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中华人民共和国国家标准化指导性技术文件

高压直流输电晶闸管阀设计导则

Design guidelines of thyristor valves for high voltage direct current
(HVDC)power transmission

GB/Z 30424-2013

发布部门：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会
发布日期：2013年12月31日
实施日期：2014年07月13日

前 言

    本指导性技术文件按GB/T 1．1-2009给出的规则起草。
    本指导性技术文件由中国电器工业协会提出。
    本指导性技术文件由全国电力电子学标准化技术委员会(SAC/TC 60)归口。
    本指导性技术文件起草单位：西安西电电力系统有限公司
                              西安高压电器研究院有限责任公司
                              南方电网科学研究院有限责任公司
                              中国电力科学研究院
                              西安电力电子技术研究所
                              国网电力科学研究院
                              南京南瑞继保电气有限公司
                              许继集团有限公司
                              荣信电力电子股份有限公司
                              国电南京自动化股份有限公司
                              阿尔斯通电网部
                              杭州祥博电气有限公司
                              广州高澜节能技术股份有限公司
    本指导性技术文件主要起草人：刘宁 李侠 张万荣 许树楷 温家良 蔚红旗 周观允 杨晓辉 胡铭 王小红 陈赤汉 张建 常忠延 张凡勇 杨志勇 曹均正 周长春 王瑚 王文奇 郑晓红 田方 马振军 娄彦涛

1 范 围

    本指导性技术文件规定了高压直流输电用晶闸管阀(以下简称阀)设计的基本要求。
    本指导性技术文件适用于水冷却、空气绝缘及户内安装的阀。

2 规范性引用文件

    下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
    GB/T 3859．1 半导体变流器 通用要求和电网换相变流器 第1-1部分：基本要求规范(GB/T 3859．1-2013，IEC 60146-1-1：2009，MOD)
    GB/T 16927．1 高电压试验技术 第1部分：一般定义及试验要求(GB/T 16927．1-2011，IEC 60060-1：2006，MOD)
    GB/T 13498 高压直流输电术语(GB/T 13498-2007，IEC 60633：1998，IDT)
    GB/T 20989 高压直流换流站损耗的确定(GB/T 20989-2007，IEC 61803：1999，IDT)
    GB/T 20990．1 高压直流输电晶闸管阀 第1部分：电气试验(GB/T 20990．1-2007，IEC 60700-1：1998，IDT)

3 术语和定义

    GB/T 13498界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3．1
    最大直流电流 maximum direct current
    阀在规定的运行条件下，(理论上可在无限时间内)向负载输出的最大直流电流。
    注：一般在不同冷却媒质和环境温度下有不同值。

3．2
    2h过载直流电流 2h overload direct current
    阀在规定的2h内，能向负载输出的直流电流。
    注：一般在不同冷却媒质和环境温度下有不同值。

3．3
    短时过载(过负荷)直流电流 short time overload direct current
    阀在规定的短时间内(如10s、5s、3s)，能向负载输出的直流电流。
    注：此时，晶闸管电流应力是主要的限制因素。

3．4
    额定直流电流 rated direct current
    按规定的负载条件和使用条件，制造商为换流器规定的直流电流(平均值)。

3．5
    最大理想空载直流电压 maximum ideal no-load direct voltage
    一般指换流器在空载情况下的最大直流电压(U_di0max)。
    注：此时，将各种电压降和电网电压波动的因素忽略不计。

3．6
    额定直流电压 rated direct voltage
    换流器在规定条件下，输出的直流电压应达到的平均值。

3．7
    额定直流功率 rated direct power
    额定直流电压与额定直流电流之积。

3．8
    晶闸管电子单元 thyristor electronic unit
    为晶闸管提供触发和保护及监控功能等的电子电路。

3．9
    额定结温 rated junction temperature
    晶闸管正常工作允许的最高结温。

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4 符号和缩略语

4．1 符 号

下列符号适用于本文件。
    C 冷却液的比热常数
    C_d 阻尼电容
    C_S 与阀结构相关杂散电容的总和
    d_rmin 最小相对阻性电压降
    d_xmin 最小相对感性电压降
    F_r 单阀中串联晶闸管级冗余度
    I_dmax 最大直流电流
    I_dN 额定直流电流
    I_k 最大短路电流值
    K_off 直流甩负荷引起的电压升高系数
    k_d 单阀总电压分布系数
    k_dm 设计余量系数
    L_k 换流变压器漏抗
    N_r 单阀中串联晶闸管级冗余数
    N_t 单阀中串联晶闸管级总数
    n_min 单阀串联最小晶闸管级数
    P_AV 晶闸管的稳态损耗
    P_T 阀总损耗
    q 冷却液流量
    R_d 阻尼电阻
    R_ja 晶闸管的总热阻
    R_jc 晶闸管的结壳热阻
    T_a 使用环境温度
    T_c 管壳温度
    T_j 稳态结温
    T_jm 额定结温
    T_jl 瞬态结温
    T_l 施加瞬态负载前的稳态结温
    U_d 直流电压(六脉动桥输出值)
    U_di0max 最大理想空载直流电压
    U_di0N 额定理想空载直流电压
    U_T 单阀的额定电压降
    V_RSM 反向不重复峰值电压
    Z_ja(t) 晶闸管的总瞬态热阻抗
    Z_jc(t) 晶闸管的结壳瞬态热阻抗
    α_min 最小(触发)延迟角
    ΔP 晶闸管的瞬态损耗与稳态损耗之差

4．2 缩略语

下列缩略语适用于本文件。
    VCU 阀控制设备(Valve Control Unit)
    ETT 电触发晶闸管(Electrical Triggered Thyristor)
    LTT 光触发晶闸管(Light Triggered Thyristor)
    MVU 多重阀(单元)[Multiple Valve(Unit)]
    SIPL 操作冲击保护水平(Switching Impulse Protective Leve1)
    TEU 晶闸管电子单元(Thyristor Electronic Unit)
    VBE 阀基电子设备(Valve Base Electronics)

5 产品型号及基本参数等级

5．1 产品型号
    推荐采用GB/T 3859．1中的相关规定。

5．2 直流电压额定值等级
    额定直流电压值(kV)推荐在下列数值中选取，具体值由业主和制造商确定：
    50、63、80、100、120、125、160、166、200、250、315、400、500、630、660、800、1100。

5．3 直流电流额定值等级
    额定直流电流值(A)推荐在下列数值中选取，具体值由业主和制造商确定：
    500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、5000。
    注：以上额定值是参考GB/T 3859．1的要求，结合已有直流工程的电压、电流等级在R10数系中选取的。

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6 技术要求

6．1 正常使用环境条件

6．1．1 地震条件
    阀设计应考虑换流站站址的地震条件。

6．1．2 阀的正常使用环境条件
    包括以下方面：
        ——阀厅一般按海拔1000m设计(海拔高于1000m时，应根据相关标准修正设计)；
        ——阀厅正常温度范围为10℃～50℃；
        ——相对湿度最大值为60％；
        ——污秽等级为户内a级；
        ——阀厅应保持微正压；
        ——交流电网频率波动范围不超过±2％。

6．1．3 VBE(或VCU)的环境条件
    VBE(或VCU)的正常使用环境温度为5℃～40℃。在运输过程中，应符合阀的运输、贮存条件。

6．2 特殊使用条件

    不符合6．1的规定时，应在技术规范中提出，制造商在设计时充分考虑。

6．3 阀电联结型式

6．3．1 12脉动换流器和6脉动换流器
    高压直流输电工程每站每极阀的典型电联结为12脉动换流器。每个12脉动换流器由两个串联的6脉动换流器组成。每相的臂称为单阀。两个单阀串联构成的一个阀塔称为双重阀。四个单阀串联构成的一个阀塔称为四重阀。

6．3．2 12脉动换流器单线图
    12脉动换流器单线图见图1。

6．3．3 单阀
    单阀由若干个晶闸管组件或阀段串联组成，它是6脉动换流器的一个臂。见图1和图2。

6．3．4 晶闸管组件
    晶闸管组件由一个或若干个电抗器和晶闸管级串联组成，见图3。
    注：依据不同阀结构设计，可设置或不设置均压电容器。

6．3．5 晶闸管级
    晶闸管级的简图见图4。

6．3．6 晶闸管
    阀中可采用两种类型的晶闸管，即ETT和LTT。

6．4 阀设计

6．4．1 一般要求和基本技术参数
    阀的设计应满足直流输电工程技术规范的要求，在承受由于触发系统误动作或站内部分故障(或系统故障)引起的电气应力时仍能正常工作。
    在规定的运行周期和冗余范围内，应保证阀在某些部件发生故障或损坏时，仍具有正常的运行能力。
    阀设计时应考虑以下基本技术参数：
        ——阀组成元件的类型和数量，包括晶闸管、阻尼均压回路、阀电抗器等；
        ——阀塔类型；
        ——阀的电压试验，包括直流耐压试验、交流耐压试验、操作冲击电压试验、雷电冲击电压试验、陡波前冲击电压试验；
        ——阀过电压保护类型；
        ——阀电流应力，包括故障电流、过载等；
        ——阀冷却系统形式和相关技术参数。
6．4．2 机械性能
    包括以下方面：
    ——阀的机械结构应简单而坚固，能承受6．1．1规定的抗震要求及检测人员到阀体上工作时产生的应力。阀宜设计为组件式，便于安装、检修和更换；
    ——阀中的各种非金属构件应具有耐电弧特性，避免因放电而导致快速老化；
    ——阀中与冷却水接触的各种材料，应具有耐受表面腐蚀和老化的能力，以保证阀的设计寿命；
    ——阀中的光纤布置应便于光纤通道内相关部件的更换；
    ——阀的冷却设计应避免在运行期间出现冷却水泄漏或堵塞，并保证在发生冷却水少量泄漏时，阀仍能运行；阀的结构设计应考虑保证泄漏出的液体自动沿沟槽流出，离开带电部件，并发出报警信号；
    ——阀的机械结构设计应考虑在一根支撑(或悬吊)绝缘子损坏的情况下，剩余支撑(或悬吊)绝缘子承受的负荷不超过其额定机械强度的50％。
6．4．3 电气性能
    6．4．3．1 阀的暂态过电压能力
        阀的绝缘性能设计中应考虑阀支撑、MVU和单阀耐受交直流电压、操作、雷电、陡波前冲击电压的能力，并能承受规定范围内电晕及局放要求。
        阀的过电压能力设计中应考虑能承受各种过电压的要求及足够的安全系数。安全系数的确定除考虑电压不均匀分布、过电压保护水平的分散性外，还应考虑阀内非线性因素对阀耐压能力的影响。
        阀绝缘裕度系数的确定，应结合工程的实际情况，考虑适宜的绝缘裕度(由于阀主要采用阀避雷器直接保护，因此阀的成本近似地正比于阀的绝缘水平)。适宜的绝缘裕度可减少阀的制造成本，同时降低阀及阀厅的高度。通常，阀的绝缘裕度是在假定所有冗余晶闸管级都损坏的情况下给出的。
        推荐单阀选择下列绝缘裕度系数：
        ——对于操作冲击电压，超过避雷器保护水平的10％～15％；
        ——对于雷电冲击电压，超过避雷器保护水平的10％～15％；
        ——对于陡波前冲击电压，超过避雷器保护水平的15％～20％。
        在晶闸管的额定结温下，且在换相后的反向恢复期内，晶闸管应耐受关断期间产生的正向暂态电压峰值或能安全地导通。
        阀应设计金属氧化物避雷器，对阀提供(正向或反向)过电压保护，其功能主要是限制单次或重复的动态过电压峰值。考虑电压不均匀分布后，阀的保护触发电压水平一般应高于避雷器保护水平。保护触发电压水平宜略低于正向暂态电压峰值。
    6．4．3．2 阀的暂态过电流能力
        6．4．3．2．1 带后续闭锁的短路电流承受能力
            对于运行中的任何故障造成的最大短路电流，阀应具备承受一个完全偏置的不对称电流波的能力，并在阀关断后，对立即出现的最大工频过电压保持完全闭锁，从而避免阀的损坏以及阀特性的永久改变。
        6．4．3．2．2 不带后续闭锁的短路电流承受能力
            对于运行中的任何故障造成的最大短路电流，若在过电流之后不要求阀闭锁任何正向电压，或闭锁失败，阀应承受数个完全不对称电流波(一般为3个周波)的能力。电流波的数量取决于用于开断换流器中短路电流的交流断路器的动作时间，该时间应包括故障检测、信号传输以及断路器开断时间。
        6．4．3．2．3 附加短路电流承受能力
            应考虑单阀中所有晶闸管级全部短路造成的附加电流承受能力。阀内阀电抗器和引线应在机械上承受这种过电流。
    6．4．3．3 交流故障下的运行能力
        在交流系统故障使得换流站交流三相平均整流电压的测量值大于30％的正常电压，但小于极端最低连续运行电压并持续长达1s的时段，阀应连续稳定运行。
        在交流系统故障期间，应维持阀的触发或在故障清除瞬间恢复阀的触发，以降低交流系统恢复过电压的幅值并改善系统稳定性。
6．4．4 冗余度
    在单阀中，除了耐受规定试验电压的晶闸管级外，还应考虑冗余晶闸管级。规定的冗余度Fr应保证在两次计划检修之间的12个月运行周期内，每站冗余晶闸管级全部损坏的阀不超过1个。另外，冗余晶闸管级数应不少于12个月运行期内期望故障的晶闸管级数的2．5倍，同时不少于单阀晶闸管级总数的3％。也就是说，单阀中串联晶闸管级冗余度F_r一般不小于1．03。

7 阀电压的确定

7．1 单阀串联最小晶闸管级数n_min的确定
    7．1．1 电压耐受能力
        为确定串联的晶闸管级在试验条件下电压的耐受能力，应计算晶闸管级在各种电压下的平均耐受能力。要求阀在冗余晶闸管级全部故障的情况下仍能工作，所以，计算时，耐受各种电压的晶闸管级数为N_t－N_r。
    7．1．2 电压分布系数k_d
        由于串联电路电压分配的不均匀性，阀电压设计应考虑在各种情况下的电压分布系数k_d。k_d的大小与阀的均压回路、晶闸管、冷却水路等的设计有关。
    7．1．3 设计余量系数k_dm
        为了得出运行中晶闸管级的最大承受电压值，应考虑设计余量系数k_dm。k_dm的选择与电压应力的形式及设计策略有关。
    7．1．4 单阀串联最小晶闸管级数n_min
        操作冲击电压是确定单阀串联最小晶闸管级数n_min的主要因素。阀电抗器将承受陡波冲击的大部分过电压和雷电冲击的部分电压，平波电抗器还将限制从线路侵入的雷电波，故上述两种过电压对阀串联最小晶闸管级数不是主要因素。
        阀串联最小晶闸管级数n_min宜采用式(1)估算：

        式中：
        1．03——考虑了试验电压允许偏差上限所取的系数。
        不同的阀制造商可选择不同的计算公式。但无论如何，必须保证阀在各种运行工况、型式试验下，晶闸管级的电压应力不超过晶闸管级允许的各种运行电压应力。

7．2 阀晶闸管级冗余数N_r的确定
    晶闸管级冗余数N_r是在阀中满足规范要求的耐压水平要求的最少串联晶闸管级数的基础上，再多串联的晶闸管级数。N_r可采用式(2)计算：

    一般在业主的技术要求中F_r有明确要求，见6．4．4。

8 阀电流的确定

8．1 2h和短时过载电流
    2h和短时过载电流取决于阀的损耗、冷却条件、环境条件、晶闸管等部件的温度限值，依据工程技术规范对2h和短时过载电流的要求，设计阀各部件(主要包括晶闸管、阻尼回路、电抗器等)及冷却系统。
8．2 阀暂态过电流
    在故障情况下，阀应具有一定的暂态过电流能力。阀暂态过电流设计原则如下：
    ——在规定的晶闸管结温下，所有的冗余已经用完，阀应具有6．4．3．2要求的能力；
    ——当单阀中所有的晶闸管级全部短路或单阀外部闪络(实际上将形成两相短路电流，这种故障在整流侧最为严重)，阀的最大短路电流可用式(3)计算：

    即要求晶闸管级的浪涌电流能力不得小于预期的最大短路电流值。
    计算最大故障电流应考虑的运行条件为：最高的阀侧绕组电压、最小的换流变压器漏抗、最大的交流系统短路水平和最小触发角。故障电流最大值主要取决于换流变压器短路阻抗。
    通常，在阀技术规范中，对阀暂态过电流有具体要求，并应经过阀型式试验验证。

9 阻尼回路的确定

    在直流输电三相桥中，每个臂关断时，其电压由零突然上升至反向电压。由于线路电感及杂散电容的存在，形成一个低阻的LC电路，这种电压的突然跃变，将在回路中产生衰减很慢的振荡，如果不采取抑制措施，振荡电压的幅值可达反向电压峰值的数倍。
    在三相桥式电路中，一般采用内阻尼或外阻尼方式对振荡电压进行抑制，同时还应充分考虑阻尼回路的功率损耗。在直流输电系统中，一般采用内阻尼方式，见图5。

    图5给出了考虑电路漏感和设备杂散电容时的内阻尼电路。导致电压振荡的电感有系统等值电感、变压器漏感和引线电感。其中，引线电感很小，可忽略不计。变压器漏感总是起主要作用。系统等值电感在变压器第三绕组没有谐波滤波器时，不能忽略，但当接有滤波器时，则可忽略，只考虑变压器漏感L_k。图5中，C_1n(C₁₁、C₁₂、C₁₃)包括变压器二次绕组对铁心和箱壳的电容、变压器套管对地电容、从变压器到阀体引线对地电容、穿墙套管对地电容等；每个阀电容C_v包括阀体本身的杂散电容及接入阀体中的电容；每个极对地电容C_p包括由阀到平波电抗器L_d引线或电缆上的对地电容、套管对地电容，以及接在极上的各种设备的对地电容，如直流电压互感器、直流电流互感器等的对地电容。
    下面以阀1为例讨论。在阀1关断前，电路中阀1和阀2导通。在阀3触发后，阀1与阀3换相，然后阀1关断。在阀1关断时，阀2和阀3导通，与它们并联的RC、C_v等均被短路，C_p1通过阀3与C₁₂并联，C_p2通过阀2与C₁₃并联。为简化起见，取：

    将阀1以外的电路进行等效变换，再接入阀1，得到等效电路见图6。

    在参数选择不同时，图8所示电路可能出现非临界振荡、临界振荡和振荡三种工作状态。工程中一般选择为非临界振荡状态。此时，C_d和R_d的选取综合考虑损耗的因素，由式(5)确定：

    式中：
    k——一般来自工程经验值。

10 阀电抗器的确定

    阀电抗器的设计原则为：依据晶闸管级开通时di/dt承受能力和在运行时各种故障情况可能出现的异常电压分布确定。阀电抗器应满足如下要求：
    ——在陡波前和雷电波过电压冲击下承担部分电压，从而使晶闸管级免受过电压损坏；
    ——限制晶闸管级开通时的di/dt和电流过零等；
    ——改善阀两端出现的异常电压分布。

11 阀损耗的确定

11．1 阀损耗的计算
    阀损耗由晶闸管的损耗和阀内辅助系统元件或设备的损耗组成，主要包括：阀通态损耗P₁、阀开通时的扩散损耗P₂、阀其他通态损耗P₃、与直流电压相关的损耗P₄、与电阻器相关的阻尼损耗P₅、与电容器相关的阻尼损耗P₆、阀关断损耗P7、阀电抗器损耗P₈。阀的总损耗P_T即为以上损耗之和。
    阀各部分损耗计算按GB/T 20989的规定进行。

11．2 晶闸管结温的计算
    11．2．1 稳态结温
    稳态结温由式(6)或式(7)计算：

    11．2．2 瞬态(暂态)结温
    瞬态(暂态)结温由式(8)或式(9)计算：

12 阀冷却系统

    阀冷却系统是阀的重要组成都分，分为内冷却系统和外冷却系统。内冷却系统又称为一次循环水系统，主要用来吸收晶闸管及其辅助元件产生的热量。外冷却系统的主要功能是对一次循环水系统进行冷却。
    阀对水冷却系统一般会提出包括散热功率、冷却水电导率、流量、进阀温度、出阀温度、MVU最大压降、报警和跳闸信号等要求。
    阀的进、出口冷却水的温度差按式(10)计算：

式中：
   ΔT——阀冷却水进、出口温度差，单位为开尔文(K)；
    P_T——阀总损耗，单位为瓦(W)；
    q——冷却水流量，单位为千克每秒(kg/s)；
    C——冷却水的比热常数，单位为焦耳每千克开尔文[J/(kg·K)]。

13 设计优化

    阀设计时，应充分考虑各个设计环节的配合，对所选参数进行仿真优化。仿真优化应遵循的原则为：
    ——包含阀的所有运行工况；
    ——仿真回路的组成尽可能与实际运行情况相同；
    ——仿真回路尽可能考虑到影响阀运行的所有参数；
    ——由仿真得出的各个部分的电压分布符合设计要求；
    ——仿真回路中使用的等效回路完整、合理。

14 防火设计

    为了减小火灾的风险，阀在设计上应尽可能消除导致火灾的任何因素，将火灾在阀内蔓延的可能性降至最低。设计应遵守以下原则：
    ——阀内的非金属材料宜是阻燃的，并具有自熄灭性能；
    ——避免电子元件超过其耐受的热应力；
    ——减少电接触点的数量，所有电接触点使用螺栓紧固；
    ——宜采用无油元件；
    ——减小绝缘部分的电势差，避免在污染和潮湿环境下发生较大的泄漏电流。

15 机械结构设计

    阀的机械结构设计基本原则如下：
    ——可靠性高；
    ——便于维护；
    ——便于现场快速简便安装。
    通过在阀结构设计中使用简单化和标准化的方法，使阀实现重量轻、简洁和易于组装。同时，阀设计还应遵循最少量的电连接和水路连接规则，以保证牢固和可靠。
    阀的悬吊设计应使阀对所有动态和静态条件都有良好的承受能力，阀设计应考虑地震的特殊要求。

16 TEU控制和保护设计

    除直流极控制保护功能对阀保护作用外，TEU的控制和保护应满足阀控制保护系统的要求，功能完整、正确、可靠性高。
    晶闸管级还应设计如下保护：
    ——每个晶闸管级带有正向保护触发。当施加的正向电压超过允许的水平时，保护触发将晶闸管级触发导通，以避免晶闸管级损坏。允许晶闸管级保护触发连续动作；
    ——晶闸管级设置恢复期保护，确保不因恢复期dv/dt上升或正向电压超过允许值造成晶闸管级损坏。

17 避雷器设计

    每个单阀都应设计金属氧化物避雷器进行过电压保护，限制单次或重复的动态过电压峰值，并将避雷器动作事件记录(如冲击放电次数等)传送到主控制室。

18 VBE(或VCU)设计

    VBE(或VCU)应设计为冗余系统，并具有完善的自检功能和符合规范要求的接口，用于触发和监测阀。VBE(或VCU)的故障不应造成阀损坏。

19 阀监视(TM)设计

19．1 监视功能
    应提供对晶闸管级监视的功能，以便确认每一晶闸管级的状态，并指示任何晶闸管级损坏的位置。

19．2 报警或跳闸功能
    在任何一个单阀中任一晶闸管级损坏时，监视设备应发出报警信号。如果晶闸管级损坏数超过冗余数，应向监控系统或其他保护系统发出跳闸信号。

20 试 验

    试验应按照GB/T 20990．1和GB/T 16927．1的规定进行。

21 铭 牌

    阀应有铭牌。铭牌用耐腐蚀材料制成，字样、符号应清晰耐久。铭牌的安装位置在正常运行时应明显可见。
    阀铭牌应包含以下信息：
    ——型号；
    ——额定直流电压；
    ——额定直流电流；
    ——晶闸管级数；
    ——MVU阀塔结构型式；
    ——质量；
    ——制造商名称；
    ——出厂日期。

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