換流閥EOC信號(hào)延遲原因分析及解決措施

蘇云東，段文學(xué)

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 文山供電局，云南 文山 663000）

0 引 言

換流閥在換相過程中會(huì)產(chǎn)生電流過零和電壓過零點(diǎn)，極控系統(tǒng)通過測(cè)量板卡ESP10計(jì)算每一個(gè)換流閥電流過零到電壓過零的時(shí)間，可以精確得到每一個(gè)換流閥的熄弧角。電流的過零信號(hào)EOC通過12個(gè)換流閥的晶閘管電壓監(jiān)視（Thyristor Voltage Monitoring，TVM）板來檢測(cè)，并通過VBE傳送給極控系統(tǒng)。

在逆變站，如果檢測(cè)到電壓過零信號(hào)而沒有檢測(cè)到電流過零信號(hào)，或者檢測(cè)到電流過零信號(hào)而沒有檢測(cè)到電壓過零信號(hào)，都會(huì)產(chǎn)生電流過零故障信號(hào)，導(dǎo)致?lián)Q相失敗，嚴(yán)重的甚至發(fā)生直流閉鎖[1]。而換流閥EOC信號(hào)延遲，將直接導(dǎo)致電流過零故障。某換流站就是由于多次發(fā)生換流閥電流過零故障導(dǎo)致直流多次換相失敗，在2016年5月23日和26日，由于電流過零故障曾引發(fā)直流閉鎖。本文分析由換流閥TVM板問題引起EOC信號(hào)延遲的原因，提出相應(yīng)的處理措施，為類似的直流工程問題提供參考解決方案。

1 換流閥EOC信號(hào)延遲原因分析

1.1 TVM的工作原理及基本功能

高 壓 直 流 輸 電（High-Voltage Direct Current，HVDC）換流閥由許多串聯(lián)晶閘管級(jí)組成，每個(gè)晶閘管級(jí)均安裝有獨(dú)立的TVM板[2]。TVM原理如圖1所示，其中R為阻尼電阻，C為均壓阻尼電容，Th為直接光控晶閘管。

圖1 TVM原理框

每個(gè)晶閘管級(jí)有一塊TVM板，以確保晶閘管之間的電壓均勻分布，并監(jiān)測(cè)晶閘管兩端的電壓。

換流閥在運(yùn)行中，由各晶閘管級(jí)的TVM板在線檢測(cè)晶閘管兩端的電壓，形成如圖2所示的回檢信號(hào)。

圖2 TVM產(chǎn)生的回檢信號(hào)

當(dāng)晶閘管電壓達(dá)50～70 V時(shí)，TVM會(huì)發(fā)送6 μs寬的正電壓建立回報(bào)信號(hào)到VBE的光接收板；當(dāng)晶閘管電壓達(dá)-150～-170 V時(shí)，TVM會(huì)發(fā)送2 μs寬的負(fù)電壓建立回報(bào)信號(hào)；當(dāng)監(jiān)測(cè)到晶閘管電壓為6 500～7 500 V時(shí)，TVM會(huì)發(fā)送12 μs寬的轉(zhuǎn)折二極管（Break Over Diode，BOD）動(dòng)作回報(bào)信號(hào)。

該換流站的TVM板設(shè)計(jì)回報(bào)信號(hào)參數(shù)如下：正向電壓建立6～8 μs回報(bào)信號(hào)光脈沖寬度，發(fā)送回報(bào)光脈沖時(shí)，晶閘管兩端的電壓為（130±20）V；負(fù)向電壓建立2～3 μs回報(bào)信號(hào)光脈沖寬度，發(fā)送回報(bào)光脈沖時(shí)，晶閘管兩端的電壓為（-160±20）V；正向過電壓回報(bào)信號(hào)光脈沖寬度為12～15 μs，發(fā)送回報(bào)光脈沖時(shí)，晶閘管兩端的電壓為（7 200±300）V[3]。

1.2 TVM的參數(shù)測(cè)試方法

將交流可調(diào)電源電壓調(diào)制到Us=1 500 V，設(shè)置示波器相關(guān)參數(shù)，讀取通道2的數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)值作比較，其測(cè)試接線如圖3所示。正向電壓建立回報(bào)信號(hào)試驗(yàn)波形如圖4所示，負(fù)向電壓建立回報(bào)信號(hào)試驗(yàn)波形如圖5所示，正向過電壓回報(bào)信號(hào)試驗(yàn)波形如圖6所示。

圖3 TVM參數(shù)測(cè)試接線圖

圖4 正向電壓建立回報(bào)信號(hào)試驗(yàn)波形

圖5 負(fù)向電壓建立回報(bào)信號(hào)試驗(yàn)波形

圖6 正向過電壓回報(bào)信號(hào)試驗(yàn)波形

2016年8 月—10月，通過對(duì)運(yùn)行中TVM板的正向電壓建立回報(bào)信號(hào)、負(fù)向電壓建立回報(bào)信號(hào)以及正向過電壓回報(bào)信號(hào)現(xiàn)場進(jìn)行4次檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)閥控EOC信號(hào)存在延遲現(xiàn)象，這就是導(dǎo)致TVM板與閥控VBE信號(hào)失配，造成換流閥多次分生換相失敗和直流閉鎖的主要原因。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，回報(bào)信號(hào)脈寬的改變是由于TVM板脈寬控制回路中X7R型電容的固有工作特性改變導(dǎo)致。

1.3 TVM板卡與閥控信號(hào)失配問題分析

從TVM板卡負(fù)向光回報(bào)脈沖工作原理分析引起光脈沖寬度發(fā)生變化的因素，測(cè)量分析其電路上的電阻、電容以及穩(wěn)壓二極管等主要元器件，逐一排查，最后發(fā)現(xiàn)電容容值會(huì)隨測(cè)試頻率的增大而減小，測(cè)量情況如表1所示[4]。

表1 1nF電容在不同測(cè)試頻率下的電容容值

因而，初步判斷TVM負(fù)電壓回報(bào)脈寬減小可能是由電容容值變化而引起。

多層陶瓷片式電容（Multi-Layer Ceramic Capacitor，MLCC）由陶瓷介質(zhì)、內(nèi)電極以及外電極3部分組成。TVM板卡內(nèi)使用的電容為標(biāo)稱1 nF的X7R型MLCC電容，其分類及特性如表2所示。

表2 MLCC電容分類及特性

X7R電容元件中填充的是鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷基料，其介電常數(shù)和介質(zhì)損耗會(huì)受工作頻率的影響，變化情況如圖7。

圖7 BaTiO3基料介電常數(shù)隨頻率變化情況

為進(jìn)一步驗(yàn)證工作頻率對(duì)電容容值和脈寬的影響，將換流站極Ⅱ-Y1和D4單閥上的8塊TVM板拆下帶回廠里測(cè)量了其相應(yīng)晶閘管級(jí)的負(fù)電壓回報(bào)脈寬[5]。其中，閉鎖狀態(tài)下為2.1～2.6μs，而解鎖狀態(tài)下為1.6～2.36 μs，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 部分新更換TVM板的回報(bào)脈寬測(cè)量結(jié)果

從測(cè)量結(jié)果來看，解鎖狀態(tài)下，大部分的TVM負(fù)向脈沖寬度均小于2 μs，即脈沖寬度減小。由于該換流站為逆變運(yùn)行，主回路電壓負(fù)向過零時(shí)，du/dt較高，TVM負(fù)向脈沖控制回路中電容的取能速度高于工頻運(yùn)行時(shí)的速度。因此，基于上述分析結(jié)果，判斷電容是由于受到較高工作頻率影響，電容值下降，從而導(dǎo)致負(fù)向脈沖寬度減小。

2 處理措施

為改善TVM板電容性能，將TVM板卡中的X7R型電容更改為性能更穩(wěn)定的C0G型電容，性能如圖8所示。

圖8 電容容值隨溫度和工作時(shí)長的變化情況

TVM的電容更換為C0G型電容后，進(jìn)行6項(xiàng)功能試驗(yàn)項(xiàng)目。一是負(fù)電壓建立回報(bào)光脈沖寬度；二是負(fù)向電壓建立電壓值；三是正電壓建立回報(bào)光脈沖寬度；四是正向電壓建立電壓值；五是正向過電壓保護(hù)回報(bào)光脈沖寬度；六是正向過電壓保護(hù)電壓值。

新TVM板通過以上試驗(yàn)，電壓檢測(cè)和回報(bào)功能符合要求，因此將TVM板的脈寬控制回路中X7R型電容更換為C0G型電容，不會(huì)對(duì)TVM板的正常功能造成影響。新TVM板又經(jīng)過高溫老化試驗(yàn)，對(duì)TVM試品每級(jí)加1 500 V工頻交流電壓，于環(huán)境溫度70 ℃連續(xù)進(jìn)行4天高溫試驗(yàn)，每隔6 h對(duì)TVM板的回報(bào)脈寬進(jìn)行檢測(cè)和記錄。經(jīng)過高溫試驗(yàn)，新TVM板（C0G）回報(bào)脈寬的動(dòng)態(tài)變化量遠(yuǎn)小于原TVM板（X7R）的變化量。加速老化試驗(yàn)前后，原TVM板由于電容有效容值下降，導(dǎo)致脈沖寬度縮短，與此前的測(cè)試結(jié)果相一致，而新TVM板的脈沖寬度則沒有變化。

新TVM板再次經(jīng)過直流背靠背系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)，在換流站返修的TVM板中隨機(jī)選取6塊，安裝于背靠背換流閥D5V1～D5V6級(jí)。在功率正、反送以及系統(tǒng)解閉鎖狀態(tài)下，分別測(cè)量TVM板的回報(bào)脈沖寬度。應(yīng)用直流背靠背試驗(yàn)系統(tǒng)，可有效模擬工程中的實(shí)際工況，驗(yàn)證修復(fù)后TVM板的工作性能。換流閥解鎖和閉鎖狀態(tài)下，TVM板回報(bào)信號(hào)脈寬的變化較小，皆符合閥控系統(tǒng)的檢測(cè)要求。通過該項(xiàng)試驗(yàn)，已驗(yàn)證板卡修復(fù)方案的正確性和有效性，新TVM板能夠滿足該換流站VBE設(shè)備的接口要求。

后分兩批將該換流站的YVM板更換為新TVM板（C0G），現(xiàn)場對(duì)更換后的TVM回報(bào)脈沖寬度進(jìn)行測(cè)量，負(fù)電壓建立回報(bào)脈沖寬度在2.3～2.6 μs，滿足2～3 μs的寬度要求。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，EOC信號(hào)未出現(xiàn)延遲的現(xiàn)象，正常運(yùn)行期間也未出現(xiàn)由于EOC信號(hào)延遲引起直流換相失敗的問題。

3 結(jié) 論

逆變站的換流閥在運(yùn)行期間，TVM板的X7R型電容由于受到較高工作頻率影響，電容值下降，負(fù)向脈沖寬度減小，導(dǎo)致TVM板與閥控VBE信號(hào)失配，造成換流閥多次分生換相失敗和直流閉鎖。通過對(duì)TVM板測(cè)試，發(fā)現(xiàn)X7R電容在高頻率下運(yùn)行特性不穩(wěn)定，將原TVM板的X7R型的電容更換為C0G型電容之后，通過功能（例行）試驗(yàn)、高溫老化試驗(yàn)以及直流背靠背系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)，證明將TVM板電容更換為C0G型電容的可行性，并將換流站全部TVM板返廠維修，更換為穩(wěn)定C0G型電容。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，EOC信號(hào)未出現(xiàn)延遲的現(xiàn)象，成功解決了TVM板的問題引起直流換相失敗，為類似直流工程的問題提供參考解決方案。