超高壓直流工程VBE系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

董麗　鐵思佳

摘 要：VBE系統(tǒng)是高壓直流輸電換流閥控制系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)換流閥的觸發(fā)、保護(hù)及相關(guān)狀態(tài)檢測(cè)，是直流控制保護(hù)設(shè)備與換流閥之間的唯一接口設(shè)備，對(duì)高壓直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。近幾年，我國(guó)直流系統(tǒng)發(fā)生了多起由于VBE系統(tǒng)故障導(dǎo)致的閉鎖事故，文章通過對(duì)VBE系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為今后直流VBE系統(tǒng)改造提供了技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：超高壓；直流；VBE

引言

VBE系統(tǒng)是高壓直流輸電換流閥控制系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)換流閥的觸發(fā)、保護(hù)及相關(guān)狀態(tài)檢測(cè)，是直流控制保護(hù)設(shè)備與換流閥之間的唯一接口設(shè)備。中國(guó)最早投運(yùn)的葛南直流工程就使用了VBE系統(tǒng)，但該VBE系統(tǒng)完成的功能比之后的黑河、貴廣、興安簡(jiǎn)單很多，類似于ABB公司的電控閥觸發(fā)設(shè)備VCU。由于VBE系統(tǒng)既不屬于直流控制保護(hù)設(shè)備也不屬于換流閥設(shè)備，加之當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)各設(shè)備制造廠家對(duì)于整個(gè)高壓直流輸電設(shè)備的接口關(guān)系尚不熟悉，所以國(guó)內(nèi)沒有廠家對(duì)西門子公司的VBE系統(tǒng)進(jìn)行完全的技術(shù)引進(jìn)，只有西電集團(tuán)有部分VBE系統(tǒng)資料。

近幾年，特別是興安直流投運(yùn)以來，超高壓公司直流系統(tǒng)發(fā)生了多起由于VBE系統(tǒng)故障導(dǎo)致的閉鎖事故，為深入分析VBE系統(tǒng)故障原因，通過對(duì)歷年VBE故障情況的全面的梳理、統(tǒng)計(jì)，對(duì)比VBE板卡出現(xiàn)故障的特點(diǎn)及規(guī)律，初步找到了一些VBE系統(tǒng)的故障規(guī)律，分析了VBE板卡故障的可能原因，并提出了下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 VBE系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

黑河背靠背直流輸電系統(tǒng)是中俄聯(lián)網(wǎng)工程，是國(guó)家電網(wǎng)第一個(gè)國(guó)產(chǎn)化的直流輸電工程（以下簡(jiǎn)稱黑河直流工程），也是我國(guó)第一條國(guó)際性的高壓直流輸電工程。將俄方的電力能源輸送至黑龍江電網(wǎng)，其額定容量750MW，額定電壓±125kV，直流電流3000A。自2009年9月26日投運(yùn)以來，為聯(lián)接我國(guó)東北電網(wǎng)和俄羅斯遠(yuǎn)東電網(wǎng)，做出了重大貢獻(xiàn)。

隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，黑河直流工程控制保護(hù)系統(tǒng)軟、硬件故障逐漸暴露出來，給黑河直流工程的運(yùn)行、維護(hù)和安全可靠運(yùn)行帶來了巨大的困難和壓力。近年來，多次發(fā)生VBE故障影響直流系統(tǒng)運(yùn)行的情況，主要體現(xiàn)為運(yùn)行中的VBE設(shè)備異常或板卡故障。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，北方的自然環(huán)境惡劣，黑河直流工程VBE系統(tǒng)板卡更加老化、備品備件供應(yīng)缺乏的情況將難以避免。為此，對(duì)黑河直流工程VBE系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)黑河直流工程VBE系統(tǒng)進(jìn)行改造是十分必要，為今后進(jìn)一步提高黑河直流工程的系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性意義重大。

2 VBE功能設(shè)計(jì)

VBE是采用SIEMENS早期技術(shù)開發(fā)的晶閘管控制單元，基本功能是實(shí)現(xiàn)監(jiān)視晶閘管的狀態(tài)、接收極控的控制脈沖并處理、觸發(fā)晶閘管、監(jiān)視閥廳避雷器動(dòng)作、監(jiān)視閥冷卻水的狀態(tài)等，并具有根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)切換及報(bào)警處理等邏輯功能。

VBE所具有的運(yùn)行模式及主要功能如下：

（1）無換相運(yùn)行模式

當(dāng)電壓加到閥上，不觸發(fā)晶閘管，就可測(cè)試檢查晶閘管及TE板的狀態(tài)。當(dāng)VBE接收到來自極控的CONV_CB_ON（換流變充電）信號(hào)和CP（控制脈沖），無換相的運(yùn)行就開始了。VBE周期性的給TE板發(fā)送單脈沖，如果每個(gè)晶閘管及其相關(guān)的TE板和光纜功能正常，TE板將會(huì)發(fā)送一個(gè)報(bào)告脈沖到VBE。

（2）有換相運(yùn)行模式

當(dāng)極控發(fā)出信號(hào)CONV_DBLK（換流閥解鎖）和CP（控制脈沖）到VBE，標(biāo)志閥進(jìn)入開通周期，VBE進(jìn)入有換相運(yùn)行模式。在該運(yùn)行模式中會(huì)分為四個(gè)階段。

第一階段：觸發(fā)準(zhǔn)備就緒

這個(gè)階段允許晶閘管被觸發(fā)。當(dāng)VBE檢測(cè)到CP的上升沿觸發(fā)開始，VBE會(huì)發(fā)出一個(gè)雙脈沖（2個(gè)3us長(zhǎng)的單脈沖，相互間隔10us）。如果穿過相關(guān)的晶閘管的電壓超過120V（20V），一個(gè)門極脈沖就會(huì)產(chǎn)生，從而導(dǎo)通晶閘管。

第二階段：閉鎖階段

在CP的下降沿，VBE發(fā)出第一個(gè)單脈沖（一個(gè)3us長(zhǎng)的脈沖）到TE板，在設(shè)定的延時(shí)100us后，禁止進(jìn)一步的觸發(fā)。當(dāng)晶閘管關(guān)斷，穿過晶閘管的電壓低于120V，指示電流結(jié)束的反饋信號(hào)送到VBE。當(dāng)至少有4個(gè)這種信號(hào)返回到VBE，VBE發(fā)送一個(gè)大約100us的信號(hào)（EOC信號(hào)）到極控，并發(fā)送一個(gè)3us長(zhǎng)的單脈沖到TE板，從而切換它們進(jìn)入第3階段。

第三階段：換相失敗保護(hù)

如果晶閘管的電壓下降速度超過100V/us，TE板就會(huì)再次觸發(fā)晶閘管，并將報(bào)告脈沖發(fā)送到VBE。在這個(gè)階段，如果有5個(gè)晶閘管將此報(bào)告脈沖發(fā)送給VBE，VBE將會(huì)啟動(dòng)一個(gè)雙脈沖，從而接通這個(gè)閥的所有的晶閘管。第3階段持續(xù)大約1.1ms。在此之后VBE會(huì)發(fā)送第3個(gè)單脈沖。

第四階段：狀態(tài)監(jiān)視

在第三個(gè)單脈沖之后經(jīng)過大約30us延時(shí)，一個(gè)反饋脈沖也叫狀態(tài)脈沖從每個(gè)TE發(fā)送到VBE。每個(gè)丟失的狀態(tài)信號(hào)就會(huì)被認(rèn)為是一個(gè)晶閘管級(jí)故障。

（3）保護(hù)性觸發(fā)

如果TE板正常發(fā)送到晶閘管的門極脈沖丟失，TE板有一個(gè)后備觸發(fā)回路會(huì)發(fā)送門極脈沖用于保護(hù)晶閘管免受過電壓損壞。當(dāng)正向電壓超過7200V（允許范圍是7200V到7500V），TE板檢測(cè)到會(huì)發(fā)送門極脈沖觸發(fā)晶閘管。觸發(fā)后，向VBE發(fā)送信號(hào)進(jìn)行處理。

VBE在發(fā)送雙脈沖之后大約500us內(nèi)進(jìn)行掃描。在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的任何反饋信號(hào)均被認(rèn)為是保護(hù)性觸發(fā)的報(bào)告信號(hào)。當(dāng)一個(gè)閥中有4個(gè)晶閘管發(fā)生保護(hù)性觸發(fā)時(shí)，VBE會(huì)發(fā)送一個(gè)告警信號(hào)到極控。

（4）恢復(fù)期的保護(hù)性觸發(fā)

在這個(gè)階段，TE板會(huì)監(jiān)視穿過晶閘管的恢復(fù)電壓上升率。當(dāng)dv/dt>70V/us時(shí)，TE板發(fā)出一個(gè)門極脈沖（恢復(fù)期的保護(hù)性觸發(fā)）。如果穿過晶閘管的電壓超過120V且dv/dt>70V/us，TE板發(fā)送信號(hào)到VBE。如果一個(gè)閥同時(shí)由5個(gè)以上的信號(hào)產(chǎn)生，VBE會(huì)發(fā)送一個(gè)雙脈沖到TE板去導(dǎo)通此閥。在雙脈沖后大約80us，VBE輸出3個(gè)單脈沖去取消TE的觸發(fā)，并以正常模式運(yùn)行。

以上為優(yōu)化設(shè)計(jì)后VBE所具有的運(yùn)行模式及主要功能，以保證換流器及其附屬器件的正常運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過搭建動(dòng)模仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了真實(shí)工況下，VBE與極控、VBE與TE及晶閘管之間的時(shí)序配合，試驗(yàn)表明：優(yōu)化后的VBE設(shè)備能正確觸發(fā)晶閘管，能正確返回回檢信號(hào)。各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了直流VBE系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性，驗(yàn)證了其試驗(yàn)方案的有效性，為今后直流VBE系統(tǒng)改造提供了技術(shù)依據(jù)，同時(shí)也為實(shí)施改造的可行性奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司.高壓直流設(shè)備基礎(chǔ)[M].中國(guó)電力出版社.

[2]中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司.高壓直流輸電系統(tǒng)設(shè)備典型故障分析[Z].

[3]上海超高壓輸變電公司.超高壓輸變電操作技能培訓(xùn)教材（第五冊(cè)）.交直流電源與測(cè)量表計(jì)[M].中國(guó)電力出版社.

[4]韓偉，徐玲玲.靈寶換流站控制/直流保護(hù)系統(tǒng)與閥的接口設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2005，31（2）.

作者簡(jiǎn)介：董麗（1973-），女，1996年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械專業(yè)，工程師。