換流閥EOC信號延遲原因分析及解決措施

蘇云東

（云南電網(wǎng)有限責任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 前言

換流閥電流過零信號簡稱EOC（Extinction Of Current）。換流閥在換相過程中會產(chǎn)生電流過零和電壓過零點，極控系統(tǒng)通過測量板卡ESP10計算每一個換流閥電流過零到電壓過零的時間，可以精確得到每一個換流閥的熄弧角。電流的過零信號EOC通過12個換流閥的晶閘管電壓監(jiān)視（TVM）板來檢測，并通過VBE傳送給極控系統(tǒng)。

在逆變站，如果檢測到電壓過零信號，而沒有檢測到電流過零信號；或者檢測到電流過零信號，而沒有檢測到電壓過零信號，都會產(chǎn)生電流過零故障信號，就會導致?lián)Q相失敗，嚴重的將發(fā)生直流閉鎖。而換流閥EOC信號延遲，將直接導致電流過零故障。某換流站就是由于多次發(fā)生換流閥電流過零故障導致直流多次換相失敗，在2016年5月23日、26日，由于電流過零故障曾引發(fā)直流閉鎖。本文就針對換流閥TVM板的問題引起EOC信號延遲的原因進行分析，提出相應的處理措施，為類似的直流工程問題提供參考解決方案。

1 換流閥EOC信號延遲原因分析

1.1 TVM的工作原理及基本功能

HVDC換流閥由許多串聯(lián)晶閘管級組成。每個晶閘管級均安裝有獨立的TVM板，TVM原理框圖如圖1。

圖1 TVM原理框圖

每個晶閘管級有一塊TVM板，保證串聯(lián)的晶閘管之間的直流電壓分布均勻，同時從以下幾個方面來監(jiān)控光觸發(fā)晶閘管兩端的電壓：

1）檢測晶閘管的阻斷能力；

2）檢查晶閘管是否可以觸發(fā)導通（建立正向電壓）；

3）檢查晶閘管電流過零（建立負向電壓）；

4）檢查晶閘管是否由內(nèi)部的正向過電壓保護觸發(fā)導通（BOD）。

TVM與阻尼電路并聯(lián)連接。因此電流通過阻尼電路時不通過TVM板。TVM不包括任何集成邏輯器件，電磁兼容性強。

閥運行中，由閥上每個晶閘管級的TVM板在線監(jiān)測晶閘管兩端的電壓，產(chǎn)生相關的回檢信號，TVM產(chǎn)生的回檢信號如圖2。

圖2 TVM產(chǎn)生的回檢信號

當晶閘管兩端的電壓達50~70 V時，TVM會發(fā)送6 μs寬的正電壓建立回報信號到VBE的光接收板；當晶閘管兩端電壓達-150~-170 V時，TVM會發(fā)送2 μs寬的負電壓建立回報信號；如果監(jiān)測到晶閘管兩端電壓達6500~7500 V時，TVM會發(fā)送12 μs寬的BOD動作回報信號。

該換流站的TVM板設計回報信號參數(shù)如下：

1）正電壓建立回報信號光脈沖寬度：6~8 μs，發(fā)送回報光脈沖時，晶閘管兩端的電壓：130±20 V；

2）負電壓建立回報信號光脈沖寬度：2~3 μs，發(fā)送回報光脈沖時，晶閘管兩端的電壓：-160±20 V；

3）正向過電壓回報信號光脈沖寬度：12~15 μs，發(fā)送回報光脈沖時，晶閘管兩端的電壓：7200±300 V。

1.2 TVM的參數(shù)測試方法

將交流可調(diào)電源電壓調(diào)制到Us=1500 V，設置示波器相關參數(shù)，讀取通道2的數(shù)據(jù)，與設計值作比較。其測試接線如圖3。

圖3 TVM參數(shù)測試接線圖

其測試結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 正向電壓建立回報信號試驗波形圖

圖5 負向電壓建立回報信號試驗波形圖

圖6 正向過電壓回報信號試驗波形圖

2016年8月-10月，通過對運行中的TVM板的正向電壓建立回報信號、負向電壓建立回報信號、正向過電壓回報信號現(xiàn)場進行4次檢測，發(fā)現(xiàn)閥控EOC信號存在延遲現(xiàn)象，這就是導致TVM板與閥控VBE信號失配，造成換流閥多次分生換相失敗和直流閉鎖的主要原因。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，回報脈寬的改變是由于TVM脈寬控制回路中的X7R型電容的固有工作特性導致。

1.3 TVM板卡與閥控信號失配問題分析

從TVM板卡負向光回報脈沖工作原理上，分析引起光脈沖寬度發(fā)生變化的因素，對其電路上電阻，電容，穩(wěn)壓二極管等主要元器件進行測量和分析，逐一排查，最后發(fā)現(xiàn)電容容值會隨測試頻率的增大而減小。測量情況見表1所示。

表1 1nF電容在不同測試頻率下的電容容值

因而，初步判斷TVM負電壓回報脈寬減小可能是由電容容值變化而引起。

多層陶瓷電容（Multi-Layer Ceramic Capacitor，MLCC）是由陶瓷介質(zhì)層和內(nèi)電極相互交疊燒制而成的片式電容元件，其結(jié)構(gòu)主要包括：陶瓷介質(zhì)、內(nèi)電極和外電極3部分。TVM板卡內(nèi)使用的電容為標稱1nF的X7R型MLCC電容。其MLCC電容分類及特性如表2所示。

表2 MLCC電容分類及特性

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

圖7 BaTiO3基料介電常數(shù)和X7R電容容值 隨頻率的變化情況

為進一步驗證工作頻率對電容容值和脈寬的影響，2016年10月，將換流站極II-Y1和D4單閥上的TVM板拆下帶回廠里測量了相應晶閘管級的負電壓回報脈寬。其中，閉鎖狀態(tài)下為2.1~2.6 μs，而解鎖狀態(tài)下為1.6~2.18 μs。其測量結(jié)果如表3所示。

表3 部分新更換TVM板的回報脈寬測量結(jié)果

從測量結(jié)果來看，解鎖狀態(tài)下，大部分的TVM負向脈沖寬度均小于2 μs，即脈沖寬度減小。由于該換流站為逆變運行，主回路電壓負向過零時，du/dt較高，TVM負向脈沖控制回路中電容的取能速度高于工頻運行情況。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，從而導致負向脈沖寬度減小。

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。其性能如圖8所示。

圖8 電容容值隨溫度和工作時長的變化情況

TVM的電容更換為C0G型電容后，進行如下功能（例行）試驗：

1）負電壓建立回報光脈沖寬度；

2）負向電壓建立電壓值；

3）正電壓建立回報光脈沖寬度；

4）正向電壓建立電壓值；

5）正向過電壓保護回報光脈沖寬度；

6）正向過電壓保護電壓值。

新TVM板通過以上試驗，電壓檢測和回報功能符合要求，因此將TVM板的脈寬控制回路中X7R型電容更換為C0G型電容，不會對TVM板的正常功能造成影響。

新TVM板又經(jīng)過高溫老化試驗，對TVM試品每級施加1500 V peak工頻交流電壓，于環(huán)境溫度70℃進行96 h連續(xù)高溫運行試驗，每隔6 h對TVM板的回報脈寬進行檢測和記錄。經(jīng)過高溫試驗，新TVM板（C0G）回報脈寬的動態(tài)變化量，遠小于原TVM板（X7R）的變化量。加速老化試驗前后，原TVM板由于電容有效容值下降，導致脈寬縮短，同此前現(xiàn)場測試結(jié)果相一致，而新TVM板的脈寬則幾乎無變化。

新TVM板再次經(jīng)過直流背靠背系統(tǒng)運行試驗，在換流站返修的TVM板中隨機抽取6塊，安裝于背靠背閥D5V1~D5V6級。在功率正反送以及系統(tǒng)解閉鎖狀態(tài)下，分別測量TVM板的回報脈沖寬度。應用直流背靠背試驗系統(tǒng)，可有效模擬工程中的實際工況，驗證修復后TVM板的工作性能。換流閥解鎖和閉鎖狀態(tài)下，TVM板回報信號脈寬的變化較小，皆符合閥控系統(tǒng)的檢測要求；通過該項試驗，已驗證板卡修復方案的正確和有效性，新TVM板能夠滿足該換流站VBE設備的接口要求。

2017年，分兩批將該換流站的YVM板更換為新TVM板（C0G），現(xiàn)場對更換后的TVM回報脈沖寬度進行測量，負電壓建立回報脈沖寬度在2.3~2.6 μs之間，滿足2~3 μs的寬度要求。經(jīng)過一段時間的運行，EOC信號未出現(xiàn)延遲的現(xiàn)象，正常運行期間也未出現(xiàn)由于EOC信號延遲引起直流換相失敗的問題。

3 結(jié)束語

逆變站的換流閥在運行期間，TVM板的X7R型電容由于受到較高工作頻率影響，電容值下降，從而導致負向脈沖寬度減小，導致TVM板與閥控VBE信號失配，造成換流閥多次分生換相失敗和直流閉鎖。通過對TVM板測試，發(fā)現(xiàn)X7R電容在高頻率下運行特性不穩(wěn)定，將原TVM板的X7R型電容更換為C0G型電容后，通過功能（例行）試驗、高溫老化試驗、直流背靠背系統(tǒng)運行試驗，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板反廠維修，更換為穩(wěn)定C0G型電容，經(jīng)過一段時間的運行，EOC信號未出現(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。