向家坝—上海± 800 kV 直流输电项目

向家坝—上海± 800 kV 直流输电项目 6英寸大功率特高压晶闸管换流阀

G. Sachs1, M. Uder1,李侠2

（1.德国西门子集团能源事业部；2. 西安西电整流器有限公司）

摘要：目前，中国正在建或正在规划几个± 800 kV的特高压直流输电项目。由于输电电压高及其相关的稳态、瞬态过压而产生的绝缘设计难点已在云南——广东± 800 kV输电工程中得到了研究和解决。但是在向家坝工程中，6400MW的大输电容量就要求有更大功率的晶闸管，额定电流须满足4000A的输送电流的要求。因此，基于硅晶片的新一代6英寸大功率晶闸管应运而生，同时，晶闸管阀的相关技术也应用于更高的电压等级。本篇文章介绍了向家坝——上海输电工程中复龙站的晶闸管换流阀设计，包括设计、额定电流以及6英寸晶闸管的特点。

1 引言

近年来，像中国和印度这样的大国工业产业迅速增长，对输电项目的要求和效率、质量也在不断提高。因此，高压直流输电系统也发挥着越来越重要的作用。

在过去二十年中，世界范围的高压直流输电项目的额定功率大多为3000MW，500kV。近些年来，中国、印度和巴西规划了几个输电距离在2000km左右的高压直流输电项目。更高的输电电压可以更少地占用土地、空间并减小输电损耗。800kV的特高压直流电压是这一方案较好的直流电压水平选择。 中国正在建的　800kV输电电压的工程有两个，南方的云南—广东项目和华中的向家坝—上海工程。特别是向家坝—上海工程，连接了金沙江的向家坝水电站和大都市上海，标称额定功率是至今世界最高的6400MW，标称直流电流为4000A。除了800kV输电电压及其过压需实现更高的绝缘水平之外，还需要研发新一代的具有更大尺寸的大功率晶闸管。这些元件包括了6英寸的晶闸管，峰值阻断电压8500V，无需并联即可实现4500A的直流电流。

除了新型晶闸管的研发之外，换流阀技术也适应了更高的电压等级，在复龙换流站的换流阀设计中形成了高精端的阀设计技术，这部分内容将在下面的章节中讨论。

2 800 kV 换流阀的结构

由于电压高、额定功率大，每一极换流阀的结

构采用两个12脉动桥串联的设计。 每个12脉动桥的额定电压为400kV，额定功率为1600MW。每个桥可以单独连接，这样，如果任何一个桥出现问题时，另一个桥可在400kV的电压下继续运行。正常运行情况下，低压(LV)12脉动桥连接零电位和400kV直流电位，高压(HV)12脉动桥连接400kV直流电位和800kV直流电位。图1是换流阀12脉动桥的电气结构示意图。

Fulong Converter StationDCFengxian Converter Station Overhead Line500 kV, 50 Hz500 kV, 50 HzAC SystemAC System12-pulse Group12-pulse Pole 1Group12-pulse 12-pulse GroupGroup12-pulse 12-pulse GroupGroupPole 212-pulse 12-pulse GroupGroup

图1 向家坝—上海输电系统换流阀示意图

每个12脉动桥安装在单独的阀厅中，包括两个并列的6脉动桥。

图2是一个800kV换流极中单个桥的示意图。

图2 800kV特高压极（由两个串联的12脉动桥组成）

示意图

2 高强等：电力系统应急通信网络及其抗毁性分析 是否要求贴本文标题

每个6脉动桥包括3个200kV直流电压的双重阀塔。每个单阀包括两个晶闸管组件单元，每个阀塔包含四个组件单元。阀塔通过棒状绝缘子悬吊在阀厅顶部，以达到阀支撑电位（200kV或600kV）所必须的空气和爬电距离。每个晶闸管组件单元通过标准绝缘子悬吊于阀塔内部，绝缘子通过铰链与晶闸管组件连接。这种设计允许组件有合适偏移但不会产生应力，并针对地震产生的机械应力提供最大程度的保护。MO型避雷器于每个阀并联以提供过压保护。在阀塔的顶部和底部分别安装了与电压水平相对应的电晕屏蔽。图3是最高电位的6脉动桥分布图。

图3 高压六脉动桥双重阀塔

图4展示的是云南—广东工程的双重阀塔图，其结构与复龙阀塔的结构相似。

图4 德国HSP高压试验场云南—广东双重阀塔

由于输电电压高达800kV及其相关的绝缘水平问题，在必要的绝缘设计过程中需要特别注意。换流阀设备安装于室内，因此爬电距离的设计不是问题，因为500kV输电系统的爬电距离同样可以适用。但是，在特高压直流输电中，所需的空隙距离取决于操作冲击电压的水平。由于操作冲击电压上闪络距离的非线性，空气间隙须远远大于500kV输电系统的线性。为了实现较为经济的设计，需要使用电场计算工具和额外的试验手段研发适用的高

压屏蔽。即便如此，在最高电压电位时，换流阀部件仍需使用更大的间隙距离，见图5。

图5 复龙站换流阀设备绝缘水平和间隙要求

3 晶闸管换流阀设计

3.1 阀电气设计

为了实现换流阀高电压的要求，单阀由多个晶闸管串联。众所周知，晶闸管不能单独作为理想的开关，为了更好地实现晶闸管的功能，就需要将晶闸管与其他辅助零部件一起使用，如阻尼电容、阻尼电阻、晶闸管触发和监测印制板、非线性电抗器、直流分压电阻和组件均压电容。为了满足不同工程的不同技术要求，换流阀采用标准化设计，模块化设计是实现标准化最好途径，包括图6中的不同方面。

每一个晶闸管、与其配套的阻尼部件和TFM（包括直流分压电阻）组成一个晶闸管级。数个晶闸管级（复龙站换流阀每个阀段共15个）和两个串联的饱和阀电抗器组成一个阀段。阀段包括一个组件均压电容，其作用在于均分可能产生的陡前波浪涌电压。一个阀段与一个完整阀的电气特征相同，只是具有较低电压耐受能力。

Thyristor level}Snubber circuit}ThyristorDC-grading resistor}TFM}Thyristor Firing and Monitoring electronicsValve section15 Thyristor levels2 saturable ReactorsGrading capacitorValveValve Valve Valve Valve sectionsectionsectionsectionModular unitModular unit 图6 高压直流晶闸管换流阀模块设计

2009特高压输电技术国际会议论文集 3

数个阀段（可能是奇数个，也可能是偶数个）组成一个阀，复龙换流站中，一个阀包括四个阀段。

复龙换流站一个阀共包括：

部件/设计参数 晶闸管型号

数值 T4161 N80T S34

(6“ ETT)

硅堆内的晶闸管、散热器及其相关零部件在电路图中呈直线分布。这种设计的优势在于电压分布均匀、试验操作简便。

图9是复龙换流站一个晶闸管模块单元的照片

晶闸管总数 60 晶闸管冗余数 2 每个阀段的晶闸管数 15 电抗器数 8 每个阀段的电抗器数 2 阀段数 4 阻尼电容 1.6 µF 阻尼电阻 36 　 均压电容 1 nF 阀塔布局 单阀 多重阀布局

双重阀

3.2 阀机械设计

两个阀段组成一个模块单元——最小的机械结构元素。图7是一个模块单元的示意图。

图7 晶闸管模块示意图，一个模块由两个阀段、15个晶闸

管级以及2个阀电抗器单元组成

每个模块单元还包括必要的晶闸管冷却水管路、阻尼电阻和阀电抗器、晶闸管触发和检测光缆。 图8是复龙换流站晶闸管模块单元示意图

图8 复龙换流站晶闸管模块单元示意图

图8中的晶闸管组件是一个由铝框架组成的自支撑单元，支撑模块中的所有部件，铝框架同时兼有电晕屏蔽的作用。框架的电位与框架的横梁等电位，因此模块单元也被等分成两个对称的区域。每一个区域是一个完整的阀段，包括晶闸管硅堆、阻尼电路、阀电抗器、检测板、均压电容、水路和光缆。

图9 复龙换流站一个晶闸管模块单元的照片

3.3 阀内电气件

1) 晶闸管

为向家坝—上海输电工程研发的电触发晶闸管硅直径6英寸，最大阻断电压8.5kV，用于复龙换流阀。另见第IV条的内容。 2) 阻尼电容CS

每个晶闸管还应配有阻尼电容以处理关断中出现的电压过冲问题。复龙换流阀每级晶闸管设计安装了有充有SF6的阻尼电容，其电压应力与晶闸管的阻断电压应力相匹配。 3) 阻尼电阻 RS

水冷电阻与电容串联连接以减少阻尼电容和电路电感引起的震动。电阻承担全负荷的阻尼电容电流。因此，电阻的设计应适用于较大的损耗。工程设计采用阻尼电阻其电阻材料直接置于水中（水中接线技术），这种类型的电阻在水流量适中的情况下实现4.5kW到7kW的消耗。 4) 直流均压电阻 RDC

在阻断状态下，串联晶闸管上的直流电压分布取决于其泄露电流。为了均衡电压分布，除了水冷电路外，还需要在晶闸管级上安装直流均压电阻以达到更好的均压效果。由于晶闸管泄露电流小于3mA，每个晶闸管级相对较高的欧姆电阻（0.5M　每晶闸管级）产生的损耗也很低，自然空气冷却可以满足其功率要求。

由于电压过高，特高压晶闸管换流阀需要使用额外的零部件以减轻大型换流阀自身杂散电容对晶闸管的影响。 5) 阀电抗器 LV

两个阀电抗器与晶闸管串联以限制晶闸管在开通时的电流上升应力和关断状态下的瞬态

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dV/dt。 基于其明显的饱和特性，在电流开始时，其电感很大，而在晶闸管安全导通时，其电感很小。这样，就不会使换向电抗增大。

向家坝—上海工程中电抗器优化可以适应工程大电流的需要，其优化设计体现于一次线圈横截面的设计和对冷却水流量的控制，以保证其安全的性能表现。

6) 均压电容 CG

阀塔的结构使阀塔内杂散电容分布非常复杂。这些杂散电容可能在出现陡前波电压的情况下引起电压分布的不均衡，特别是阀段间电压的不均衡。因此，在阀段中安装了由SF6（电容为几纳法拉）填充的均压电容以均等电压分布。 3.4 晶闸管触发和监测

由于晶闸管位于高电压电位，位于地电位的触发和监测单元（详见阀底部电子VBE）不能与晶闸管进行电气连接。因此，控制晶闸管的触发和控制命令通过光缆以光脉冲的方式传输。图10为晶闸管控制与监测系统示意图

图10 晶闸管控制与监测系统示意图

.晶闸管触发监测电路板与晶闸管一一对应，将光触发信号转化为电门极脉冲并发送至晶闸管门极。 电路板测量晶闸管级上的电压并监测晶闸管的工作状态。晶闸管上如果出现过高的电压或者恢复期间dV/dt 过高时，将会产生保护触发脉冲。 晶闸管状态的光回报信号也通过光缆发送给VBE。

所有的晶闸管级检测回报信号在VBE中进行处理，并与换流阀控制单元进行通信。阀监测系统的主要任务是检测晶闸管阀的实际状态。

为了提高晶闸管阀的可用性，除实际要求的数量外，晶闸管单阀内额外安装了两个冗余晶闸管。这样，只要一个阀内的故障晶闸管数不超过冗余的

晶闸管数，在晶闸管出现故障的情况下，换流阀仍可运行。 3.5 阀冷却

高压直流晶闸管阀内，超过95%的热损耗是有晶闸管、阻尼电阻和阀电抗器产生的，并要求强制冷却。由于散热性能较好，因此在晶闸管阀内使用水作为冷却介质。为了有效冷却并限制电解电流，冷却水的电导率应控制在0.3µS/cm 。另外，水管横截面的选择也应越小越好，以提高阻力达到更好的冷却效果。

由于合理的几何布局设计（见图8、图9），并在重要位置安装了电极，与晶闸管散热器相连的水管可以实现始终电位相同，避免水冷件之间产生电解电流（见图11）。

grading electrodewater outwater in图11 晶闸管硅堆冷却结构

4 晶闸管的最新研发成果：6英寸电触发晶闸管

向家坝—上海工程的输电容量高达6400MW，晶闸管技术不能满足于“原有5英寸晶闸管的技术可以处理”的层面，而是必须大大提高。另一方面，每个晶闸管约8kV的阻断电压也源自对运行损耗的优化设计。

6英寸、最大阻断电压8.5kV的晶闸管应运而生，可以处理高达4500A的直流输电电流。硅晶片的组合厚度仅为1.5mm，使用钼托片，可轻松满足对浪涌电流的要求，并留有宽松的安全余量。.强大的电流容量，引起了诸如“对电流要求较高”和“对阻断电压需求较大”的其他领域的要求。

图12是6英寸电触发晶闸管与普通4英寸和5英寸直接光触发晶闸管的比较

图12 6英寸大功率晶闸管与4英寸和5英寸晶闸管的比较

2009特高压输电技术国际会议论文集 5

图13是实际的6英寸硅片（带门极结构和钝化边缘层）的照片

稳定的生产工艺和出色的技术是大功率晶闸管生产的关键。在采用了不同的生产方法、工艺和技术之后，成熟的功率半导体产品同样实现了卓越的性能和可靠性。高精度的辐照工艺，即硅晶片中仅有少量的掺杂原子，使硅片中的载荷子拥有足够的使用寿命并在硅晶片中呈均匀分布。通过电子辐照，实现了通态电压与反向恢复电荷及关断时间平衡的优化。

图13 6英寸晶闸管硅片

稳定可靠的边缘钝化技术可以将器件的使用寿命提升至40年。半绝缘无定形氢化炭层是实现器件高稳定性的关键技术。

由于钝化层的密度（DOS）很高，表面电荷通过半绝缘层与反偏压硅层接口处镜像电荷的电感得到有效补偿。通过适当的调整DOS分布，硅片钝化层接口的感应电荷可有效降低阻断解表面的电场强度。另一方面，该电活化钝化层为器件屏蔽了表面电荷，并保证了半导体表面电位分布的长期稳定，避免半导体阻断性能的长时间偏移。

为了达到较高的浪涌电流性能和晶闸管更合理、可控的夹紧力，需要实现硅晶片的热容量高效热耦。利用低温烧结技术，将钼片与硅晶片连接。烧结温度约为220°C，使钼片和整个硅晶片能够得到良好的热耦合。 另外，晶闸管的边缘得到有效的冷却，这对使用高结温（最高结温是浪涌电流应力的结果）、有着高阻断要求的高压器件设备非常重要。实际上，由于生产厂家试验设置的限制，试验中浪涌电流的最大值只能达到稍稍高于80kA，因此，6英寸晶闸管的浪涌电流容量仍不能被完全挖掘出来。但是，可以肯定的是，与向家坝—上海输电工程中要求的46kA相比，在浪涌容量高于80kA的情况下，仍存在非常宽裕的余量。

从业经验表明，高压直流换流阀中晶闸管的故障率低于10 fit (1 fit = 每109 hours发生1次故障).这说明由上述技术生产的仪器拥有长期的、较高的稳定性、电气可靠性和热性能。

5 结论

向家坝—上海高压直流输电项目6400MW的大功率以及800kV的特高压，需要有尺寸更大的新型晶闸管以及更加适宜的换流阀绝缘设计来实现。因此， 6英寸硅晶片晶闸管被成功地研发出来。长时间的设计、生产经验是这一重要产品高质量的保证。

随着6英寸晶闸管的研发，阀设计也应用于4000A大输电电流（标称电流）和800kV高电压水平的设计，以满足向家坝特高压直流输电工程的需要。

最终实现了复龙换流站现代、强大的换流阀设计，保证长期、可靠的运行。