基于Simulink和FloTHERM仿真的換流閥TE板缺陷分析及改進(jìn)設(shè)計

超高壓輸電公司廣州局 陳 浩 王晨濤 石延輝 賴桂森

天廣直流工程換流閥使用電觸發(fā)晶閘管技術(shù)，電觸發(fā)換流閥晶閘管電子板簡稱為TE 板，實現(xiàn)晶閘管觸發(fā)、監(jiān)測與保護功能。其du/dt 保護功能主要用以實現(xiàn)當(dāng)晶閘管處于反向恢復(fù)保護期、且兩端電壓上升速率大于100V/us 時，du/dt 保護電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，以避免晶閘管損壞。近年換流閥維護發(fā)現(xiàn)部分TE 板du/dt 保護功能回路存在元件燒蝕、損壞的現(xiàn)象。經(jīng)分析，TE 板du/dt 保護功能元件可靠性低，長期運行后元件若燒蝕、損壞，將導(dǎo)致晶閘管在反向恢復(fù)期失去du/dt 保護，從而承受過高的電壓而損壞。若一個閥內(nèi)的多個TE 板均無du/dt 保護，可能導(dǎo)致雪崩效應(yīng)進(jìn)而造成直流跳閘。

針對高壓直流輸電系統(tǒng)中的換流閥TE 板在長時間的運行中經(jīng)常發(fā)生du/dt 保護功能回路的元件燒蝕、損壞的現(xiàn)象，本文對換流閥TE 板的工作原理進(jìn)行了研究。首先分析換流閥TE 板du/dt 保護功能回路的工作原理，然后基于Simulink 和FloTHERM 進(jìn)行仿真分析換流閥TE 板du/dt 保護功能回路存在的潛在缺陷，開展可靠性研究，進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，提高元件可靠性。

1 TE 板工作原理

1.1 TE 板功能簡介

換流閥晶閘管觸發(fā)與監(jiān)測單元如圖1所示，在整個監(jiān)控系統(tǒng)中，閥基電子設(shè)備（VBE）主要負(fù)責(zé)將控制保護系統(tǒng)發(fā)出的觸發(fā)字與晶閘管結(jié)溫保護字通過光纖發(fā)送至TE 板，同時負(fù)責(zé)接收來自TE 板的回報信息，將其代表的晶閘管狀態(tài)傳遞給控制保護系統(tǒng)。控制保護系統(tǒng)根據(jù)運行工況選擇觸發(fā)需要導(dǎo)通的換流閥，并為換流閥提供快速保護以及監(jiān)視換流閥運行情況的作用。TE 板主要功能有：從阻尼回路獲取能量，滿足板卡工作需要并能滿足故障條件下TE 板的正常功能；正常觸發(fā)晶閘管；負(fù)壓監(jiān)測；晶閘管正向過電壓保護和du/dt 保護；晶閘管反向恢復(fù)保護。

圖1 晶閘管觸發(fā)與監(jiān)測系統(tǒng)

1.2 TE 板基本原理

TE 板工作原理如圖2，其由光信號接收模塊、光信號發(fā)射模塊、晶閘管電壓監(jiān)測模塊、邏輯控制模塊、晶閘管門極脈沖放大模塊、BTC 模塊、電源模塊構(gòu)成，通過光頭與VBE 連接，板卡內(nèi)部各功能模塊間采用電信號連接。TE 板產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖有3個回路：BTC 回路、電壓變化率監(jiān)測回路及接收VBE 系統(tǒng)正常觸發(fā)信號的回路。

圖2 TE 板工作原理框圖

正常觸發(fā)信號：當(dāng)VBE 向TE 板發(fā)送雙脈沖觸發(fā)信號后，且晶閘管兩端電壓大于120V、TE 板電源電壓滿足觸發(fā)要求后，邏輯控制模塊產(chǎn)生觸發(fā)晶閘管的信號，經(jīng)晶閘管門極模塊放大電路放大后施加到晶閘管門極觸發(fā)晶閘管；BTC 回路觸發(fā)信號：當(dāng)晶閘管電壓超過設(shè)定的保護值時，BTC 回路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖直接施加到晶閘管門極上觸發(fā)晶閘管，以避免晶閘管損壞[1]；du/dt 觸發(fā)信號：當(dāng)晶閘管處于反向恢復(fù)保護期且兩端電壓上升速率大于100V/us 時，du/dt 保護電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，以避免晶閘管損壞。

2 TE 板的du/dt 回路仿真分析

2.1 仿真工具簡介

Simulink 是MATLAB 最重要的組件之一。它是利用圖形化的工具進(jìn)行建模仿真的，可提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，在該環(huán)境中，只需通過鼠標(biāo)簡單操作就可構(gòu)建成各式各樣的系統(tǒng)模型。針對包括通信、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink 提供交互性圖像化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。FloTHERM 是一款專門用于電子散熱領(lǐng)域的三維熱仿真和優(yōu)化設(shè)計軟件，可應(yīng)用于封裝元件、PCB 板、系統(tǒng)設(shè)備和數(shù)據(jù)中心等不同層級。在任何實體樣機建立之前，用戶可通過FloTHERM軟件創(chuàng)建產(chǎn)品的虛擬模型，檢測產(chǎn)品內(nèi)部的氣流流動、溫度分布和熱量傳遞過程。根據(jù)FloTHERM提供的仿真結(jié)果可識別產(chǎn)品存在的熱風(fēng)險并且進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性[2]。

2.2 du/dt 原理

du/dt 檢測模塊電路如圖3所示，du/dt 電壓檢測電路用于檢測晶閘管正向電壓時電壓變化，du/dt檢測模塊通過電容C8、電阻R18和電阻R28、R22、電容C5分壓進(jìn)行檢測，當(dāng)電壓變化率超過du/dt 時，施密特觸發(fā)器D2E 輸出電壓信號du/dt 為高電平。電壓變化率為du/dt 時，由于變化電壓落在電容C8兩端，計算得到回路電流i=C×du/dt=110pF×du/dt，D2施密特觸發(fā)器9管腳輸入電壓為：U=R×i=（1kΩ//1kΩ）×110pF×du/dt=55du/dt V/us。由HEF40106芯片手冊可知VT+=5.8V，計算得到du/dt 約為100V/us。當(dāng)電壓變化率大于100V/us時，du/dt 輸出為正。

圖3 du/dt 回路原理圖

2.3 建模仿真

利用simulink 對板子進(jìn)行電路仿真。晶閘管du/dt 檢測模塊仿真電路如圖4所示，晶閘管輸入電壓為7.2kV、50Hz 的正弦電壓，為了測試du/dt 檢測電路的工作性能，在t=20ms 時施加了一個脈寬50us，電壓幅值1kV，電壓上升時間和下降時間均為10us 的脈沖（即電壓上升率為100V/us），仿真結(jié)果如圖5～8。

圖4 simulink 搭建的du/dt 模型圖

圖5 du/dt 回路輸入電壓實時波形圖

圖6 du/dt 回路輸出電壓實時波形圖

圖7 C8電壓實時波形圖

圖8 R18電壓實時波形圖

由仿真結(jié)果可知，du/dt 電路能正常工作，持續(xù)監(jiān)測電路的電壓變化率。但該電路存在的問題一是電容高壓電容C8兩端電壓高；二是C8長時間承受高壓，積污老化后最終導(dǎo)致被擊穿，引起功率電阻R18長時間過載，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重并被燒毀。利用FloTherm 對TE 板子進(jìn)行熱仿真。對需要監(jiān)控溫度的位置增加監(jiān)控點，本次仿真需要在C8和R18兩處地方設(shè)置監(jiān)控點，監(jiān)控其溫度數(shù)據(jù)。仿真分析可知，TE 板正常工作時，R18和C8兩處的板溫為環(huán)境溫度。只要工作環(huán)境溫度不高，那么它們的溫度也不會很高，從而導(dǎo)致其燒毀[3]。

圖9 TE 板FloTherm 仿真模型

圖10 C8處溫度

圖11 R18處溫度

3 TE 板改進(jìn)設(shè)計

由仿真分析可知，TE 板的du/dt 回路部分元件過熱問題與PCB 的設(shè)計布線，以及板內(nèi)元件熱傳導(dǎo)關(guān)系不大，更多與原理設(shè)計有關(guān)。由于du/dt 回路是并在晶閘管端的，高壓電容C8擊穿后閥端電壓加在電阻R18兩端，R18長時間過載，因此有明顯的燒灼痕跡。針對TE 板這一薄弱環(huán)節(jié)對TE 板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，改進(jìn)后的du/dt 電路采用多個電阻電容并聯(lián)后再串聯(lián)構(gòu)成，du/dt 保護定值通過電阻R41-R50和電阻R51分壓進(jìn)行確定。優(yōu)化后的du/dt 電路一方面減少了板卡內(nèi)的高壓器件、避免了高壓電容積污及功率電阻發(fā)熱問題，另一方面提高了元件冗余度，進(jìn)一步提高了回路可靠性[4]。最終改進(jìn)后的仿真模型圖12。

圖12 優(yōu)化后TE 板du/dt 回路

圖14 du/dt 回路輸出電壓實時波形圖

圖15 單個電容電壓波形對比圖

圖16 單個電阻電壓波形對比圖

圖17 電路中1～8個電容擊穿時單個電容電壓波形圖

圖18 電容依次擊穿時du/dt 回路輸出電壓實時波形圖

同樣輸入電壓為7.2kV、50Hz 的正弦電壓，在t=20ms 時施加了一個脈寬50us、電壓幅值1kV、電壓上升時間和下降時間均為10us 的脈沖（即電壓上升率為100V/us），仿真結(jié)果如圖13～18所示。

圖13 du/dt 回路輸入電壓實時波形圖

根據(jù)仿真模型，得到單個電容的電壓波形，改進(jìn)后的電路取得了明顯的效果，電容電壓兩側(cè)電壓顯著下降，提高了整體電路的耐壓水平。電阻兩側(cè)電壓與原R18兩側(cè)對比也有明顯的下降。同時通過仿真發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的du/dt 電路采用多個電阻電容并聯(lián)后再串聯(lián)構(gòu)成，不僅分壓效果明顯、單個電容的電壓顯著下降。并且能提高電路運行的穩(wěn)定性，在出現(xiàn)單個電容擊穿的情況下，電路仍然能穩(wěn)定工作[5]。

綜上，針對換流閥TE 板du/dt 保護功能回路經(jīng)常發(fā)生元件燒蝕、損壞等現(xiàn)象，本項目通過對電路原理實施建模仿真進(jìn)行原因分析，初步判斷該現(xiàn)象為電路設(shè)計上存在高壓元件單一、缺乏冗余度的缺陷，長期運行后積污、老化導(dǎo)致。針對電路缺陷，本項目進(jìn)一步提出了優(yōu)化設(shè)計方法并完成相關(guān)電路設(shè)計。