特高压换流阀内冷却系统对电压分布的影响

张子敬，张 翔，孙 健，赵赢峰，黄 华，方太勋

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京211102）

0 引言

±800 kV 及以上电压等级的特高压直流输电是我国近几年的建设重点，在我国电网的“十二五”和“十三五”规划期间，特高压直流迅速发展，建设了多条±800 kV直流输电工程。换流阀作为直流输电系统中执行交直流变换的关键设备，其性能关乎直流输电工程的运行安全［1-12］。

±800 kV 二重阀塔由两个单阀串联而成，每个单阀由若干个阀组件串联而成，承受阀两端的电压。阀组件的电压分布均匀性是换流阀重要的电气性能之一，如电压分布不均匀容易造成组件内部晶闸管级承受过大的电压应力，并带来电晕噪声等问题［13-14］。目前，针对换流阀电压分布的研究主要集中在阀塔杂散参数对速变电压分布的影响上：文献［15］中重点研究了阀内寄生电容、电感对速变电压分布的影响；文献［16］中通过静电场数值计算获得了准确的杂散参数，进而计算了速变电压在阀内的分布情况；文献［17］中分析影响换流阀冲击电压分布特性的机理，提出配置屏蔽电容、分散式屏蔽系统、饱和电抗器集中布置等均压措施，并进行了验证，文献［18］中研究了冲击电压下阀内电压分布特性及影响因素。换流阀正常运行及绝缘试验时，阀两端均会承受直流电压，试验时阀两端直流电压是额定电压的1.6倍，对阀内组件的直流电压分布性能要求很高。直流电压下的电压分布不仅受直流均压电阻的影响［19-22］，与阀内冷却水管结构和冷却介质的电导率也有关系，本文将对阀内组件直流均压性能受水路的影响开展深入研究。

本文采用EMTDC 仿真软件建模仿真了直流耐压工况下阀塔的组件电压分布情况，计算出其电压不均匀系数。在试验室中对特高压直流换流阀二重阀塔进行了直流电压分布试验并计算其不均匀系数。基于仿真与试验结果提出阀塔冷却水管结构的优化方案，并对改进后的阀塔进行仿真和试验以验证优化效果。

1 换流阀结构和冷却水路介绍

特高压直流换流阀二重阀塔主要由顶屏蔽罩、6个阀层、底屏蔽罩及阀内冷却水管、光缆槽、绝缘子、避雷器等组成，顶屏蔽罩、6 个阀层、底屏蔽罩电气上从上到下依次串联，每个阀层由4 个阀组件串联而成。本文定义上方3个阀层为上单阀，下方3个阀层为下单阀。阀塔整体侧视图如图1（a）所示，阀塔水路图如图1（b）所示。阀层内组件和水管接口布置如图2所示。

图1 阀塔Fig.1 Valve tower

阀塔主冷却回路的水管包括4种：

1）屏蔽罩上方的顶部主水管（Ld）2 根，一端与顶屏蔽罩等电位，另一端接地电位；

2）顶屏蔽罩和最上阀层之间的主水管（Ls1）4 根，两根进、出水管为一组，共两组；上端均与顶屏蔽罩等电位，下端分别与接口1、2和接口3、4相连，其中接口1、2等电位，固定在组件1和组件2中间电位，接口3、4等电位，固定在组件3和组件4中间电位；

图2 阀层内组件和水管接口布置图Fig.2 Layout of assemblies and water pipe interface in the valve layer

3）层间主水管每层4 根（Ls2），分两组，两端的电位分别固定在上、下阀层的组件1、2 中间电位和组件3、4中间电位；

4）组件内分支水管（Lt），每个组件1组。

2 电压分布仿真与试验

2.1 冷却水路电阻计算

水管内冷却水的阻值按照式（1）进行计算：

式（1）中：R 为冷却水电阻（MΩ），L 为水管长度（m），S为水管内径截面（m2），σ为电导率（μs/cm）。

根据式（1）计算得到不同电导率下各段冷却水路的阻值如表1所示。

表1 水管参数及冷却水路电阻值表Table 1 Water pipe parameters and resistance value

表1 中Rd、Rs1、Rs2分别对应水管Ld、Ls1、Ls2单根的冷却水路阻值；Rt对应一组Lt内的冷却水路阻值。

2.2 电压分布仿真

2.2.1 仿真模型建立

直流电压下，可以忽略组件内容性部件和感性部件对电压分布的影响，电压仅按阻性部件分布。组件内阻性部件包括关断状态的晶闸管、直流均压电阻、阻尼回路电阻和分支水路，各组件内阻性部件电气上均为并联结构，单个组件的等效电阻值约为600 kΩ；层间阻性部件包括光缆槽、绝缘子和层间水路，各层间阻性部件电气上也均为并联结构，单根层间光缆槽和绝缘子阻值均高达几十GΩ，阻值远大于表1中所示的层间水路阻值，层间阻值可以仅选取层间水路阻值。直流电压下的模型包括单个组件等效电阻、阀层间水路电阻和阀顶部水路电阻。

根据图1、图2 中的组件和水管布置方式，使用EMTDC 软件搭建阀塔内组件在直流电压下的电压分布仿真模型如图3所示，高压施加在底屏蔽罩上，每个晶闸管组件两端设置测点测量其电压。

图3 中，Rcd为单个组件等效阻值，Rs1和Rs2层间主水管电位连接方式跨接在组件两端；E1～E12为上单阀12个晶闸管组件承受的电压，E1为连接顶屏蔽罩的组件电压；E13～E24为下单阀12个晶闸管组件承受的电压，E24 为连接底屏蔽罩的组件电压，DC 为直流电源。

图3 阀塔内各阀组件的直流电压分布仿真模型Fig.3 DC voltage distribution simulation model

2.2.2 仿真结果分析

在阀塔两端施加240 kV直流电压，上单阀各组件电压仿真结果如图4 所示，下单阀各组件电压仿真结果如图5所示。

图4 直流电压分布仿真结果（上单阀）Fig.4 DC voltage distribution simulation results(up single valve)

图5 直流电压分布仿真结果（下单阀）Fig.5 DC voltage distribution simulation results(down single valve)

定义K1、K2分别为上单阀和下单阀的电压分布不均匀系数，其中不均匀系数为单阀中组件电压最大值与组件电压平均值之比。从图4中可看出，靠近底屏蔽罩的组件电压明显偏大，可知该组件两端的阻值大于其他组件。由图4 数据计算得到，电导率为0.2 μs/cm时，K1=1.053、K2=1.183；电导率达到0.5 μs/cm 时，K1=1.122、K2=1.442。下单阀组件的电压分布不均匀系数明显大于上单阀，组件电压最大值出现在与底屏蔽罩直接相接的阀组件上。

2.3 试验验证

对某特高压工程的换流阀二重阀塔进行直流耐压试验［23-29］，高压施加在底屏蔽罩上，图6所示为试品二重阀塔。采用高压探头测量阀塔内电位分布，目前市场上已有的测量探头最大量程无法满足单个组件电压测量需求，故在阀塔试验时测量不同组件内晶闸管级电压来等效组件的电压。前期研究表明在直流电压下，单个组件内晶闸管级电压不均匀系数约为1。

试验时实测冷却水电导率为0.22 μs/cm，测量24个组件内的晶闸管级电压，用Et1、Et2、…、Et24表示，具体电压分布如表2所示。

表2 中，晶闸管编号的顺序与组件编号的顺序相同。

图6 多重阀直流耐压试验Fig.6 Multi-valve DC withstand voltage test

表2 直流电压分布试验结果Table 2 DC voltage distribution test results

根据表2 中数据计算得到，电导率为0.22 μs/cm时，K1=1.059、K2=1.154；电导率为0.2 μs/cm时，2.2.2节中的仿真结果K1=1.053、K2=1.183，与试验结果数值接近，且编号趋势相同，说明：

1）仿真模型、仿真方法较为准确；

2）相比上单阀，下单阀的组件电压分布明显不均匀。

3 改进设计方案

从图2 数据中可以看出，下阀E22、E23、E24 与其他组件的电压偏差较大导致电压分布不均匀。组件上承受的电压值与该组件的等效阻值大小成正比。靠近底屏蔽罩的组件不均匀系数偏大、电压值明显高于其他位置的电压，是由该处组件的等效阻值高于其他组件组织导致。优化方向是调整该处组件的等效阻值，使其接近其他组件的等效阻值以降低其上承受的电压值，改善电压分布情况。

3.1 改进方案

结合目前阀塔水路结构，对水路结构进行优化，在最下阀层和底屏蔽罩之间增加主水管（Ls3）以降低该处组件等效阻值。改进后的阀塔模型侧视图如图7所示。

图7 换流阀结构图Fig.7 Structure of converter valve

3.2 新增水管方案设计

对增加的主水管参数进行研究，改善电压分布不均匀情况的同时，尽可能不增加阀塔物料数量，预设以下3种方案：

方案1：Ls3与Ls1参数一致，使得阀塔两端并联水路结构和参数对称；

方案2：Ls3与Ls2参数一致，使得下阀各组件两端并联的水阻相同；

方案3：将Ls1和Ls3的参数均改为与Ls2参数一致，使阀塔两端水路对称且各个组件两端并联水阻相同。

4 改进后的仿真与试验验证

4.1 仿真验证

根据改进方案建立仿真模型，如图8所示，Rs3为新增Ls3的阻值。

对3.2 节中的3 种方案分别进行直流电压分布仿真，并计算下单阀电压分布不均匀系数，结果如表3所示。

仿真结果表明：方案1优化效果最明显，本文选择方案1，在最下阀层和底屏蔽罩之间增加主水管，参数与顶屏蔽罩和最上阀层之间的水管参数相同。在冷却介质电导率σ=0.2 μs/cm时，直流电压分布不均匀系数由1.183降低至1.049；在冷却介质电导率σ=0.5 μs/cm时，直流电压分布不均匀系数由1.442 降低至1.113。电压分布均匀性改善明显。

图8 改进后的直流电压分布仿真模型Fig.8 Improved DC voltage distribution simulation model

表3 3种水管改进方案的仿真结果对比表Table 3 Comparison table of simulation results of three water pipe improvement schemes

4.2 试验验证

根据改进方案对原有换流阀塔进行改造并进行试验验证，试验时控制冷却水电导率为0.22 μs/cm，测量24个组件内的晶闸管级电压，并计算电压分布不均匀系数如表4所示。

表4 3种水管改进方案的试验结果对比表Table 4 Comparison table of test results of three water pipe improvement schemes

试验结果表明：方案1优化效果最明显，本文选择方案1，在最下阀层和底屏蔽罩之间增加主水管，参数与顶屏蔽罩和最上阀层之间的水管参数相同。在冷却介质电导率σ=0.22 μs/cm 时，直流电压分布不均匀系数由1.154降低至1.051，电压分布均匀性改善明显。

5 结语

换流阀在直流电压下阀组件电压分布对阀塔稳定运行有较大影响，应引起足够重视。通过本文的系统分析和试验，可以得出如下结论。

阀内电压分布受冷却水路结构影响大，水路设计不合理将造成各个阀组件上的的电压偏差较大，造成安全运行隐患。建立仿真模型对电压分布情况进行仿真，进行真型试验对仿真结果进行对比，验证了模型是可信的。

提出冷却水路优化方案，仿真研究表明电压分布优化效果明显：电导率σ=0.2 μs/cm 时，直流电压分布不均匀系数由1.183降低至1.049；电导率σ=0.5 μs/cm时，直流电压分布不均匀系数由1.442降低至1.113；试验结果表明：电导率σ=0.22 μs/cm时，直流电压分布不均匀系数由1.154 降低至1.051，电压分布均匀性改善明显。

［参考文献］（References）

［1］ 郭贤珊，赵峥，付颖，等.昌吉—古泉±1 100 kV特高压直流工程绝缘配合方案［J］.高电压技术，2018，44（04）：1343-1350.GUO Xianshan，ZHAO Zheng，FU Ying，et al.Insulation coordination scheme for ±1 100 kV UHVDC project from Changji to Guquan［J］.High Voltage Engineering，2018，44（04）：1343-1350.

［2］ 陈堃，宋宇，代维谦，等.高压直流输电技术发展及其工程应用［J］.湖北电力，2018，42（04）：1-6.CHEN Kun，SONG Yu，DAI Weiqian，et al.Development and engineering application of HVDC transmission technology［J］.Hubei Electric Power，2018，42（04）：1-6.

［3］ 刘振亚.特高压直流输电技术研究成果专辑［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［4］ 王莹，蔡德福，董航，等.陕北-武汉特高压直流接入对湖北电网影响分析［J］.湖北电力，2017，41（07）：1-5.WANG Ying，CAI Defu，DONG Hang，et al.Influence of Shanbei-Wuhan UHVDC transmission project on Hubei power grid［J］.Hubei Electric Power，2017，41（07）：1-5.

［5］ 孙昕，刘泽洪，高理迎，等.±800 kV 特高压直流工程创新实践［J］.中国电机工程学报，2009，29（22）：35-45.SUN Xin，LIU Zehong，GAO Liying，et al.Practice and innovation in the±800 kV UHVDC demonstration project［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29（22）：35-45.

［6］ 马为民，樊纪超.特高压直流输电系统规划设计［J］.高电压技术，2015，41（08）：2545-2549.MA Weimin，FAN Jichao.Planning and design of UHVDC transmission system［J］.High Voltage Engineering，2015，41（08）：2545-2549.

［7］ 刘振亚，张启平，董存，等.通过特高压直流实现大型能源基地风、光、火电力大规模高效率安全外送研究［J］.中国电机工程学报，2014，34（16）：2513-2522.LIU Zhenya，ZHANG Qiping，DONG Cun，et al.Efficient and security transmission of wind，photovoltaic and thermal power of large-scale energy resource bases through UHVDC projects［J］.Proceedings of the CSEE，2014，34（16）：2513-2522.

［8］ 张文亮，于永清，李光范，等.特高压直流技术研究［J］.中国电机工程学报，2007，27（22）：1-7.ZHANG Wenliang，YU Yongqing，LI Guangfan，et al.Researches on UHVDC technology［J］.Proceedings of the CSEE，2007，27（22）：1-7.

［9］ 舒印彪，张文亮.特高压输电若干关键技术研究［J］.中国电机工程学报，2007，27（31）：1-6.SHU Yinbiao， ZHANG Wenliang.Research of key technologies for UHV transmission［J］.Proceedings of the CSEE，2007，27（31）：1-6.

［10］ 欧阳文敏，肖万芳，王治翔，等.±800 kV/6 250 A特高压直流换流阀的研制［J］.电网技术，2017，41（10）：3196-3200.OUYANG Wenmin，XIAO Wanfang，WANG Zhixiang，et al.Research and development of ±800 kV/6 250 A UHVDC converter valve［J］.Power System Technology，2017，41（10）：3196-3200.

［11］ 汤广福.高压直流输电装备核心技术研发及工程化［J］.电网技术，2012，36（01）：1-6.TANG Guangfu.R＆D and application of key technologies for HVDC equipment［J］.Power System Technology，2012，36（01）：1-6.

［12］ 袁清云.特高压直流输电技术现状及在我国的应用前景［J］.电网技术，2005，29（14）：1-3.YUAN Qingyun.Present state and application prospect of ultra HVDC transmission in China［J］.Power System Technology，2005，29（14）：1-3.

［13］ 毛艳，邓桃，魏杰，等.±1 100 kV 线路金具电场仿真与电晕特性［J］.高电压技术，2019，45（04）：1137-1145.MAO Yan，DENG Tao，WEI Jie，et al.Electric field characteristic and corona performance of ±1 100 kV power fittings for transmission lines［J］.High Voltage Engineering，2019，45（04）：1137-1145.

［14］ 郎族吉，郝建红，赵录兴.高海拔特高压直流线路可听噪声频域特性研究［J］.湖北电力，2019，43（05）：1-6.LANG Zuji，HAO Jianhong，ZHAO Luxing.Study on frequency domain characteristics of audible noisein UHVDC line at high altitude［J］.Hubei Electric Power，2019，43（05）：1-6.

［15］ 孙海峰，崔翔，齐磊，等.高压直流换流阀过电压分布及其影响因素分析［J］.中国电机工程学报，2010，30（22）：120-126.SUN Haifeng，CUI Xiang，QI Lei，et al.Overvoltage distribution in HVDC converter valves and analysis of influencing factors［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30（22）：120-126.

［16］ 郭焕，汤广福，查鲲鹏，等.直流输电换流阀杂散电容和冲击电压分布的计算［J］.中国电机工程学报，2011，31（10）：116-122.GUO Huan，TANG Guangfu，ZHA Kunpeng，et al.Calculation on stray capacitances and impulse voltage distribution of HVDC converter valve［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31（10）：116-122.

［17］ 刘杰，汤广福，查鲲鹏，等.特高压直流输电换流阀冲击暂态均压措施研究［J］.中国电机工程学报，2016，36（07）：1828-1835.LIU Jie，TANG Guangfu，ZHA Kunpeng，et al.Research of the voltage balancing scheme of UHVDC converter valve in impulse transient［J］.Proceedings of the CSEE，2016，36（07）：1828-1835.

［18］ 张文亮，汤广福.±800 kV/4 750 A特高压直流换流阀宽频建模及电压分布特性研究［J］.中国电机工程学报，2010，30（31）：1-6.ZHANG Wenliang，TANG Guangfu.Study on wide-band model and voltage distribution of ±800 kV/4 750 A UHVDC Valves［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30（31）：1-6.

［19］ 赵中原.换流阀内晶闸管组件冲击电压测量技术及均压特性的研究［D］.西安：西安交通大学，2003.ZHAO Zhongyuan.Research on measurement technique for impulse voltage across thyristor module and its voltage distribution characteristics in a HVDC valve［D］.Xi’an：Xi’an Jiaotong University，2003.

［20］ 齐磊，王星星，李超，等.±1 100 kV 特高压直流换流阀绝缘型式试验下的电场仿真及优化［J］.高电压技术，2015，41（04）：1262-1271.QI Lei，WANG Xingxing，LI Chao，et al.Electric field simulation and optimization of ±1 100 kV HVDC converter valve in insulation type test［J］.High Voltage Engineering，2015，41（04）：1262-1271.

［21］ 赵中原，邱毓昌，方志，等.换流阀内雷电冲击电压的分布及影响因素［J］.高电压技术，2002，28（03）：1-3.ZHAO Zhongyuan，QIU Yuchang，FANG Zhi，et al.Voltage distribution in a HVDC thyristor valve under lightning impulse tests and influencing factors［J］.High Voltage Engineering，2002，28（03）：1-3.

［22］ GUO Huan，TANG Guangfu，WEN Jialiang，et al.Analysis on voltage distribution performance of HVDC thyristor valves［C］.International Conference on Power System Technology，2010 International Conference on IEEE，2010.

［23］ IEC.Thyristor valves for high voltage direct current（HVDC）power transmission-part 1：electrical testing：IEC60700-1.2015［S］.2015.

［24］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国国家标准化管理委员会.高压直流输电晶闸管阀第1 部分：电气试验：GB/T 20990.1-2007［S］.北京：中国标准出版社，2007.General Administration of Quallty Supervision，Inspection and Quarantine of the People's Republic of China，Standardization Administration of The People’s Republic of China.Thyristor valves for high voltage direct current（HVDC）power transmission-part 1：Electrical testing：GB/T 20990.1-2007［S］.Beijing：Standards Press of China，2007.

［25］ 曹均正，汤广福，王高勇，等.±1 100 kV 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，（06）：67-71.CAO Junzheng，TANG Guangfu，WANG Gaoyong，et al.The development and type test of converter valve for ±1 100 kV UHVDC transmission ［J］.Southern Power System Technology，2012，（06）：67-71.

［26］ 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（07）：34-38.PENG Ling，YANG Xiaonan，WANG Gaoyong，et al.Thyristor valve insulation test research for ±660 kV HVDC transmission project［J］.Electric Power Construction，2011，32（07）：34-38.

［27］ 查鲲鹏，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（09）：62-68.ZHA Kunpeng，WANG Gaoyong，GAO Chong.Upgrading technology of UHVDC converter valve test capability［J］.Electric Power Construction，2015，36（09）：62-68.

［28］ 查鲲鹏，刘远，王高勇，等.±1 100 kV 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（01）：87-93.ZHA Kunpeng，LIU Yuan，WANG Gaoyong，et al.Study of DC test method of 1 100 kV UHVDC valve［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28（01）：87-93.

［29］ 罗湘，汤广福，查鲲鹏，等.电压源换流器高压直流输电换流阀的试验方法［J］.电网技术，2010，34（05）：25-29.LUO Xiang，TANG Guangfu，ZHA Kunpeng，et al.Test methods of converter valves in VSC-HVDC power transmission［J］.Power System Technology，2010，34（05）：25-29.