特高壓直流換流閥TFM板發(fā)熱原因分析及改造

李晨光，范 菁

(云南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，云南 昆明 650504)

特高壓錦屏換流站是錦蘇直流輸電工程的送端站，電壓等級(jí)± 800 kV，額定輸送容量 7 200 MW，額定電流 4 500 A，其極1高、低端閥廳和極2高端閥廳換流閥由西電供貨.錦屏換流站自2012年投運(yùn)以來(lái)，曾發(fā)生一次TFM板發(fā)熱著火事件，2次TFM板過(guò)熱停運(yùn)事件.隨后，多次組織專家對(duì)西電TFM板過(guò)熱原因進(jìn)行分析和試驗(yàn)，確認(rèn)均壓電阻是導(dǎo)致過(guò)熱的原因，經(jīng)科學(xué)比選和試驗(yàn)，提出了在阻值不變的情況下，增大電阻體積的整改方案.該方案可以相應(yīng)的增加均壓電阻與空氣的接觸面積，使熱量的輻射速率加快，同時(shí)由于均壓電阻的體積增大，也可以減小均壓電阻的溫升系數(shù)，最終使電阻表面溫度得到降低，從而徹底解決板卡發(fā)熱問(wèn)題，為錦屏站安全穩(wěn)定運(yùn)行排除了隱患.

1 西電TFM板發(fā)熱故障分析

錦屏換流站自2012年12月12日投運(yùn)以來(lái)，于2013年5月25日發(fā)生一次TFM板發(fā)熱著火事件；于2016年7月17日、9月28日發(fā)生2次TFM板過(guò)熱停運(yùn)事件.

1.1 TFM板簡(jiǎn)介

TFM板(thyristor firing monitoring)， 即晶閘管觸發(fā)監(jiān)測(cè)板，為換流站閥塔內(nèi)重要的器件，它由9個(gè)功能模塊組成(圖1)：①均壓及電壓檢測(cè)；②du/dt檢測(cè)；③過(guò)電壓保護(hù)；④供電；⑤取能；⑥門極脈沖放大器；⑦ 邏輯；⑧光接收；⑨光發(fā)射.作為接口，TFM板的主要功能是將閥基電子設(shè)備的信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)高、低壓電路之間的光隔離，并對(duì)晶閘管進(jìn)行觸發(fā)、監(jiān)測(cè)和保護(hù).

圖1 TFM 功能框圖

1.2 西電TFM板結(jié)構(gòu)缺陷

1.2.1 PCB板發(fā)熱與電阻的關(guān)系

已有研究成果表明，埋入式電阻在PCB 板中是主要的無(wú)源器件發(fā)熱源，在板中的位置不同，其溫升不同，并對(duì)其鄰近的器件有明顯的溫度影響，且埋入式電阻在 PCB 中的溫升與其表面積、位置和PCB板的形狀有很大關(guān)系，其關(guān)系式可表示為：Δt=βPS-α.

式中：α和β是與PCB板的熱導(dǎo)率、電阻的形狀、電阻在PCB板中的位置有關(guān)的常數(shù)；P為電阻的功率；S為電阻的表面積.

由上式可知，PCB 板的溫升Δt與電阻的功率P成正比關(guān)系，與電阻表面積S成反比關(guān)系.在相同的功率下，電阻的表面積越大，溫升越小；表面積越小，溫升則越大.

1.2.2 西電TFM板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷

錦屏換流站西門子技術(shù)換流閥均壓電阻設(shè)計(jì)思路與其它換流閥廠家不同，其它廠家均壓電阻均安裝在可控硅散熱器上(例如許繼換流閥)，利用金屬良好的導(dǎo)熱性能進(jìn)行散熱，因此散熱效果較好，觸發(fā)板運(yùn)行溫度均低于 60 ℃；而西門子技術(shù)路線換流閥均壓電阻安裝在TFM板上，主要依靠空氣對(duì)流來(lái)進(jìn)行散熱，散熱效果相對(duì)較差，TFM板運(yùn)行溫度一般保持在95-110 ℃ 的范圍內(nèi)(圖2).

圖2 西門子(左) 和許繼(右)均壓電阻位置對(duì)比圖

1.3 TFM板溫升試驗(yàn)

根據(jù)西電TFM板元件布局的特性及前述PCB板發(fā)熱的理論分析，初步判斷過(guò)熱源為板卡上的均壓電阻引起，為了驗(yàn)證判斷的正確性，進(jìn)行了模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)元件溫升試驗(yàn)(圖3)，試驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)TFM板上的均壓電阻的溫度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)和其它元件在同一時(shí)刻下的溫度進(jìn)行對(duì)比，從而確定可能引發(fā)過(guò)熱故障的根源所在.

圖3 溫升試驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)3級(jí)串聯(lián)的TFM板施加電壓，直至直流均壓電阻表面溫度到達(dá) 106 ℃，并對(duì)電路板上其它共8個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)放置了溫度傳感器.檢測(cè)點(diǎn)為對(duì)溫度比較敏感的電壓較高(如du/dt支路、BOD支路)和電流較高(如取能支路)的半導(dǎo)體器件及電容、均壓電阻和其它元件的溫度測(cè)量點(diǎn)如圖4所示：

圖4 板卡器件溫度檢測(cè)點(diǎn)布置圖

在 2 500 VRMS 的試驗(yàn)電壓下，運(yùn)行 12 min，記錄均壓電阻R38和R40的溫度，并根據(jù)廠家出具的允許溫度值，計(jì)算其耐溫裕度，結(jié)果如圖5所示：

圖5 均壓電阻試驗(yàn)結(jié)果和耐溫裕度表(環(huán)境溫度為 24 ℃)

在 2 500 VRMS 的試驗(yàn)電壓下，運(yùn)行 60 min，測(cè)試除均壓電阻外的其它測(cè)溫點(diǎn)，記錄溫度，并根據(jù)廠家出具的允許溫度值，計(jì)算其耐溫裕度，結(jié)果如圖6所示：

圖6 其它器件溫度測(cè)試結(jié)果和設(shè)計(jì)裕度表(環(huán)境溫度 24 ℃)

經(jīng)計(jì)算，PCB R38只有不到28%的耐溫裕度，長(zhǎng)期運(yùn)行可能損壞PCB基材.

在模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)中，直流均壓電阻的測(cè)試溫度為 106 ℃，雖然對(duì)均壓電阻自身的穩(wěn)定運(yùn)行影響不大，但確實(shí)是TFM板上最為明顯的發(fā)熱點(diǎn).錦屏站TFM板發(fā)熱停運(yùn)事件時(shí)，紅外測(cè)量的最高溫度曾達(dá)到 158.7 ℃，可以確定為均壓電阻引起.另外，均壓電阻運(yùn)行時(shí)的最高溫度，超過(guò)了PCB基材的溫度耐受范圍，會(huì)加速基材損耗，造成焊接松動(dòng)或過(guò)熱起火等重大安全隱患.

2 TFM板改造

根據(jù)溫升試驗(yàn)結(jié)果，考慮對(duì)TFM板上的均壓電阻進(jìn)行改造，從根本上降低TFM板上發(fā)熱源的溫度，以消除發(fā)熱對(duì)換流閥安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患，改造主要為TFM板均壓電阻換型；同時(shí)，介于西電TFM板運(yùn)行時(shí)，局部溫度過(guò)高，可能引發(fā)板卡著火，對(duì)板卡自身甚至鄰近板卡造成嚴(yán)重影響，還增加了端子鎖緊裝置并加裝阻燃板.

2.1 均壓電阻換型

2.1.1 改造方案的原理性分析

介于西電TFM板上的均壓電阻的散熱方式為空氣對(duì)流散熱，因此，在阻值不變且功率相同的情況下，增大電阻的體積，一方面可以相應(yīng)的增加與空氣的接觸面積，使熱量的輻射速率加快，從而降低均壓電阻表面的溫度；另一方面，由于均壓電阻的體積增大，也可以減小均壓電阻的溫升系數(shù)，使得電阻表面溫度得到降低.

為了驗(yàn)證方案的正確性，通過(guò)試驗(yàn)觀察體積大小對(duì)溫升的影響，分別選取SSP52電阻樣品(直徑D= 8.2 mm,長(zhǎng)度L=52.1 mm)與SSP70電阻樣品(直徑D=11 mm,長(zhǎng)度L=70 mm)，在同一密閉箱環(huán)境中，2只電阻樣品阻值均為 500 kΩ，對(duì)其施加相同的功率，待溫度穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù).

最終測(cè)量結(jié)果如圖7所示(在室溫下測(cè)量).

圖7 不同電阻體積對(duì)運(yùn)行溫度的影響

經(jīng)計(jì)算：

SSP52電阻的溫升為：ΔT/P=22.3 ℃/W.

SSP70電阻的溫升為：ΔT/P=16.3 ℃/W.

從試驗(yàn)結(jié)果及分析可以看出，SSP70電阻溫升比SSP52電阻溫升有明顯減小，因此證明了在相同的功率和環(huán)境下，增大電阻體積可以有效降低溫度.

2.1.2 改造方案的可行性分析

換流閥閥廳實(shí)際運(yùn)行時(shí)情況復(fù)雜，理論分析并不足以說(shuō)明方案的有效可行性，為了證明在實(shí)際工況下，換型后的均壓電阻運(yùn)行溫度要更低，進(jìn)行了換型TFM板和未換型TFM板的對(duì)比試驗(yàn)，模擬板卡在現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度、工作電壓與觸發(fā)角度下的溫升情況：

試驗(yàn)將錦屏站兩次因TFM板發(fā)熱換下的板卡、均壓電阻換型TFM板(一塊均壓電阻為藍(lán)色、一塊均壓電阻為黑色)并聯(lián)加壓，使TFM板均壓電阻溫度依次達(dá)到 80 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃(以未換型TFM，熱電偶測(cè)溫方式為基準(zhǔn))，用紅外測(cè)溫儀和熱電偶儀測(cè)量并記錄TFM板上均壓電阻溫度(見圖8).

圖8 TMF板卡并聯(lián)加壓溫升試驗(yàn)圖

橫向?qū)Ρ葴囟龋^察換下TFM板有無(wú)異常溫升，并驗(yàn)證均壓電阻換型TFM板改進(jìn)效果.試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示：

圖9 TFM板卡溫升圖

由圖對(duì)比分析可知，當(dāng)原均壓電阻溫度到達(dá) 100 ℃ 時(shí)，換型均壓電阻溫度低約 20 ℃；同時(shí)，溫度越高，兩者溫度差異越明顯，運(yùn)行過(guò)程中未發(fā)生任何異常.

因此，在實(shí)際運(yùn)行中時(shí)，增大體積的換型均壓電阻能有效減小均壓電阻溫升，并且能保證安全穩(wěn)定運(yùn)行.

2.2 TFM板加裝端子鎖緊裝置

由于TFM板端子松動(dòng)，加之TFM板高溫運(yùn)行時(shí)對(duì)電氣絕緣性產(chǎn)生較大影響，錦屏站2013年5月25日發(fā)生過(guò)TFM板著火事件，為了防止類似的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并加裝了端子鎖緊裝置，如圖(10-12)所示.

圖10 TFM板卡端子鎖緊裝置示意圖

圖11 TFM板卡端子鎖緊裝置實(shí)物圖

圖12 TFM板支架接線鎖緊裝置成品圖(左邊未安裝，右邊已安裝)

鎖緊裝置功能：

1) 所有端子在正確的位置時(shí)，鎖緊裝置才能安裝，從而保證了端子與發(fā)熱部位保持一定距離，保證了端子處的連接可靠性不會(huì)因?yàn)樵^(guò)熱而受到影響.

(2)所有端子被同時(shí)固定，因此不會(huì)因?yàn)橥饬ψ饔檬沟脝蝹€(gè)端子發(fā)生脫落，防止了端子自身短路發(fā)熱而引起類似的事故.

2.3 TFM板換型實(shí)施

2017年2月對(duì)極1低端YD-A相閥塔第二層30塊TFM板進(jìn)行了換型.舊板卡(橙色均壓電阻)如圖13左；新板卡(淺藍(lán)色均壓電阻)如圖13右.將四只均壓電阻換型為體積更大的電阻，但電阻值未變.

圖13 新舊TFM板對(duì)比圖

圖14 新板卡安裝到位

3 TFM板改造后效果分析

為了驗(yàn)證TFM板卡換型后，其運(yùn)行情況得到顯著的改善，在2017年2月更換板卡之后，對(duì)極1低端閥廳TFM板進(jìn)行持續(xù)測(cè)溫，并對(duì)YD-A相閥塔第2層TFM板(換型圖15)、YD-B相閥塔第2層TFM板(未換圖16)的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析(圖中雙極功率單位均為100 MW).

圖15 YD-A第2層TFM板溫升圖(換型)

圖16 YD-B第二層TFM板溫升圖(未換)

YD-A第2層(換型)

根據(jù)圖中趨勢(shì)，TFM板溫度有一定波動(dòng)，總體穩(wěn)定在70℃以內(nèi)，閥廳環(huán)境溫度隨運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)而增加，功率到最高時(shí)TFM板最高達(dá) 69.8 ℃，功率下降后，TFM板溫度也隨之降低一些.

YD-B第2層(未換)

根據(jù)圖中趨勢(shì)，TFM板溫度有一定波動(dòng)，總體穩(wěn)定在 100 ℃ 以內(nèi)，閥廳環(huán)境溫度隨運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)而增加，功率到最高時(shí)TFM板最高達(dá) 99.1 ℃，功率下降后，TFM板溫度也隨之降低一些.

由測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，在相同運(yùn)行功率下，換型后的TFM板，較未換型的TFM板溫度下降約 30 ℃，可見，改造后降溫效果明顯.因此，2017年4月對(duì)極1低端剩余TFM板進(jìn)行了換型，2018年3月完成極2高端TFM板換型，5月完成極1高端TFM板換型，至此，錦屏站西電供貨的 2 160 塊TFM板全部完成了改造換型.

下表為2015年至2018年迎峰度夏期間雙極功率、TFM板故障數(shù)及溫度、閥廳溫度統(tǒng)計(jì)表：

表1 2015-2018年迎峰度夏期間參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

從表1可知，改造換型后的2018年，TFM板故障數(shù)、TFM板溫度、閥廳溫度均有明顯下降.

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，TFM板運(yùn)行溫度在很大程度上影響其故障率，即運(yùn)行溫度降低，其故障率也會(huì)隨之降低，甚至不發(fā)生故障.錦屏換流站TFM板改造換型后至今，還未發(fā)生過(guò)TFM板故障，改造換型效果明顯.

建議在有條件的情況下，對(duì)采用同類型西電供貨的特高壓換流站(如復(fù)龍換流站)的換流閥TFM板全部改造，以徹底消除其發(fā)熱及火災(zāi)隱患，提高特高壓換流站安全穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性.