超高壓直流工程VBE系統的優化設計

董麗　鐵思佳

摘 要：VBE系統是高壓直流輸電換流閥控制系統的重要組成部分，負責換流閥的觸發、保護及相關狀態檢測，是直流控制保護設備與換流閥之間的唯一接口設備，對高壓直流系統的穩定運行至關重要。近幾年，我國直流系統發生了多起由于VBE系統故障導致的閉鎖事故，文章通過對VBE系統的優化設計，為今后直流VBE系統改造提供了技術依據。

關鍵詞：超高壓；直流；VBE

引言

VBE系統是高壓直流輸電換流閥控制系統的重要組成部分，負責換流閥的觸發、保護及相關狀態檢測，是直流控制保護設備與換流閥之間的唯一接口設備。中國最早投運的葛南直流工程就使用了VBE系統，但該VBE系統完成的功能比之后的黑河、貴廣、興安簡單很多，類似于ABB公司的電控閥觸發設備VCU。由于VBE系統既不屬于直流控制保護設備也不屬于換流閥設備，加之當時國內各設備制造廠家對于整個高壓直流輸電設備的接口關系尚不熟悉，所以國內沒有廠家對西門子公司的VBE系統進行完全的技術引進，只有西電集團有部分VBE系統資料。

近幾年，特別是興安直流投運以來，超高壓公司直流系統發生了多起由于VBE系統故障導致的閉鎖事故，為深入分析VBE系統故障原因，通過對歷年VBE故障情況的全面的梳理、統計，對比VBE板卡出現故障的特點及規律，初步找到了一些VBE系統的故障規律，分析了VBE板卡故障的可能原因，并提出了下一步的優化設計。

1 VBE系統優化設計的意義

黑河背靠背直流輸電系統是中俄聯網工程，是國家電網第一個國產化的直流輸電工程（以下簡稱黑河直流工程），也是我國第一條國際性的高壓直流輸電工程。將俄方的電力能源輸送至黑龍江電網，其額定容量750MW，額定電壓±125kV，直流電流3000A。自2009年9月26日投運以來，為聯接我國東北電網和俄羅斯遠東電網，做出了重大貢獻。

隨著運行時間的增長，黑河直流工程控制保護系統軟、硬件故障逐漸暴露出來，給黑河直流工程的運行、維護和安全可靠運行帶來了巨大的困難和壓力。近年來，多次發生VBE故障影響直流系統運行的情況，主要體現為運行中的VBE設備異常或板卡故障。隨著運行時間的增長，北方的自然環境惡劣，黑河直流工程VBE系統板卡更加老化、備品備件供應缺乏的情況將難以避免。為此，對黑河直流工程VBE系統優化設計，并對黑河直流工程VBE系統進行改造是十分必要，為今后進一步提高黑河直流工程的系統運行可靠性和穩定性意義重大。

2 VBE功能設計

VBE是采用SIEMENS早期技術開發的晶閘管控制單元，基本功能是實現監視晶閘管的狀態、接收極控的控制脈沖并處理、觸發晶閘管、監視閥廳避雷器動作、監視閥冷卻水的狀態等，并具有根據不同的運行狀態進行系統切換及報警處理等邏輯功能。

VBE所具有的運行模式及主要功能如下：

（1）無換相運行模式

當電壓加到閥上，不觸發晶閘管，就可測試檢查晶閘管及TE板的狀態。當VBE接收到來自極控的CONV_CB_ON（換流變充電）信號和CP（控制脈沖），無換相的運行就開始了。VBE周期性的給TE板發送單脈沖，如果每個晶閘管及其相關的TE板和光纜功能正常，TE板將會發送一個報告脈沖到VBE。

（2）有換相運行模式

當極控發出信號CONV_DBLK（換流閥解鎖）和CP（控制脈沖）到VBE，標志閥進入開通周期，VBE進入有換相運行模式。在該運行模式中會分為四個階段。

第一階段：觸發準備就緒

這個階段允許晶閘管被觸發。當VBE檢測到CP的上升沿觸發開始，VBE會發出一個雙脈沖（2個3us長的單脈沖，相互間隔10us）。如果穿過相關的晶閘管的電壓超過120V（20V），一個門極脈沖就會產生，從而導通晶閘管。

第二階段：閉鎖階段

在CP的下降沿，VBE發出第一個單脈沖（一個3us長的脈沖）到TE板，在設定的延時100us后，禁止進一步的觸發。當晶閘管關斷，穿過晶閘管的電壓低于120V，指示電流結束的反饋信號送到VBE。當至少有4個這種信號返回到VBE，VBE發送一個大約100us的信號（EOC信號）到極控，并發送一個3us長的單脈沖到TE板，從而切換它們進入第3階段。

第三階段：換相失敗保護

如果晶閘管的電壓下降速度超過100V/us，TE板就會再次觸發晶閘管，并將報告脈沖發送到VBE。在這個階段，如果有5個晶閘管將此報告脈沖發送給VBE，VBE將會啟動一個雙脈沖，從而接通這個閥的所有的晶閘管。第3階段持續大約1.1ms。在此之后VBE會發送第3個單脈沖。

第四階段：狀態監視

在第三個單脈沖之后經過大約30us延時，一個反饋脈沖也叫狀態脈沖從每個TE發送到VBE。每個丟失的狀態信號就會被認為是一個晶閘管級故障。

（3）保護性觸發

如果TE板正常發送到晶閘管的門極脈沖丟失，TE板有一個后備觸發回路會發送門極脈沖用于保護晶閘管免受過電壓損壞。當正向電壓超過7200V（允許范圍是7200V到7500V），TE板檢測到會發送門極脈沖觸發晶閘管。觸發后，向VBE發送信號進行處理。

VBE在發送雙脈沖之后大約500us內進行掃描。在這個時間間隔內的任何反饋信號均被認為是保護性觸發的報告信號。當一個閥中有4個晶閘管發生保護性觸發時，VBE會發送一個告警信號到極控。

（4）恢復期的保護性觸發

在這個階段，TE板會監視穿過晶閘管的恢復電壓上升率。當dv/dt>70V/us時，TE板發出一個門極脈沖（恢復期的保護性觸發）。如果穿過晶閘管的電壓超過120V且dv/dt>70V/us，TE板發送信號到VBE。如果一個閥同時由5個以上的信號產生，VBE會發送一個雙脈沖到TE板去導通此閥。在雙脈沖后大約80us，VBE輸出3個單脈沖去取消TE的觸發，并以正常模式運行。

以上為優化設計后VBE所具有的運行模式及主要功能，以保證換流器及其附屬器件的正常運行。

3 結束語

通過搭建動模仿真試驗系統，模擬了真實工況下，VBE與極控、VBE與TE及晶閘管之間的時序配合，試驗表明：優化后的VBE設備能正確觸發晶閘管，能正確返回回檢信號。各項試驗結果充分驗證了直流VBE系統優化設計的可行性，驗證了其試驗方案的有效性，為今后直流VBE系統改造提供了技術依據，同時也為實施改造的可行性奠定了基礎。

參考文獻

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[4]韓偉，徐玲玲.靈寶換流站控制/直流保護系統與閥的接口設計[J].高電壓技術，2005，31（2）.

作者簡介：董麗（1973-），女，1996年畢業于哈爾濱理工大學機械專業，工程師。