摘要：换流阀作为换流站中的关键设备，能实现交流电与直流电之间相互转换。换流阀控制系统主要功能是触发、监视和保护换流阀。以±800kV特高压东方换流A5000换流阀为背景，介绍换流阀控制系统的原理及配置方式，对阀控单元及晶闸管控制单元的重点功能进行详细分析。针对实际运行中需要重点关注的阀控接口信息，给出归纳与总结，为今后换流阀系统的运行维护及消缺处理提供参考。
关键词：特高压直流输电系统；换流阀；晶闸管；换流阀控制；接口技术
特高压直流输电技术是指采用直流电压进行输电的技术。直流输电作为特高压输电的一种形式，是目前解决高电压、大容量、远距离输电和电网互联问题的重要手段。随着电力系统的需求扩大和电力电子技术不断发展，特高压直流输电技术日渐成熟，换流站作为特高压直流输电的龙头，其可靠性要求特别高，尤其是换流站的核心元件换流阀，由成千上万个元部件组装，结构复杂，安装难度高。
1.特高压直流输电
1.1特高压直流输电性能特点
特高压直流输电的原理为：发电系统发出交流电，升压后，送电端的换流器将交流电整流为高压直流电，通过直流输电线路将高压直流电输送到受电端，受电端再通过换流器将直流电逆变成交流电，最终送入送电端的交流电网[1]。与交流输电相比，直流输电技术具有线路造价低、输送容量大、输电距离远、控制灵活、节省输电走廊占地的特点。因此我国电力远距离大规模输送必然选择特高压直流输电技术[2]。
1.2主接线方式
我国±800kV特高压直流输电换流阀采用双12脉冲阀串联结构，如图1所示。其电压组合有±400kV+±400kV、±500kV+±300kV和±600kV+±200kV3种方式，一般情况下采用±400kV+±400kV组合。运行中根据需要，双12脉冲阀主接线中需要配置旁路开关，以便根据运行情况而切换运行方式。双12脉冲阀可全电压运行，也可单极全压、单极半压运行。
图1双12脉冲阀组串联结构
2.阀控系统
A5000换流阀控制系统主要由3部分构成：1）控制主机，即CCP，负责换流器触发控制，为每一个单阀生成CP脉冲；2）阀基电子设备，即VBE，VBE将CCP发送的触发信号分发给每个晶闸管的TTM，同时根据TTM发送的换流阀状态信息，对换流阀进行相应的保护操作，1个触发与监测机箱负责触发和监视2个单阀；3）晶闸管触发与监视单元，即TTM，根据VBE命令触发，向VBE回报晶闸管级状态，并为晶闸管提供过电压保护、电流断续保护、恢复期保护。阀控系统总体结构如图2所示。正常运行时，VBE将极控系统触发命令编码后发送给换流阀各块TTM。TTM收到触发脉冲后，且当晶闸管已经承受合适的正向电压，TTM向晶闸管门极发出触发脉冲使其导通；晶闸管级电压达到正向36V且TTM工作电源正常，向VBE发送回报脉冲，代表晶闸管级正常。VBE自检或监测换流阀有任何故障时均发出对应的报警报文。对于不影响换流阀正常运行的异常事件。对该类故障VBE只发出报警报文，不申请切换系统和系统跳闸。
3.换流阀施工技术研究
3.1换流阀的工作原理
换流阀是特高压直流输电中实现整流、逆变功能的重要设备，是特高压直流输电系统中的关键部件，它的运行情况与整个特高压直流系统的稳定运行息息相关。换流阀安装于室内，采用空气绝缘和水冷却方式。换流阀的类型有汞孤阀、晶闸管阀和IGBT换流阀。为满足功率输送要求，变电站大多采用晶闸管阀。换流阀由晶闸管、晶闸管控制单元、阻尼电容、饱和电抗器、阻尼电阻、均压电容、均压电阻等元部件组成。其中，晶闸管是换流阀的核心元件，换流阀的通流能力取决于晶闸管的好坏，将多个晶闸管元件串联可以得到想要的系统电压。
3.2换流阀现场固定方式
目前，常规直流输电换流阀主要采用晶闸管串联方式，为了实现输送容量的要求，需要将大量的晶闸管进行串联连接。为了便于现场安装、试验和运输，换流阀采用模块化设计，不同模块采用一定顺序连接起来，构成一个完整的电气单元。换流阀主要采用户内安装，换流阀在阀厅的固定方式主要包括支撑式和悬吊式两种。
3.2.1支撑式固定方式
支撑式固定方式主要用于输送容量较小的直流输电工程领域，是借助支撑式绝缘子实现结构支撑。在早期的常规低功率直流输电工程中，换流阀阀塔主要采用支撑式的固定方式。支撑式安装简便，对阀厅屋架强度要求不高，但是对阀厅地面基础强度及平整度要求较高；不适合用在地震活动区或抗震要求高的场合；为了增加结构整体稳定性，需要增添更多支柱型绝缘构件，使支撑结构复杂化，阀整体质量增加；支撑式固定方式采用自下而上依次叠层安装，阀塔整体高度相对较低，现场施工作用高度相对悬吊式较低，安装方便，但是随着特高压直流输电的发展，电压等级越来越高，工程需要的模块越来越多，换流阀的高度也逐渐增加，采用该安装方式将不能够满足安装现场对抗震等级的要求。支撑式固定方式以其自身的优点，在电压等级相对较低的轻型柔性直流输电中仍占据主导地位。
3.2.2悬吊式固定方式
目前，国际上先进的换流阀技术在结构上都是采用户内柔性悬吊式结构设计。换流阀悬吊部分的作用主要是将阀塔通过绝缘子连接，组成一个水平方向可任意摆动的柔性结构，以满足抗震要求。该固定方式的特点是阀层间采用具有足够强度的层间悬吊绝缘子，由于连接部分设计有铰链机构，可以有效降低地震波作用下阀塔的内部应力，提高阀塔整体抗震性能，因此，该种安装方式是当前高压直流输电工程主流的固定方式。
3.3VBE与换流阀控制系统信号接口
VBE采用双冗余配置的方案，VBE与CCP系统之间采用“一对一”连接，正常运行中采用“一主一从”的方式。处于主用（ACTIVE）状态的CCP和VBE系统实际负责换流阀的控制并出口闭锁指令，处于备用（SDANDBY）状态的CCP和VBE系统除非不可用，否则必须处于热备用状态，即除不发送触发脉冲至阀塔外，其他触发脉冲产生、回报脉冲产生、保护、报警、闭锁、监视、事件等功能同主用系统相同[5]。处于备用状态的VBE检测到闭锁信号（VBE_Trip）要输出至CCP，但相应的CCP不得输出。主系统故障，自动切换至备用系统。VBE产生的事件、报警信息等通过现场总线直接发送运行人员工作站（OWS）。VBE与CCP系统之间的所有开关量信号均采用光调制信号，VBE通过Profibus总线向事件服务器（SCADA系统）提供阀控系统相关事件信息。
3.4换流阀安装施工技术特点
户内悬吊式阀塔结构设计简单，而且具有良好的抗震性能。换流阀阀塔通过具有柔性结构的悬吊式绝缘子固定在阀厅顶部钢梁处，自上而下依次悬挂屏蔽罩、阀层组件等设备，整个安装过程需要借助电动葫芦和升降平台完成。安装过程主要依赖升降平台把技术人员送至高空中，借助固定在阀厅顶部钢梁上的电动葫芦，吊起地面相关组件，安装人员需在高空中完成阀塔的一系列装配工作。换流阀阀塔主要由对地绝缘子、斜拉绝缘子、阀段、金具、水冷系统及光纤系统等组成，其安装工艺及质量控制有很高的要求。
图2阀控系统总体结构
1）由于输送功率大，换流阀的输送电流较大，金具接头发热风险增大。安装过程中要严格把控安装工艺，搭接面要求平整光滑，无毛刺和凹坑，母线接触面加工后必须保持清洁，并涂以电力复合脂，所有接触面安装完后测电阻，确保电阻值在2μΩ以下。母线的接触面应保持紧密连接，螺栓连接应采用力矩扳手紧固，紧固力矩值应符合设计要求。螺栓紧固采用双线标识法，安装过程中将打完力矩的螺栓用黑色记号笔竖向划线，记录螺栓与螺杆相对位置，项目质检员验收时将所有螺栓力矩值验收，验收合格后用红色记号笔划线，确保每一个螺栓力矩值合格。
2）高空作业多，安全风险高、施工难度大。阀塔采用悬挂式安装，电压等级高，高空作业多，安装作业基本在10m以上高空进行，工作中须采用升降平台进行安装作业。为确保换流阀施工安全、有序地开展，现场升降车，必须有经过培训考试合格后的专人进行操作，其他人员严禁操作；开工前进行施安全技术交底，全员确认工作任务、安全措施、危险点之后方可开工。为保证高空作业人员的人身安全，在阀冷设备主水管安装前，阀厅顶部满铺安全网，对作业人员进行第二重防护。
结论
特高压直流输电所具有的优势决定其在长距离、大容量输电系统中的广泛应用前景。我国能源资源与负荷逆向分布的现实情况以及未来电力需求的巨大空间急切需要发展特高压直流输电技术。特高压直流输电对换流站的工程技术要求很高，换流阀的可以实现交直流的转换，是换流站的技术核心。目前工程施工中针对换流阀的安装难点已有相应的控制方法，但并不完善。相信随着直流工程的发展，换流阀将会更加合理有效的使用在换流站中，为未来特高压直流输电发挥更多的作用。
参考文献
[1]刘振亚.特高压电网[M].北京：中国电力出版社，2005.
[2]李晓黎，陈祖胜.特高压直流输电技术发展综述[J].广西电力，2009，32（1）：23-26.
[3]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.
[4]王艳.一种新型换流阀阀塔现场安装技术[J].新技术新工艺，2015（11）：20-23.
论文作者:李自浩,李玮
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/9
标签：晶闸管论文; 特高压论文; 系统论文; 方式论文; 电压论文; 脉冲论文; 绝缘子论文; 《电力设备》2019年第6期论文;