（免費下載）GB/Z 30424-2013 高壓直流輸電晶閘管閥設計導則
1 范 圍
1 范 圍
本指導性技術(shù)文件規(guī)定了高壓直流輸電用晶閘管閥(以下簡稱閥)設計的基本要求。
本指導性技術(shù)文件適用于水冷卻、空氣絕緣及戶內(nèi)安裝的閥。
2 規(guī)范性引用文件
2 規(guī)范性引用文件
下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。
GB/T 3859.1 半導體變流器 通用要求和電網(wǎng)換相變流器 第1-1部分：基本要求規(guī)范(GB/T 3859.1-2013，IEC 60146-1-1：2009，MOD)
GB/T 16927.1 高電壓試驗技術(shù) 第1部分：一般定義及試驗要求(GB/T 16927.1-2011，IEC 60060-1：2006，MOD)
GB/T 13498 高壓直流輸電術(shù)語(GB/T 13498-2007，IEC 60633：1998，IDT)
GB/T 20989 高壓直流換流站損耗的確定(GB/T 20989-2007，IEC 61803：1999，IDT)
GB/T 20990.1 高壓直流輸電晶閘管閥 第1部分：電氣試驗(GB/T 20990.1-2007，IEC 60700-1：1998，IDT)
3 術(shù)語和定義
3.1
最大直流電流 maximum direct current
閥在規(guī)定的運行條件下，(理論上可在無限時間內(nèi))向負載輸出的最大直流電流。
注：一般在不同冷卻媒質(zhì)和環(huán)境溫度下有不同值。
3.2
2h過載直流電流 2h overload direct current
閥在規(guī)定的2h內(nèi)，能向負載輸出的直流電流。
注：一般在不同冷卻媒質(zhì)和環(huán)境溫度下有不同值。
3.3
短時過載(過負荷)直流電流 short time overload direct current
閥在規(guī)定的短時間內(nèi)(如10s、5s、3s)，能向負載輸出的直流電流。
注：此時，晶閘管電流應力是主要的限制因素。
3.4
額定直流電流 rated direct current
按規(guī)定的負載條件和使用條件，制造商為換流器規(guī)定的直流電流(平均值)。
3.5
最大理想空載直流電壓 maximum ideal no-load direct voltage
一般指換流器在空載情況下的最大直流電壓(Udi0max)。
注：此時，將各種電壓降和電網(wǎng)電壓波動的因素忽略不計。
3.6
額定直流電壓 rated direct voltage
換流器在規(guī)定條件下，輸出的直流電壓應達到的平均值。
3.7
額定直流功率 rated direct power
額定直流電壓與額定直流電流之積。
3.8
晶閘管電子單元 thyristor electronic unit
為晶閘管提供觸發(fā)和保護及監(jiān)控功能等的電子電路。
3.9
額定結(jié)溫 rated junction temperature
晶閘管正常工作允許的最高結(jié)溫。
4 符號和縮略語
4.1 符 號
下列符號適用于本文件。
C 冷卻液的比熱常數(shù)
Cd 阻尼電容
CS 與閥結(jié)構(gòu)相關(guān)雜散電容的總和
drmin 最小相對阻性電壓降
dxmin 最小相對感性電壓降
Fr 單閥中串聯(lián)晶閘管級冗余度
Idmax 最大直流電流
IdN 額定直流電流
Ik 最大短路電流值
Koff 直流甩負荷引起的電壓升高系數(shù)
kd 單閥總電壓分布系數(shù)
kdm 設計余量系數(shù)
Lk 換流變壓器漏抗
Nr 單閥中串聯(lián)晶閘管級冗余數(shù)
Nt 單閥中串聯(lián)晶閘管級總數(shù)
nmin 單閥串聯(lián)最小晶閘管級數(shù)
PAV 晶閘管的穩(wěn)態(tài)損耗
PT 閥總損耗
q 冷卻液流量
Rd 阻尼電阻
Rja 晶閘管的總熱阻
Rjc 晶閘管的結(jié)殼熱阻
Ta 使用環(huán)境溫度
Tc 管殼溫度
Tj 穩(wěn)態(tài)結(jié)溫
Tjm 額定結(jié)溫
Tjl 瞬態(tài)結(jié)溫
Tl 施加瞬態(tài)負載前的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫
Ud 直流電壓(六脈動橋輸出值)
Udi0max 最大理想空載直流電壓
Udi0N 額定理想空載直流電壓
UT 單閥的額定電壓降
VRSM 反向不重復峰值電壓
Zja(t) 晶閘管的總瞬態(tài)熱阻抗
Zjc(t) 晶閘管的結(jié)殼瞬態(tài)熱阻抗
αmin 最小(觸發(fā))延遲角
ΔP 晶閘管的瞬態(tài)損耗與穩(wěn)態(tài)損耗之差
4.2 縮略語
下列縮略語適用于本文件。
VCU 閥控制設備(Valve Control Unit)
ETT 電觸發(fā)晶閘管(Electrical Triggered Thyristor)
LTT 光觸發(fā)晶閘管(Light Triggered Thyristor)
MVU 多重閥(單元)[Multiple Valve(Unit)]
SIPL 操作沖擊保護水平(Switching Impulse Protective Leve1)
TEU 晶閘管電子單元(Thyristor Electronic Unit)
VBE 閥基電子設備(Valve Base Electronics)
5 產(chǎn)品型號及基本參數(shù)等級
5.1 產(chǎn)品型號
推薦采用GB/T 3859.1中的相關(guān)規(guī)定。
5.2 直流電壓額定值等級
額定直流電壓值(kV)推薦在下列數(shù)值中選取，具體值由業(yè)主和制造商確定：
50、63、80、100、120、125、160、166、200、250、315、400、500、630、660、800、1100。
5.3 直流電流額定值等級
額定直流電流值(A)推薦在下列數(shù)值中選取，具體值由業(yè)主和制造商確定：
500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、5000。
注：以上額定值是參考GB/T 3859.1的要求，結(jié)合已有直流工程的電壓、電流等級在R10數(shù)系中選取的。
6 技術(shù)要求
6.2 特殊使用條件
不符合6.1的規(guī)定時，應在技術(shù)規(guī)范中提出，制造商在設計時充分考慮。
7 閥電壓的確定
7.2 閥晶閘管級冗余數(shù)Nr的確定
晶閘管級冗余數(shù)Nr是在閥中滿足規(guī)范要求的耐壓水平要求的最少串聯(lián)晶閘管級數(shù)的基礎上，再多串聯(lián)的晶閘管級數(shù)。Nr可采用式(2)計算：
Nr≥(Fr－1)×Nt/Fr ………………(2)
一般在業(yè)主的技術(shù)要求中Fr有明確要求，見6.4.4。
8 閥電流的確定
8.1 2h和短時過載電流
2h和短時過載電流取決于閥的損耗、冷卻條件、環(huán)境條件、晶閘管等部件的溫度限值，依據(jù)工程技術(shù)規(guī)范對2h和短時過載電流的要求，設計閥各部件(主要包括晶閘管、阻尼回路、電抗器等)及冷卻系統(tǒng)。
8.2 閥暫態(tài)過電流
在故障情況下，閥應具有一定的暫態(tài)過電流能力。閥暫態(tài)過電流設計原則如下：
——在規(guī)定的晶閘管結(jié)溫下，所有的冗余已經(jīng)用完，閥應具有6.4.3.2要求的能力；
——當單閥中所有的晶閘管級全部短路或單閥外部閃絡(實際上將形成兩相短路電流，這種故障在整流側(cè)最為嚴重)，閥的最大短路電流可用式(3)計算：
即要求晶閘管級的浪涌電流能力不得小于預期的最大短路電流值。
計算最大故障電流應考慮的運行條件為：最高的閥側(cè)繞組電壓、最小的換流變壓器漏抗、最大的交流系統(tǒng)短路水平和最小觸發(fā)角。故障電流最大值主要取決于換流變壓器短路阻抗。
通常，在閥技術(shù)規(guī)范中，對閥暫態(tài)過電流有具體要求，并應經(jīng)過閥型式試驗驗證。
9 阻尼回路的確定
9 阻尼回路的確定
在直流輸電三相橋中，每個臂關(guān)斷時，其電壓由零突然上升至反向電壓。由于線路電感及雜散電容的存在，形成一個低阻的LC電路，這種電壓的突然躍變，將在回路中產(chǎn)生衰減很慢的振蕩，如果不采取抑制措施，振蕩電壓的幅值可達反向電壓峰值的數(shù)倍。
在三相橋式電路中，一般采用內(nèi)阻尼或外阻尼方式對振蕩電壓進行抑制，同時還應充分考慮阻尼回路的功率損耗。在直流輸電系統(tǒng)中，一般采用內(nèi)阻尼方式，見圖5。
圖5給出了考慮電路漏感和設備雜散電容時的內(nèi)阻尼電路。導致電壓振蕩的電感有系統(tǒng)等值電感、變壓器漏感和引線電感。其中，引線電感很小，可忽略不計。變壓器漏感總是起主要作用。系統(tǒng)等值電感在變壓器第三繞組沒有諧波濾波器時，不能忽略，但當接有濾波器時，則可忽略，只考慮變壓器漏感Lk。圖5中，C1n(C11、C12、C13)包括變壓器二次繞組對鐵心和箱殼的電容、變壓器套管對地電容、從變壓器到閥體引線對地電容、穿墻套管對地電容等；每個閥電容Cv包括閥體本身的雜散電容及接入閥體中的電容；每個極對地電容Cp包括由閥到平波電抗器Ld引線或電纜上的對地電容、套管對地電容，以及接在極上的各種設備的對地電容，如直流電壓互感器、直流電流互感器等的對地電容。
下面以閥1為例討論。在閥1關(guān)斷前，電路中閥1和閥2導通。在閥3觸發(fā)后，閥1與閥3換相，然后閥1關(guān)斷。在閥1關(guān)斷時，閥2和閥3導通，與它們并聯(lián)的RC、Cv等均被短路，Cp1通過閥3與C12并聯(lián)，Cp2通過閥2與C13并聯(lián)。為簡化起見，?。?span style="display:none">（免費下載）GB/Z 30424-2013 高壓直流輸電晶閘管閥設計導則
Cv1＝Cv2＝Cv3＝Cv4＝Cv5＝Cv6＝Cv
C11＝C12＝C13＝C1
Cp1＝Cp2＝Cp
將閥1以外的電路進行等效變換，再接入閥1，得到等效電路見圖6。
在參數(shù)選擇不同時，圖8所示電路可能出現(xiàn)非臨界振蕩、臨界振蕩和振蕩三種工作狀態(tài)。工程中一般選擇為非臨界振蕩狀態(tài)。此時，Cd和Rd的選取綜合考慮損耗的因素，由式(5)確定：
式中：
k——一般來自工程經(jīng)驗值。
10 閥電抗器的確定
10 閥電抗器的確定
閥電抗器的設計原則為：依據(jù)晶閘管級開通時di/dt承受能力和在運行時各種故障情況可能出現(xiàn)的異常電壓分布確定。閥電抗器應滿足如下要求：
——在陡波前和雷電波過電壓沖擊下承擔部分電壓，從而使晶閘管級免受過電壓損壞；
——限制晶閘管級開通時的di/dt和電流過零等；
——改善閥兩端出現(xiàn)的異常電壓分布。
11 閥損耗的確定
11.1 閥損耗的計算
閥損耗由晶閘管的損耗和閥內(nèi)輔助系統(tǒng)元件或設備的損耗組成，主要包括：閥通態(tài)損耗P1、閥開通時的擴散損耗P2、閥其他通態(tài)損耗P3、與直流電壓相關(guān)的損耗P4、與電阻器相關(guān)的阻尼損耗P5、與電容器相關(guān)的阻尼損耗P6、閥關(guān)斷損耗P7、閥電抗器損耗P8。閥的總損耗PT即為以上損耗之和。
閥各部分損耗計算按GB/T 20989的規(guī)定進行。
12 閥冷卻系統(tǒng)
12 閥冷卻系統(tǒng)
閥冷卻系統(tǒng)是閥的重要組成都分，分為內(nèi)冷卻系統(tǒng)和外冷卻系統(tǒng)。內(nèi)冷卻系統(tǒng)又稱為一次循環(huán)水系統(tǒng)，主要用來吸收晶閘管及其輔助元件產(chǎn)生的熱量。外冷卻系統(tǒng)的主要功能是對一次循環(huán)水系統(tǒng)進行冷卻。
閥對水冷卻系統(tǒng)一般會提出包括散熱功率、冷卻水電導率、流量、進閥溫度、出閥溫度、MVU最大壓降、報警和跳閘信號等要求。
閥的進、出口冷卻水的溫度差按式(10)計算：
ΔT＝PT/(q×C) …………………………(10)
式中：
ΔT——閥冷卻水進、出口溫度差，單位為開爾文(K)；
PT——閥總損耗，單位為瓦(W)；
q——冷卻水流量，單位為千克每秒(kg/s)；
C——冷卻水的比熱常數(shù)，單位為焦耳每千克開爾文[J/(kg·K)]。
13 設計優(yōu)化
13 設計優(yōu)化
閥設計時，應充分考慮各個設計環(huán)節(jié)的配合，對所選參數(shù)進行仿真優(yōu)化。仿真優(yōu)化應遵循的原則為：
——包含閥的所有運行工況；
——仿真回路的組成盡可能與實際運行情況相同；
——仿真回路盡可能考慮到影響閥運行的所有參數(shù)；
——由仿真得出的各個部分的電壓分布符合設計要求；
——仿真回路中使用的等效回路完整、合理。
14 防火設計
14 防火設計
為了減小火災的風險，閥在設計上應盡可能消除導致火災的任何因素，將火災在閥內(nèi)蔓延的可能性降至最低。設計應遵守以下原則：
——閥內(nèi)的非金屬材料宜是阻燃的，并具有自熄滅性能；
——避免電子元件超過其耐受的熱應力；
——減少電接觸點的數(shù)量，所有電接觸點使用螺栓緊固；
——宜采用無油元件；
——減小絕緣部分的電勢差，避免在污染和潮濕環(huán)境下發(fā)生較大的泄漏電流。
15 機械結(jié)構(gòu)設計
15 機械結(jié)構(gòu)設計
閥的機械結(jié)構(gòu)設計基本原則如下：
——可靠性高；
——便于維護；
——便于現(xiàn)場快速簡便安裝。
通過在閥結(jié)構(gòu)設計中使用簡單化和標準化的方法，使閥實現(xiàn)重量輕、簡潔和易于組裝。同時，閥設計還應遵循最少量的電連接和水路連接規(guī)則，以保證牢固和可靠。
閥的懸吊設計應使閥對所有動態(tài)和靜態(tài)條件都有良好的承受能力，閥設計應考慮地震的特殊要求。
16 TEU控制和保護設計
16 TEU控制和保護設計
除直流極控制保護功能對閥保護作用外，TEU的控制和保護應滿足閥控制保護系統(tǒng)的要求，功能完整、正確、可靠性高。
晶閘管級還應設計如下保護：
——每個晶閘管級帶有正向保護觸發(fā)。當施加的正向電壓超過允許的水平時，保護觸發(fā)將晶閘管級觸發(fā)導通，以避免晶閘管級損壞。允許晶閘管級保護觸發(fā)連續(xù)動作；
——晶閘管級設置恢復期保護，確保不因恢復期dv/dt上升或正向電壓超過允許值造成晶閘管級損壞。
17 避雷器設計
17 避雷器設計
每個單閥都應設計金屬氧化物避雷器進行過電壓保護，限制單次或重復的動態(tài)過電壓峰值，并將避雷器動作事件記錄(如沖擊放電次數(shù)等)傳送到主控制室。
18 VBE(或VCU)設計
18 VBE(或VCU)設計
VBE(或VCU)應設計為冗余系統(tǒng)，并具有完善的自檢功能和符合規(guī)范要求的接口，用于觸發(fā)和監(jiān)測閥。VBE(或VCU)的故障不應造成閥損壞。
19 閥監(jiān)視(TM)設計
19.1 監(jiān)視功能
應提供對晶閘管級監(jiān)視的功能，以便確認每一晶閘管級的狀態(tài)，并指示任何晶閘管級損壞的位置。
19.2 報警或跳閘功能
在任何一個單閥中任一晶閘管級損壞時，監(jiān)視設備應發(fā)出報警信號。如果晶閘管級損壞數(shù)超過冗余數(shù)，應向監(jiān)控系統(tǒng)或其他保護系統(tǒng)發(fā)出跳閘信號。
20 試 驗
20 試 驗
試驗應按照GB/T 20990.1和GB/T 16927.1的規(guī)定進行。
21 銘 牌
21 銘 牌
閥應有銘牌。銘牌用耐腐蝕材料制成，字樣、符號應清晰耐久。銘牌的安裝位置在正常運行時應明顯可見。
閥銘牌應包含以下信息：
——型號；
——額定直流電壓；
——額定直流電流；
——晶閘管級數(shù)；
——MVU閥塔結(jié)構(gòu)型式；
——質(zhì)量；
——制造商名稱；
——出廠日期。
