（1. 中国电力科学研究院，北京市 海淀区102200；2. 全球能源互联网研究院，北京市 昌平区102211；3. 中电普瑞电力工程有限公司，北京市 昌平区 102200；4. “先进输电技术”国家重点实验室，北京市 昌平区102211；5. “大功率电力电子”北京市重点实验室，北京市 昌平区102211）
摘要：为满足洲际能源互联应用要求，迫切需要电压±1100kV等级的特高压直流换流阀技术。本文针对±1100kV等级换流阀研发需求，依托国网重点实验室——电力系统电力电子实验室，提出了多重阀绝缘试验能力的提升方法。通过对换流阀特性的分析提出了适用于多重阀直流、操作及雷电冲击的新型等效负载拓扑，完成了±1100kV等级等效负载研制；并依据实验室现有条件，分析了直流及冲击试验装置屏蔽罩表面电场分布，提出了场强抑制措施，包括优化实验室屏蔽系统和改善屏蔽罩曲率半径，并给出了相关试验结果。
关键词：直流换流阀；等效负载；冲击装置；直流装置
0 引言
为充分利用清洁能源从而统筹解决能源和环境问题，国家电网公司提出了依托特高压交直流和智能电网技术发展全球能源互联网的概念。其中洲际互联涉及的南北极风能、赤道太阳能等清洁能源向负荷中心传输距离可能达到4000km，而现有±800kV/5000A特高压直流输电技术经济输送距离不超过2500km，亟待开发面向洲际互联应用的更高电压等级、更大容输送量的直流输电技术[1-3]。
目前±1100kV特高压直流工程输送容量达12GW，经济输送距离达5000km，是洲际互联应用的必然选择。换流阀是直流输的关键设备，其可靠性在很大程度上决定了直流系统的稳定性，完备的型式试验是完成换流阀产品定型，确保产品质量和运行可靠性最为重要的方法，可检测换流阀的绝缘特性及运行性能 [4-5]。
1 电力系统电力电子实验室
1.1 升级前试验能力
实验室是国家电网公司建设的电力电子设备的专业实验室，具有常规直流换流阀及柔性直流换流阀、直流断路器等的型式试验能力。实验室的布置如图1所示。
升级前实验室试验装置及参数如表1所示，满足±800kV换流阀绝缘型式试验的需求[5-6]。
对比表1、2可知，实验室内直流及冲击绝缘试验装置满足±1100kV换流阀多重阀绝缘试验需求，但多重阀绝缘试验用等效负载仅能满足800kV工程；同时由于多重阀操作冲击试验电压接近临界饱和区，实验室空间能否满足试验要求亟待开展研究。
2 ±1100kV换流阀用等效负载研制
±1100kV换流阀多重阀(multiple valve unit，MVU)绝缘试验电压等级最高，试验实施难度大，其主要目的是考核多重阀外绝缘的性能、单阀间的耐压能力及局放水平是否满足要求[7-8]。
由于实验室空间及悬吊系统限制，无法悬吊多个阀塔 [9-13]。本文运用等效负载的方法，即仅悬吊1个最高电位的阀塔作为试品，其它阀塔采用等效负载进行模拟，如图2所示。
2.2±1100kV等效负载电气参数设计
1）操作冲击试验等效负载参数设计
多重阀（MVU）操作冲击试验中，阻尼回路参数主要决定了电压分布，为保证等效负载上分得的试验验电压的2/3，需选取R1的值为阀阻尼电阻的2倍，C1的值取阀内电容的1/2。
2）直流试验等效负载参数设计
在直流电压下，理论上R与试品阀直流均压电阻Rdc决定各自承受的电压。但与其形成并联关系的阀支架水路等效电阻RZ将影响其与试品阀的分压。试品阀内的水路等效电阻RC对分压关系的影响也需考虑。
因此R需满足式（1）。
G冲击电压发生器；C1、C2电容分压器；VM测量单元；TO二重阀；C3、C5杂散电容；C4附加电容；EL等效负载； C6电容分压器
图4 多重阀（MVU）雷电冲击试验电路
Fig. 4 Circuit for switching impulse voltage tests of MVU
因此为消除分压器及杂散电容的影响，可在试品阀并联补偿电容C4。使其容值为C,5、C6并联的1/2，并保证其远大于试品阀杂散电容，从而抵消杂散电容的影响。
3 绝缘试验空间优化关键技术研究
3.1冲击电压试验装置优化
若严格控制屏蔽罩表面电场强度，完全抑制屏蔽罩电晕放电，可避免长空气间隙的击穿放电[16-18]。因此，可以通过优化空气净距和本体屏蔽罩的方式改善设备表面场强，使其满足±1100kV换流阀试验。
冲击设备水平移动可实现空气净距优化，但由于装置对顶距离仅有15m，距离周围墙壁的水平距离超过15m后，就无法再改善表面电场。
另一种改变电场强度的方法是调整屏蔽罩的半径，表面场强优化程度随半径的变化规律可通过电磁场数值计算得出，屏蔽罩模型如图5所示。
3.2直流耐压试验装置优化
直流耐压装置在实验室内空间电场仿真分析模型如图7，在1795kV电压下装置最高电场强度约为22kV/cm，低于空气击穿场强30kV/cm。但由于原大厅顶部存在的局部尖端等因素无法在软件中模拟，需采用实际试验对仿真结论进行验证。
试验表明，在电压达到1842kV时装置对顶部钢梁产生了放电，实验室不满足±1100kV换流阀多重阀直流耐压试验需求。为此，结合试验结果，对实验室顶部进行了升级改造，使整个大厅顶部形成屏蔽整体平面。
改造后，重复相关试验，电压升高至1900kV未发生击穿等现象，证明实验室顶部屏蔽改造后，直流装置满足±1100kV换流阀试验需求。
4 试验验证
为验证升级后的实验室是否满足要求，针对±1100kV换流阀塔进行了绝缘型式试验。
±1100kV直流换流阀阀塔由两个单阀组成，如图8所示。每个单阀含有5个模块，由81个晶闸管与10台饱和电抗器串联组成。
±1100kV换流阀在实验室顺利通过多重阀试验，操作冲击试验波形如图9所示。
5 结论
±1100kV换流阀多重阀绝缘试验顺利完成，表明：
1、采用新型的等效负载拓扑及电容补偿方法，可准确模拟换流阀电气特性，并消除了杂散电容及分压器对的影响，使其与试品阀分压更为理想。
2、实验室屏蔽系统和屏蔽罩曲率半径的优化，使直流设备、冲击装置及实验室空间完全满足±1100kV换流阀绝缘型式试验需求。
3、实验室试验能力的升级，为更高电压等级换流阀的研制工作奠定了试验基础。
参考文献
[1] 刘振亚.全球能源互联网[M]．北京：中国电力出版社，2015：179-193．
[2] 杨青. 如何构建全球能源互联网[J]. 能源评论，2014，9(9)：22-27．
[3] 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．
[4] 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试验[J]. 南方电网技术，2012，6(6)：67-71．
[5] 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．
[6] 张小勇，李博，李侠，等．基于模拟负载法±800 kV换流阀多重阀绝缘试验技术研究[J]．高压电器，2012，48(5)：20-25．
[7] 田方，黎小林，黄莹，等．云广直流输电工程换流阀多重阀单元型式试验研究[J]．南方电网技术，2009，3(6)：40-43．
[8] 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．
[9] 陆建挺，张小勇．基于等效负载的特高压换流阀MVU直流电压试验技术研究[C]．输变电年会，2012，248-254．
[10] 蔡宣三，高越农．可控饱和电抗器原理、设计与应用[M]．北京：中国水利水电出版社，2008．
[11] 刘士利，魏晓光，曹均正等. ±1100kV特高压直流换流阀冲击电压试验能力研究 [J]. 中国电机工程学报，2013，33(28)：161-167．
[12] 査鲲鹏，刘远，王高勇等. ±1100kV特高压换流阀直流耐压试验方法研究 [J]. 电工技术学报，2013，28(1)：88-93．
[13] 查坤鹏，王高勇，高冲.特高压直流换流阀试验能力提升技术 [J]. 电力建设，2015，36(9)：62-68．
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
刘之方(1977—)，男，硕士，教高，主要从事高电压技术方面的研究工作
查鲲鹏(1977—)，男，博士，教高，主要从事直流输电技术、高电压技术、大功率电力电子技术方面的研究工作
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
刘远(1984—)，女，硕士，工程师，主要从事直流换流阀、直流断路器等设计及其试验技术方面的研究工作
王秀环(1984—)，女，硕士，工程师，主要从事特高压直流换流阀、柔性直流换流阀等产品研制及其试验技术方面的研究工作
论文作者:周军川1 2 3 4,刘之方1,查鲲鹏3,宗文志2 4
论文发表刊物:《电力设备》2017年第7期
论文发表时间:2017/6/30
标签：负载论文; 电压论文; 实验室论文; 屏蔽论文; 电容论文; 技术论文; 装置论文; 《电力设备》2017年第7期论文;