一种直流输电工程用换流阀运行试验合成回路

摘要

本发明公开了一种直流输电工程用换流阀运行试验合成回路，包括高压配电系统、电流源分系统、电压源分系统、冲击试验分系统、短路试验分系统、交流滤波分系统、控制保护系统和辅助系统，其中辅助系统包括低压配电系统、水冷却系统和试验参数测量系统。本发明通过合理的电路设计整合至一个回路当中，使各分系统能够相互配合进行换流阀的运行试验，其不但结构简单，而且运行稳定，由于加入了控制保护系统，使整个合成回路的运行安全性得到保证，并且延长了设备的使用寿命，降低了故障率。本发明的合成回路可以满足±800kV/5000A及以下直流输电工程用换流阀的运行试验，并且试验证明，可以完全满足IEC60700-1：1998/GB/T 20990.1——2007标准中高压直流输电晶闸管阀全部运行试验项目要求。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子及特高压试验技术领域，涉及一种试验合成回路，尤其是一种±800kV/5000A及以下直流输电工程用换流阀运行试验合成回路。

背景技术

在实现党中央2020年国民经济再翻两番的宏伟目标的过程中，我国面临电力供应不足和生态环境压力不断增大等方面的严峻挑战。为此国家电网公司制定了“特高压电网规划”，计划加快推进百万伏级交流、±800kV伏直流特高压输电技术研究和建设，为国民经济稳定、健康发展保驾护航。

发展特高压输电是一个资金投入巨大、技术复杂的系统工程。工程建设、产品开发及应用之前需要进行大量的试验研究和相关标准制定工作，试验手段和能力首先要有保证。这就要求国内具备开展特高压输变电系统研究、工程用特高压成套设备的研究、开发、试验和相关标准制定等工作的设施和试验条件。特高压换流阀作为特高压直流输电工程的关键性设备之一，其性能将直接影响特高压输电工程运行的安全性和可靠性。因此，特高压换流阀的产品性能必须在等价的试验回路上进行验证。

发展特高压输电，许多设备试验参数、产品技术要求都有待于大量的试验、系统的分析论证。在特高压直流输电技术领域，目前国际上尚无相关设备试验及产品技术条件的统一标准，目前，国内尚未见类似的特高压换流阀运行试验合成回路的公开报道。因此，开发一种适用于±800kV/5000A及以下直流输电工程用换流阀运行试验合成回路，是本领域技术人员迫切希望的。也对突破国外公司的技术封锁，为我国输变电设备制造企业的产品走出国门进入国际市场，具有特别重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术空白，提供一种直流输电工程用换流阀运行试验合成回路，该试验合成回路将多种试验必须的回路通过合理的电路设计整合在一起，并且为回路设置统一的辅助系统和控制保护系统，形成一种能够满足±800kV/5000A及以下直流输电工程用换流阀运行试验的合成回路，

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种直流输电工程用换流阀运行试验合成回路，包括高压配电系统，还包括以下系统：

电流源分系统，该电流源分系统的电源输入端连接到高压配电系统上，且该电流源分系统与被测换流阀连接，为所述被测换流阀提供直流试验电流；

电压源分系统，该电压源分系统的电源输入端连接到高压配电系统上，该电压源分系统与被测换流阀连接连接，为所述被测换流阀提供试验电压；

冲击试验分系统，由冲击电压发生器构成；所述冲击试验分系统与被测换流阀连接，为被测换流阀阀恢复期间提供瞬态正向电压；

短路试验分系统，由交流短路发电机构成，所述短路试验分系统与被测换流阀连接，为被测换流阀提供故障电流；

交流滤波分系统，所述交流滤波分系统连接至所述高压配电系统上，为整个所述合成回路提供无功补偿；

控制保护系统，为整个合成回路提供控制时序，并在故障发生时，通过保护动作保证回路设备安全；

辅助系统，包括低压配电系统、水冷却系统和试验参数测量系统；所述低压配电系统分别与合成回路中使用低压电源的各设备电源输入端连接；所述水冷却系统为合成回路的各阀组以及被测换流阀提供循环冷却水；所述试验参数测量系统采集合成回路的电气信号及被测换流阀的试验参数，并将采集的信号送控制保护系统进行相应处理。

进一步，上述电流源分系统包括两套6P整流桥支路，每套所述6P整流桥支路包括换流变压器、六脉波整流桥、隔离阀及直流母线；所述两套6P整流桥支路中的换流变压器的输入端分别连接至高压配电系统上，两台换流变压器的输出端分别连接至两个所述六脉波整流桥的输入端；两个所述六脉波整流桥的对应输出端桥臂并联，且两六脉波整流桥的输出端高电位之间通过两个平波电抗器的串联支路连接；每套所述6P整流桥支路中的隔离阀作为相应六脉波整流桥的一个桥臂，且两套6P整流桥支路中的隔离阀的输出端相互连接后通过直流母线连接到待测试品阀的输入端，所述待测试品阀的输出端连接至六脉波整流桥的输出端的低电位上。

上述换流变压器是Y/Y型换流变压器。

进一步，上述电压源分系统包括有载调压变压器、整流桥、振荡用电容组、充电电容器组、换相电感、反向充电电抗器、充电电抗器以及第一至四辅助阀，所述有载调压变压器的输出端与六脉波整流桥的输入端连接，所述六脉波整流桥的输出端与充电电容器组和充电电抗器连接形成回路；所述充电电容器组还与所述第一辅助阀、反向充电电抗器、振荡用电容组依次连接形成回路；所述第四辅助阀的一端连接于第一辅助阀和反向充电电抗器之间，另一端连接于振荡用电容组和充电电容器组之间；所述振荡用电容组还与第二辅助阀、换相电感和待测试品阀依次连接构成回路；所述第二辅助阀还与第三辅助阀连接构成回路。

进一步，在待测试品阀上并联有通频带高电压传感器，所述通频带高电压传感器与整流桥之间设置有负反馈控制回路。

进一步，上述短路试验分系统包括发电机回路，所述发电机回路由短路发电机、第一电闸、第二电闸、电阻以及升压变压器原边依次串接而成；所述升压变压器的副边分别并联有调整电容支路和待测试品阀，所述调整电容支路由第三电闸和调整电容串接构成；所述升压变压器副边的低电位端接地；所述待测试品阀还连接有电流源和电压源，且待测试品阀分别与所述电流源和电压源的输出端连接形成回路。

上述调整电容支路和待测试品阀的高电位端之间还连接有波动开关和第四电闸。

本发明具有以下有益效果：

本发明的直流输电工程用换流阀运行试验合成回路将电流源分系统、电压源分系统、控制保护系统、交流滤波分系统、冲击试验分系统、短路试验分系统和辅助试验系统通过合理的电路设计整合至一个回路当中，使各分系统能够相互配合进行换流阀的运行试验，该合成回路不但结构简单、操作方便，而且运行稳定，由于加入了控制保护系统，使得整个合成回路的运行安全性得到保证，并且延长了设备的使用寿命，降低了故障率。本发明的合成回路可以满足±800kV/5000A及以下直流输电工程用换流阀的运行试验，并且试验证明，可以完全满足IEC60700-1：1998/GB/T 20990.1——2007标准中高压直流输电晶闸管阀全部运行试验项目要求。

附图说明

图1为本发明合成回路结构框图；

图2为本发明合成回路主要电路图；

图3为本发明合成回路的电流源分系统结构图；

图4为本发明合成回路的电压源分系统结构图；

图5为本发明合成回路的短路试验分系统结构图；

图6为本发明合成回路的控制保护分系统结构图；

图7为本发明合成回路的试验触发时序图；

图8为本发明合成回路的典型试验方式试验波形，其中(a)为热运行试验波形图；(b)为α＝90°运行方式试验波形图；(c)为故障电流试验波形图；(d)为断续电流试验波形图；(e)为恢复期间的瞬态正向电压试验波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的直流输电工程用换流阀运行试验合成回路，包括高压配电系统、电流源分系统、电压源分系统、控制保护系统、交流滤波分系统、冲击试验分系统、短路试验分系统和辅助试验系统(含低压配电系统、水冷却系统、试验参数测量系统等)，以下对各分系统进行详细介绍：

电流源分系统1

参见图2和图3，图2中的电流源分系统为简化图，具体电路图件图3所示，电流源分系统的电源输入端连接到高压配电系统上，且该电流源分系统与被测换流阀连接，为所述被测换流阀提供直流试验电流。

电流源分系统包括两套6脉波整流桥支路(本发明所述的6P即六脉波)，每套6脉波整流桥支路包括换流变压器T1/T2、六脉波整流桥B1/B2、隔离阀Va0/Va1、平波电抗器L_SR1/L_ST2及直流母线；所述两套6脉波整流桥支路中的换流变压器T1/T2的输入端分别连接至高压配电网上，两台换流变压器T1/T2的输出端分别连接至两个所述六脉波整流桥B1/B2的输入端；两个所述六脉波整流桥B1、B2输出高电位端通过直流母线直接相连，两六脉波整流桥B1、B2的低电位端分别与两个平波电抗器L_SR1、L_ST2串联汇于一点后连接到两六脉波整流桥B1、B2的高电位端；每套所述6脉波整流桥支路中的隔离阀Va0/Va1与被测换流阀VUT串联后分别作为相应六脉波整流桥B1/B2的一个桥臂。两套6脉波整流桥支路中的隔离阀Va0/Va1的输出端相互连接后通过直流母线连接到被测换流阀VUT的输入端，所述被测换流阀VUT的输出端连接至两个平波电抗器L_SR1、L_ST2汇流节点后再连接至六脉波整流桥B1/B2的输出端的高电位上。

电压源分系统4

电压源分系统的电源输入端连接到高压配电系统上，该电压源分系统与被测换流阀连接连接，为所述被测换流阀提供试验电压。

参见图2和图4，其中图2所示是电压源分系统的简化图，电压源分系统的具体电路图如图4所示：该电压源分系统包括有载调压变压器T3、整流桥B3、振荡用电容组Cs、充电电容器组C_L、换相电感L1、反向充电电抗器L2、充电电抗器L3以及第一至四辅助阀Va2～Va5。有载调压变压器T的输出端与六脉波整流桥B的输入端连接，六脉波整流桥B的输出端与充电电容器组C_L和充电电抗器L3连接形成回路。充电电容器组C_L还与所述第一辅助阀Va2、反向充电电抗器L2、振荡用电容组Cs依次连接形成回路。第四辅助阀Va5的一端连接于第一辅助阀Va2和反向充电电抗器L2之间，另一端连接于振荡用电容组Cs和充电电容器组C_L之间。振荡用电容组Cs还与第二辅助阀Va3、换相电感L1和待测试品阀VUT依次连接构成回路。第二辅助阀Va3还与第三辅助阀Va4连接构成回路。为了能够调整整流桥B3，在待测试品阀VUT上并联有通频带高电压传感器，通频带高电压传感器与整流桥B3之间设置有负反馈控制回路。

冲击试验分系统3

参见图2，该冲击试验分系统3由冲击电压发生器构成，该冲击电压发生器结合由电阻、电容和二极管连接构成的辅助电路(详见附图2)连接到待测试品阀VUT上，为被待测试品阀VUT的阀恢复期间提供瞬态正向电压。

短路试验分系统5

参见图5，该段路试验分系统5由交流短路发电机构成，该分系统与测试品阀VUT连接，为被测换流阀提供故障电流。该系统的具体构成如下：

短路试验分系统5包括发电机回路，发电机回路由短路发电机G、第一电闸HK、第二电闸CD、电阻R以及升压变压器T原边依次串接而成；升压变压器T的副边分别并联有调整电容支路和待测试品阀VUT，调整电容支路由第三电闸K3和调整电容C串接构成；升压变压器T副边的低电位端接地；待测试品阀VUT还连接有电流源和电压源，且待测试品阀VUT分别与所述电流源和电压源的输出端连接形成回路。另外，在调整电容支路和待测试品阀VUT的高电位端之间还连接有波动开关FK1和第四电闸K4。

交流滤波分系统2

参见图2，交流滤波分系统2连接至高压配电系统上，为整个合成回路提供无功补偿。该交流滤波分系统2由交流滤波电容器、交流滤波电抗器、放电线圈、避雷器及相应的开关设备构成，各元件的连接关系如图2所示。

控制保护系统，

参见图6，本发明的控制保护系统由人机界面OWS、主机ACP、主机VCP、测控单元组成，其中测控单元包括变电所测控AFT0、滤波器小间AFT1、交流开关测控AFT2、变压器保护控制AFT3和阀基电子单元VBE。该控制保护系统为整个合成回路提供控制时序，并在故障发生时，通过保护动作保证回路设备安全；图6所示为控制保护系统的结构图，其中主机ACP通过各交流场终端提供的交流数据，实现交流保护功能；主机VCP则实现直流保护和VBE的触发脉冲产生功能。操作员通过人机界面OWS实现实时检测和控制功能。

辅助系统

包括低压配电系统、水冷却系统和试验参数测量系统。低压配电系统分别与合成回路中使用低压电源的各设备电源输入端连接。水冷却系统(如图1所示)为合成回路的各阀组以及被测换流阀提供循环冷却水。试验参数测量系统采集合成回路的电气信号及被测换流阀的试验参数，并将采集的信号送控制保护系统进行相应处理。该试验参数测量系统主要采集合成试验回路关键点的电气信号和试品阀试验参数，并将相关信号送控制保护系统进行相应处理，以检测相应的试验参数(如温度、电流、正/反向电压、di/dt、dv/dt等)是否满足要求。

基于以上结构特征，以下详细介绍本发明的工作过程：

本发明的直流输电工程用换流阀运行试验合成回路在运行时，电压源分系统先启动，当电压达到设定值，解锁电流源分系统。当合成试验回路在设定参数条件下稳定后，逐步升高试验电流和试验电压，同时测量试验所要求的各项参数值是否满足要求，最终完成试验。试验触发时序图见图7，六脉波整流桥B1和B2分别提供一个桥臂，通过隔离阀Va0/Va1并联后与待测试品阀VUT串联，待测试品阀VUT作为两个电流源桥的共用桥臂。当待测试品阀VUT的负荷电流I_d(来自于电流源分系统)到达电流零点t₃之前，如图2所示，由于在t₁时刻，Cs的正向电荷因第二辅助阀Va3的触发而释放，通过换相电感L1向待测试品阀VUT放电，形成电压源分系统的引入电流。在t2时刻，主电流过零，隔离阀Va1和Va0关断，电流源分系统被隔离。

待测试品阀VUT在主电流过零后，单独导通该引入电流大约几百μs。电压源分系统引入电流呈正弦半波。换相电感L1是一个重要的参数，代表实际电路中的换相电抗。调节振荡用电容组Cs和换相电感L1，使半波引入时间(t₁～t₃)等于或高于600μs，振荡用电容组Cs的预充电电压与换相电感L1一起将引入电流在电流零点t₃前约200μs间隔内准确地再现运行电流，待测试品阀VUT引入电流零点阻断，在半波引入电流之后，振荡用电容组Cs上电压反向变为U₁。通过触发第三辅助阀Va4，这一反相电压又由回路Cs-Va4-L1-Ct给Ct充电，形成了暂态恢复电压和反向恢复电压。需要说明的是：所述Ct是与待测试品阀VUT并联，其模拟待测试品阀VUT杂散电容，实际上该Ct是一个不存在的等效量。

暂态恢复电压之后，第四辅助阀Va5和第二辅助阀Va3在t₄时刻触发，这使得振荡用电容组Cs上的电压反向，相应地，在Ct和待测试品阀VUT上的电压极性也从U₁变到U₂。第一辅助阀Va2在t₇时刻触发，来自主电容C_L上的电流(图7的I_ch)补偿Cs上的电压降。在t₈时刻，Cs得到完全补偿后，Va2由反向振荡电流封锁，待测试品阀VUT承受正向电压U₃。

待测试品阀VUT在t9时刻触发。被预充电至同一电压水平的电容器Ct将通过待测试品阀VUT放电，产生如运行条件下的初始涌流，待测试品阀VUT的触发使其端子上的电压消失，从而导致来自电流源电压完全施加在Va1/Va0上，紧接着，对Va1/Va0的触发使试验大电流通过Va1/Va0和待测试品阀VUT。大电流导通1/3周期后，又由Va3的触发引入电压源分系统注入电流，进入下一个试验循环。本发明典型试验方式的试验波形如图8(a)～(e)所示。

本发明采用合成试验的方法，依托自主研发，创造性的建成了国内首个±800kV/5000A及以下直流输电工程用换流阀运行试验合成回路，这对于打破外国企业在特高压直流输电领域的垄断局面，突破国外公司的技术封锁，为我国输变电设备制造企业的产品走出国门进入国际市场，具有特别重要的意义。同时，本发明能够为诸多国内相关设备制造厂家提供产品研发和试验平台，为进一步提高特高压直流输电设备的国产化能力创造条件。