高壓直流輸電換流閥TCU單元故障測試方法研究

楊厚建

（蘇州中材建設有限公司，江蘇 蘇州 215300）

研究發(fā)現(xiàn)，換流閥作用顯著，是輸電工程的核心，應用領域比較廣泛。在現(xiàn)實應用中，換流閥想要發(fā)揮作用，需要多個核心構件密切配合，其中TCU單元最為關鍵。作為重要的控制單元，TCU單元運行質量，將決定著換流閥整體性能和功能發(fā)揮。為了確保換流閥性能穩(wěn)定，加強TCU單元故障測試是較為穩(wěn)妥、可行的方法，不容忽視。

1 TCU單元故障測試的技術原理

目前，在科技的引領下，基于TCU結構的具有優(yōu)化性質的晶閘管換流閥使用價值逐年提升，功效越來越顯著，在輸電工程中（本文重點論述的是高壓直流輸電）地位提升，得到廣泛應用。通過研究發(fā)現(xiàn)，換流閥作用顯著，在整體工作中是高壓直流輸電系統(tǒng)優(yōu)質保障的核心設備，在整個控制環(huán)節(jié)，TCU作為控制單元（最基礎的），不容忽視，起著重要支撐作用，其可靠性直接決定系統(tǒng)運行平穩(wěn)度，應該高度重視。通過研究發(fā)現(xiàn)，電力電子器件性能至關重要，屬于弱電器件，具有弱電器件特征，其耐壓能力較低，與此同時兼具高負載運行的性能，但實際的整體表現(xiàn)較差。在現(xiàn)實工作中，換流閥回檢信號丟失情況需要充分考慮，一般情況下，信號丟失數(shù)目大于7就應引起關注。除此之外，若保護性觸發(fā)信號數(shù)目在整個流程中大于8，直流閉鎖可能性將提升，這是總結實操經驗得出的，所以換流閥回檢信號丟失程度是重要的參考。通過實際應用發(fā)現(xiàn)，換流閥眾多元件中，TCU控制單元是基礎保障，起到支撐的作用，在該控制單元影響作用期間，一旦出現(xiàn)IP丟失或者又發(fā)生了嚴重的IP震蕩，需要高度警惕。因為不出意外，將會導致保護性觸發(fā)發(fā)生。結合現(xiàn)實工作可知，上述種種現(xiàn)象的發(fā)生，會影響系統(tǒng)服役時的狀態(tài)，導致輸電系統(tǒng)有隱患存在。針對這種異?，F(xiàn)象，此時需要提供非常專業(yè)的TCU控制單元測試，只有科學完成專項測試，才能順利找出異常的根源，借此將隱患消除。從現(xiàn)狀了解到，國內還沒有專門重點圍繞TCU控制單元打造的測試系統(tǒng)，基于此，尋求一種有效、穩(wěn)妥的測試方法，是當前首要任務，工程應用十分迫切[1]。在這樣的前提下，本文將結合實際，借助先進測試理念，根據(jù)TCU控制單元整體表現(xiàn)，從不同側面、層次、角度呈現(xiàn)出電氣結構，在技術的加持下，細致剖析其工作原理。在此基礎上，設計測試電路。現(xiàn)實表明，借助這樣可行措施，發(fā)現(xiàn)儲能回路故障。經實踐證實，儲能回路故障影響較大，將導致TCU控制單元整體出現(xiàn)功能失效情況，甚至頻繁出現(xiàn)IP丟失，這些均屬于故障主要根源。通過上述檢驗方法，可有效驗證TCU工作性能，保障其有效性。

2 TCU控制單元結構分析

想要優(yōu)化TCU控制單元測試方法，首先需了解TCU控制單元結構，在此基礎上對測試方法優(yōu)化設計，才能保證設計方法的合理性。TCU控制單元構成以及運維情況較復雜，存在多個構件和晶閘管，每個晶閘管都至關重要，均有顯著作用，缺一不可。具體的作用是可攜帶晶閘管控制單元（也就是TCU），通過這樣的結構設計，實現(xiàn)控制和保護。通過細致研究發(fā)現(xiàn)，TCU位于散熱器上，而該散熱器的位置較為關鍵，處于晶閘管陰極側，這也體現(xiàn)出了TCU的重要性。同時，在設計期間，TCU被封裝在一個空間獨立且高度封閉的金屬殼內，這樣的放置是為了保護電子器件在正常服役期間，免受電磁干擾影響，在有效措施保護下，確保其主要功能發(fā)揮[2]。主體結構如圖1所示。

在現(xiàn)實使用中，可以發(fā)現(xiàn)TCU主要功能較為突出，是觸發(fā)和監(jiān)控晶閘管的關鍵，另外還要憑借其觸發(fā)命令，在工作期間正確傳遞監(jiān)控信號。但需要注意的是，完成關鍵信息輸送，還需要在光纖傳輸輔助下。除了保護觸發(fā)之外，TCU控制單元的存在，還可以反向恢復觸發(fā)電路，優(yōu)勢非常突出。在現(xiàn)實應用階段，其本身所有效攜帶的功能（控制保護功能）想要發(fā)揮作用，需綜合多種有利條件，然后通過電子元件實現(xiàn)。此外，TCU的供電集作用鮮明，在均壓電路中，起著非常關鍵的作用。從圖1可以看出，TCU功能發(fā)揮時主要是借助C3、R3通道，從晶閘管兩端的電壓（重要位置電壓）獲取電源，在安全運行機制保障下，使得換流閥無限制、無延時地運行（在無限制條件下），一旦儲能就可不受限屬于重要特征，也是較核心的保障。在此階段，TCU會有回報脈沖（IP）生成，這一現(xiàn)象發(fā)生后可以從不同側面說明，晶閘管處于臨界狀態(tài)。在具體操作中，若回報脈沖持續(xù)、平穩(wěn)被閥控單元（VCU）接收，那么就意味著晶閘管狀態(tài)穩(wěn)定，處于可觸發(fā)狀態(tài)。與此同時，若此時VCU也不同程度接收到觸發(fā)信號（CP），該CP主要來自極控，則VCU會本能發(fā)送觸發(fā)脈沖，并將該脈沖送至TCU，完成一系列操作后，晶閘管將導通。在整個環(huán)節(jié)中，一旦有一處存在疏漏，晶閘管都將無法導通。同時還需要特別強調的是，在換流閥晶閘管開始作業(yè)期間，需要承受較強的且高度平穩(wěn)的換流變閥側電壓，經論證得出，可以將該電壓性質歸類到工頻交流電壓中[3]。在本次測試中，測試線路拓撲結構如圖2所示。

圖1 TCU控制單元主體結構

圖2 測試線路拓撲結構

3 TCU單元故障測試方法實踐

3.1 IP信號檢查

通過前文分析可知，TCU單元故障影響較大，會接連出現(xiàn)IP丟失或者是嚴重的IP震蕩，同時導致保護性觸發(fā)等。所以IP信號檢查較關鍵，是基礎性工作，不容忽視。如果IP信號檢查出現(xiàn)問題，就可以判定TCU單元故障。通過依據(jù)IP信號的不同表現(xiàn)，可以對TCU單元故障進行評估，借此保障控制單元應用水平。在IP信號檢查中，需要考慮的內容較多。為了保障效果，需選取工程故障TCU板卡，該故障TCU板卡較為特殊，IP丟失能自動復歸。

3.2 測試結果分析

3.2.1 工程備品TCU性能分析

研究發(fā)現(xiàn)，因TCU板卡構造特殊，在應用中注意事項較多，通過剖析其結構發(fā)現(xiàn)，該結構中含有電子元器件，例如：二極管等。故在現(xiàn)實應用中，TCU板卡YN接線端至關重要，呈現(xiàn)出的是交流波形?；谶@樣的特性，需高度重視交流波形形態(tài)，將其作為重要依據(jù)。為了保證測試效果，在測試前，需對工程備品TCU性能綜合分析，掌握參數(shù)、狀態(tài)等，確保測試效果理想。

3.2.2 故障TCU控制單元性能分析

通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，11 V儲能回路的狀態(tài)較難把握，軌跡較為自由，在現(xiàn)實應用中，儲能自保持現(xiàn)象很難見到，發(fā)生概率低。除此之外，在TCU板卡YN接線端（關鍵端口）建立后，可以發(fā)現(xiàn)22 V儲能電路（重要電路）儲能過程仍未完成，儲能滯緩嚴重。通過觀察波形圖可以發(fā)現(xiàn)，在科學的波形周期內，始終難以保障較高效率，可以看到TCU板卡性能降低，反應變慢。在此前提下，始終無法發(fā)出脈沖，導致IP信號脈沖接收失敗，這是試驗電源提供電壓的主要特征，需高度重視[4]。TCU控制單元性能分析中，需要注意的事項較多，因故障TCU板卡特殊，本身的自動復歸特性較突出，所以在現(xiàn)實應用中，如果測試電壓未發(fā)生作用，可以提高試驗電壓，將其調整到2 kV，在此前提下繼續(xù)完成觀察。通過觀察卡板波形圖可以知道，隨著試驗電壓的提高，會促使電壓幅值提升，并出現(xiàn)逐漸提高的趨勢，但在實際應用中，22 V儲能回路的電壓對應的建立速度（也可以稱其為儲能速度），在服役期間仍具有延遲現(xiàn)象。正是因為如此，當能量瞬時到達預期，接近理想設定的電壓值后，在無限制條件下，會有IP信號脈沖發(fā)出（主要由卡板發(fā)出）。在實際應用中，當22 V儲能電壓波形達到某種峰值高度，就會在壓力差作用下較大程度釋放，在這樣的情況下，想要從外部電壓中較為穩(wěn)定地吸收能量，難度將會較大。但IP信號脈沖發(fā)出后，在某種機制保護下，儲能回路可以開啟自保護功能，確保換流閥持續(xù)發(fā)揮效應。

3.2.3 電子元器件性能檢查

在現(xiàn)實工作中，還需要完成電子元器件性能檢查，借此綜合評估電子元器件工作狀態(tài)，通過觀察TCU板卡內的構件配合程度，掌握TCU板卡性能，在此基礎上找出22 V儲能回路異常的根本性原因，從源頭加以規(guī)避和解決。借助紅外測溫圖可知，在系統(tǒng)運行期間，穩(wěn)壓二極管的溫度是重要指標，如果已達到60℃，此時可以完全證明穩(wěn)壓二極管性能不穩(wěn)，處于異常工作狀態(tài)。在具體操作中，當更換位于故障TCU板卡上的重要部件穩(wěn)壓二極管后，按照規(guī)范操作要求，可重新加壓試驗，在此基礎上，獲得清晰的波形圖。實踐表明，更換電子元器件后，需要深度了解工作波形實際情況（故障TCU板卡的），在有效措施保障下，確保其與工程備品工作波形高度匹配，借此證明TCU板卡的運行狀態(tài)與故障形成機理。通過深入了解發(fā)現(xiàn)，形成該故障的原因是，在系統(tǒng)應用期間，出現(xiàn)了三極管損壞的特殊問題，造成穩(wěn)壓二極管狀態(tài)不佳，長期處于異常狀態(tài)，由此嚴重影響了儲能特性，造成了儲能特性的降低（這里特指儲能回路的儲能特性）。結合實際電路圖可知，在具體工作中，需要讓三極管與穩(wěn)壓二極管始終保持連接狀態(tài)，同時與22 V儲能回路并聯(lián)。只有滿足上述條件，才能開展有效的測試。在試驗過程中，為了確保試驗精準，得到可靠信息數(shù)據(jù)，需要嚴格控制22 V儲能回路的電壓，只有確保實際電壓長期低于60 V，后續(xù)的應用效果才會理想。具體來說，就是三級管的工作電壓，始終保持在極限電壓（60 V）以下。基于這樣的前提，造成IP丟失或者發(fā)生嚴重保護性觸發(fā)告警，最直接的誘因，就是TCU控制單元內出現(xiàn)了嚴重的三極管質量不良問題，造成了三極管嚴重損壞。

通過細致分析波形圖可以發(fā)現(xiàn)，在實踐環(huán)節(jié)22 V儲能電壓建立，需要滿足特定條件，整個過程相對緩慢，同時存在較嚴重的IP信號紊亂情況。經過對比可知，在應用期間，當單閥性能不穩(wěn)，承受較大正向電壓，在被動情況下發(fā)生導通時，需要綜合考量多項因素，以免電路出現(xiàn)隱患[5]。結合實際情況可知，故障TCU板卡在高效完成儲能電壓建立階段，流程是比較慢的，整體節(jié)奏較緩。故在單閥內，需要保證其他正常晶閘管持續(xù)發(fā)揮功能，在晶閘管陸續(xù)開通后，需要注意條件改變，通過觀察可以看到，在此期間的故障晶閘管形態(tài)改變，承受的正向電壓在沒有限制情況下會不斷攀升，導致其壓力越來越大。當壓力持續(xù)增長，達到保護性觸發(fā)水平時，需要借助監(jiān)控后臺監(jiān)控IP丟失情況以及保護性觸發(fā)的故障表象，借此采取有效應對策略。

通過上述分析可知，換流閥作用顯著，在整體工作中是高壓直流輸電系統(tǒng)優(yōu)質保障的核心設備，在整個控制環(huán)節(jié)，TCU作為控制單元（最基礎的），支撐和保障作用較強，其可靠性直接決定系統(tǒng)運行平穩(wěn)度，應該高度重視。在現(xiàn)實工作中，換流閥回檢信號丟失情況需要充分考慮，一般情況下，信號丟失數(shù)目大于7就應引起關注。通過研究發(fā)現(xiàn)，電力電子器件性能至關重要，屬于弱電器件，具有弱電器件特征，其耐壓能力較低，與此同時兼具高負載運行的性能，但實際的整體表現(xiàn)較差。TCU控制單元應用，需要依托科學測試手段作為保障，借此優(yōu)化TCU控制單元性能，提高其整體應用水平。

4 結束語

隨著科技進步，換流閥的使用頻次不斷增長，換流閥的性能受到關注。特別是在高壓直流輸電體系中，換流閥的作用顯著。而關乎換流閥綜合性能的指標眾多，其中TCU控制單元較為關鍵。為了維持TCU控制單元較為穩(wěn)定的狀態(tài)，降低其故障發(fā)生率，需要借助故障測試，持續(xù)優(yōu)化TCU控制單元的性能，確保系統(tǒng)整體效率達標。本文主要借助剖析換流閥TCU控制單元運行機制，研究其系統(tǒng)結構，設計出了性能完備的，主要對象是TCU控制單元的高品質測試電路，同時也增加了測試方法的可行性，在此基礎上，將其應用于TCU檢測，取得的效果較為理想。通過實踐證明，全新的測試電路適應性有所提升，可以從源頭成功將故障定位，并細致分析出故障原因。針對限幅三極管（TCU內部的）精準完成測試，掌握其整體性能。通過測試表明，在正式工作中，該測試電路應用效率高，使用性能穩(wěn)定，搭配的測試方式較合理，可極大程度貼合工程應用需求。在該測試方法保障下，高壓直流輸電工程的科學投建可以順暢完成，并確保輸電工程后期運行及檢修達到質量要求。