 1 HVDC thyristor valve test equipment and parameters 试验类型 试验设备名称 试验能力 运行试验 高电压设备 80kV(峰值 ) 直流电流设备 DC 7500A 故障电流设备 62kA（峰值） 冲击电压设备 800kV 绝缘试验 交流 耐压 设备 600kV， 5A 直流 耐压 设备 2

10、400kV， 0.3A 冲击电压设备 (包括非周期触发试验 ) 3600kV， 450kJ 最大电压陡度du/dt1200kV/us 等效负载 1100kV 等级 2 试验对象及项目 2.1 试验对象 巴西美丽山 I 期工程试品阀为一个二重阀塔，如图 3 所示，由两个单阀串联组成，采用并联水路，悬吊式布局 。 每个单阀包括 5 个阀模块，由 110 个5 英寸 光 触发 晶闸管级组成（包括 4 个冗余晶闸管级）， 额定电压 8kV，布置在 10 个阀组件中， 每阀组件包含 11 个晶闸管级和 2 个饱和电抗器 10。 图 3 试品阀阀塔照片 Fig.3 The Appearance of th

11、e test object valve tower 换流阀电气回路主要包括与晶闸管元件并联的阻尼回路 Rd、 Cd 和直流均压电阻 Rdc以及与晶闸管组件串联的饱和电抗器，还包括并联在模块两端的均压电容 Cg。电气原理如图 4 所示，试品阀电气参数见表 2 所示。 LC dR dR d cC g图 4 换流阀 电气原理图 Fig.4 The equivalent circuit of Valve 表 2 试品 阀 电气 参数 Tab. 2 HVDC test object valve parameters 电阻Rd 电容 Cd 电阻Rdc 饱和 电 抗器 L 均压电容Cg 7920 0.009

12、F 103400 k 22.8 mH （不饱和电感） 0.55nF 2.2 试验项目及参数 换流阀的绝缘型式试验是检验换流阀设计的重要部分，可以检验换流阀内外绝缘的耐电压能力及 局放水平、均压特性、电气特性设计是否合理等 11-12，是确保产品质量和运行可靠性最为重要的手第 34 卷 第 0 期 电 网 技 术 3 段之一。 根据相关标准及型式试验技术规范，此次美丽山 I 期工程换流阀绝缘型式试验的项目及参数见表 3 所示 13。主要包括 阀支架及多重阀的直流耐压及操作、雷电、陡波前冲击试验，和单阀的交流、直流（含湿态）、操作（含湿态）、雷电（热阀）、陡波前（热阀）试验。 表 3 绝缘试验项目

13、及参数 Tab. 3 Items and parameters of dielectric tests 绝缘 试验项目 试验 参数 阀支架 直流耐压（ kV） 677 /533 操作冲击电压（ kVpeak） 1205 雷电冲击电压（ kVpeak） 1341 陡波 前冲击电压（ kVpeak） 1341 多重阀 直流耐压（ kV） 1355 /1066 操作冲击电压（ kVpeak） 1825 雷电冲击电压（ kVpeak） 2035 陡波 前冲击电压（ kVpeak） 2135 单阀 直流耐压（ kV） 640 / 320 交流耐压（ kVrms） 551.7（ DC 54） / 386

14、操作冲击电压（ kVpeak） 857 热阀 雷电冲击电压（ kVpeak） 857.9 热阀 陡波前冲击电压（ kVpeak） 895 湿态 直流耐压（ kV） 640 / 320 湿态 操作冲击电压（ kVpeak） 857 对比表 1 和表 3 可以看出实验室内的交流、直流及冲击试验设备满足换流阀绝缘试验需求，但等效负载设备是为满足国内双 12 脉动系统结构换流阀多重阀试验设计，其是否满足单 12 脉动结构的换流阀多重阀试验还需仔细分析。 此外，按照型式试验规范要求多重阀冲击试验时需对阀进行补能，补能电压为 10kV，但冲击试验电压超 1800kV，如何协调超高电压的 冲击电源和 低电压

15、 补能电源的配合 保护，是本次试验面临的关键 问题 。 试品阀两端并联有均压电容，其在多重阀雷电、陡波前冲击等快波下会极大影响其与等效负载的分压，如何消除其影响保证电压分布的一致性是试验实施中面临的又一挑战。 4 型式试验的实施 4.1 阀支架绝缘型式试验 阀支架主要包括悬吊绝缘子、光纤及其附件、顶部水管等器件，试验时需将换流阀内饱和电抗器、晶闸管等电气元件短接，试验拓扑如图 5 所示。 直 直/ 直直 直直直直直直 直 直直 直直 直 直直 直 直直 直 直 直 直图 5 阀支架试验电 路 Fig.5 Circuit of valve support tests 4.2 多重阀绝缘型式试验

16、多重阀 (multiple valve unit， MVU)试验在绝缘试验中试验参数最高，同时涉及到不同试验项目下阀塔与等效负载的分压、试品阀的补能等多方面，试验难度极大。 4.2.1 等效负载参数 根据标准要求多重阀试验对象为 完整四重阀，但 实验室 内的 空间 及悬挂系统 只 允许悬吊一个二重阀 。本次试验 采 用 等效负载 模拟未悬吊的二重阀 ，使试品阀 耐受正确的电压应力 。 实验室现有等效负载由多个图 6 所示电气拓扑结构的 最小单元构成，各单元可灵活选择串联级数， 等效负载整体参数详见表 4 14-15。 R1、 C1 等效图 4 中的 Rd、 Cd， R 等效 Rdc， L1 并

17、联 RL 模拟饱和电抗器 L，其中 RL 等效 饱和电抗器 的铁损效应 16。 L 1C 1R 1RR L图 6 等效负载结构拓扑图 Fig.6 HVDC equivalent load structure 表 4 等效负载电气 参数 Tab.4 Equivalent load parameters R1 C1 R L1/RL 9720 0.0062F 88000 k 50 mH/20k 单 12 脉动结构型式的多重阀试验中， 等效负载上分得的 理想 试验电压是二重阀本体的 1/2 倍，则等效负载各部件参数应选择试品阀的一半（或一倍）。对比表 3、表 4 可知除均压电容 Cg 外，现有等效负载

18、参数满足试验需求，本次试验用等效负载参数如表 5，其中试品阀的均压电容 Cg 由等效负载对地的杂散参数及电容分压器近似等效。 表 5 多重阀试验用 等效负载 参数 Tab.5 Equivalent load test parameters of Belomonte MVU test R1 C1 R L1/RL 4 3960 0.018F 51700 k 11.4 mH/5k 由于试品阀在不同试验下对外呈现的电气特性不同，在试验实施过程中为保证分压比满足要求，等效负载参数选择主要依据起主要作用的器件参数决定，其它参数可不做限制。如在直流试验时主要满足电阻 R 的参数，同时兼顾 阀水冷系统阻抗对分

19、压的影响； 操作冲击试验主要满足 C1 的参数；雷电冲击满足 R1、 L1、 RL 及杂散电容参数。 4.2.2 直流耐压试验 进行直流电压试验时需考虑水冷系统等效电阻对试品阀与等效负载分压的影响，将水冷 系统电导率控制在一定区间，试验电路如图 7 所示。 分压器直 流 耐 压装 置保 护 电 阻试 品 阀等 效负 载图 7 多重阀直流耐压试验电路 Fig. 7 Circuit of DC withstand voltage test for MVU 4.2.3 操作冲击试验 由于多重阀操作冲击试验电压高达 1800kV 以上，若采用开关对补能电源进行隔离保护，则开关的造价及占地面积过大，经济

20、性不足。联研院采取了球隙与 R-C 回路 （含避雷器）结合的方式 保护冲击 电压发生器 和 交流 补能电源，试验电路如图 8 所示。 利用球隙隔 离交流补能电压不施加在冲击发生器上， R-C 保护回路削弱施加在补能源上的冲击电压应力。该保护方法同样适用于多重阀雷电及陡波前冲击试验、单阀冲击试验中的电源保护。 直直直直 直 直 直直 直 直 直 直 直直 直直 直 直 直 直 RCR - C 直 直直 直直直直直 直直 直图 8 多重阀操作 冲击试验电路 Fig. 11 Circuit for switching impulse test of MVU 多重阀操作冲击试验波形如图 9 所示，试验

21、过程中试品阀未出现闪络或击穿等放电现象，交流补能源状态正常，未发生损坏。 图 9 多重阀操作冲击试验波形 Fig. 9 The wave of multi-valve unit switching test 4.2.4 雷电及陡波前冲击试验 为减少在多重阀雷电及陡波前冲击试验中试品阀均压电容、杂散电容对等效负载与阀的分压关系影响，采取在等效负载两端并联分压器、试品阀两端并联补充电容器的方法，通过调整分压器及补偿电容的大小保证换流阀与等效负载的分压，试验拓扑如图 10 所示。 直直直直 直 直 直直 直 直 直 直 直 直 直直 直 直 直 直 R - C直 直直 直直 直直 直C1C3C2C4

22、CgCg均压电容； C1试品阀杂散电容； C3等效负载杂散电容；C2附加补偿电容； C4电容分 压器 图 10 多重阀雷电冲击试验电路 Fig. 10 Circuit for lighting or step-front impulse voltage tests of multi-valve unit 多重阀雷电及陡波前冲击试验波形如图 11、 12所示，从图中可以看出等效负载分得试验电压的1/3，波形良好，该试验方法可有效消除杂散电容及试品均压电容的影响，且试验过程中试品阀未出现闪络或击穿等放电现象，满足试验需求。 试 验 电 压等 效 负 载电 压图 11 多重阀雷电冲击电压波形图 Fi

23、g. 11 Waveforms at lighting impulse test of MVU 第 34 卷 第 0 期 电 网 技 术 5 试 验 电 压等 效 负 载电 压图 12 多重阀陡波前冲击电压波形图 Fig. 12 Waveforms at step-front impulse test of MVU 4.3 单阀绝缘型式试验 单阀绝缘试验需 将 阀塔上的 一 个单阀 短接接地，并将 试品 单 阀中的冗余晶闸管 短接 ， 等效换流阀 在全部冗余晶闸管均失效的情况下 仍能 可靠稳定 运行。 单阀交流耐压试验采用交直流叠加的方式完成，以准确模拟直流系统出现甩负荷等暂态工况时换流阀承受

24、的带少量直流偏置的交流过电压应力。试验拓扑如图 13 所示，在直 流耐压装置两端并联保护电容，用以减小直流耐压装置两端的交流电压应力，保护直流耐压装置，其容值远高于单阀阻尼电容容值。 直 直直 直直 直直 直直 直直 直 直直 直直 直直 直图 13 单阀交流耐压试验电路 Fig. 13 Circuit for AC voltage tests of a single valve 对单阀进行 直流耐压和 冲击试验时 ，采取与多重阀试验基本一致的试验拓扑，其中针对雷电及陡波前冲击试验要求的热阀工况，运用水冷系统对阀加热的方式实现。 5 结论 巴西美丽山 I期工程是我国首次开展 单 12脉动结构型

25、式的特高压换流阀绝缘型式试验，对试验回路及设备的要求高、技术难点多、试验难度大。试验的顺利完成表明： 1、电力系统电力电子实验室具备承担国外特高压直流工程换流阀型式试验能力的能力，可为其进一步研究提供试验支撑。 2、实验室现有等效负载可满足单 12 脉动结构型式的特高压换流阀多重阀试验要求； 3、提出的 RC 及球隙结合的保护方法，满足多重阀冲击试验要求； 4、采用的电容补偿方法， 消除了杂散电容及试品阀补偿电容对分压关系的影响，使试品阀与等效负载分压关系更为理想 。 参考文献 1 王为民特高压： 我们来自中国创造 J国家电网， 2014， 8： 46-49 2 巴西美丽山特高压输电项目奠基仪

26、式成功举行 J设备监理，2015， 4： 80 3 程改红，殷威杨巴西美丽山特高压直流输电系统设计特点 J中国电力， 2015， 48(7)： 22-30 Cheng Gaihong， Yin Weiyang design of belo monte UHVDC transmission project in Brazil， 2015， 48(7)： 22-30 4 查鲲鹏，温家良，高冲，等特高压直 流换流阀试验能力建设 C/ 2009 特高压输电技术国际会议，北京， 2009 ZHA Kunpeng， WEN Jialiang， GAO Chong， et al Study of Testi

27、ng Ability for UHVDC Valves C UHV， 2009 5 査鲲鹏，温家良，王高勇，等灵宝扩建工程 6 英寸换流阀的设计和试验 J电网技术， 2010， 34(12)： 136-141 Zha Kunpeng， Wen Jialiang， Wang Gaoyong， et al Design and type test of 6-inch valve for Lingbao II project J Power System Technology， 2010， 34(12)： 136-141 6 曹均正，汤广福，王高勇等 . 1100kV 特高压直流输电换流阀研制及型式

28、试验 J. 南方电网技术 ， 2012， 6(6)： 67-71 CAO Junzheng， TANG Gangfu， WANG Gaoyong， et al The Development and Type Test of Converter Valve for 1100kVUHVDC Transmission J South Power System Technology， 2012， 6(6)：67-71 7 Xu Weihua， Cao Junzheng， Wei Xiaoguang， Zha Kunpeng， et al The Development and Type Test o

29、f 1100kV/5000A UHVDC Valve C APPEEC， 2012 8 Gao Chong， Zha Kunpeng， Tang Guangfu， et al Upgrade Test Capability for 800kV6250A and 1100kV5454A UHVDC Valve C Powercon， 2014 9 Wang Gaoyong， Gao Chong， Zha Kunpeng， et al 1100kV UHVDC Converter Valve Type Test Capacity Upgrade C HVDC， 2015 10 Siemens AG

30、 Thyristor Valves and Associated Equipment Dielectric Type TestsR Munich Germany： Siemens AG， 2015 11 GB/T 20990.1 2007 高压直流输电晶闸管阀 第一部分：电气试验 S 12 IEC 60700 1 Thyristor valves for high voltage direct current (HVDC) power transmission， Part 1： Electrical TestingS 13 全球能源互联网研究院 Thyristor Valve for Use

31、in HVDC Transmission type Test Report for Siemens AG R北京：全球能源互联网研究院， 2015 14 彭玲，杨晓楠，王高勇，等 660 kV 直流输电工程换流阀绝缘试验研究 J电力建设， 2011， 32(7)： 34-38 Peng Ling， Yang Xiaonan， Wang Gaoyong， et al Thyristor Valve Isulation Test Research for 660 kV HVDC Transmission Project J Electric Power Construction， 2011， 32

32、(7)： 34-38 15 魏晓光，王高勇，宗文志，曹均正 1100 kV 特高压直流换流阀多重阀绝缘试验用宽频等效负载研制 J智能电网， 2013， 1(2)：70-75 Wei Xiaoguang, Wang Gaoyong, Zong Wenzhi, Cao Junzheng Developed for the Equivalent Load for 1100 kV UHVDC 6 Convertor Valve MVU Insulation Type TestingJ Southern Power System Technology， 2013， 1(2)： 70-75 16 J.Ca

33、o, C.Davidson and S.Moulson Dynamic modeling of saturable reactor for HVDC applicationsJ IET Sci.Meas.Technol ，2007,1,(3) ， pp.138-144 作者简介： 周军川 (1977 )，男， 硕 士 研究生 ， 高工 ，主要从事直流 换流阀、柔性直流换流阀等大功率电力电子试验 技术方面的研究工作 魏晓光 (1976 )，男，博士， 教高 ，主要从事直流 换流阀 、 直流断路器、柔性直流换流阀等 大功率电力电子技术方面的研究工作 王高勇 (1983 )，男，硕士， 高工， 主要从事 直流 换流阀 设计及 试验研究 、直流断路器试验技术研究工作 宗文志 (1983 )，男， 硕 士， 工程师 ，主要从事直流 换流阀设计及试验 技术方面的研究工作