高壓直流輸電換流閥TCU單元故障測(cè)試方法研究

楊厚建

（蘇州中材建設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，換流閥想要發(fā)揮作用，需要多個(gè)核心構(gòu)件密切配合，其中TCU單元最為關(guān)鍵。作為重要的控制單元，TCU單元運(yùn)行質(zhì)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(qiáng)TCU單元故障測(cè)試是較為穩(wěn)妥、可行的方法，不容忽視。

1 TCU單元故障測(cè)試的技術(shù)原理

目前，在科技的引領(lǐng)下，基于TCU結(jié)構(gòu)的具有優(yōu)化性質(zhì)的晶閘管換流閥使用價(jià)值逐年提升，功效越來(lái)越顯著，在輸電工程中（本文重點(diǎn)論述的是高壓直流輸電）地位提升，得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)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(zhì)保障的核心設(shè)備，在整個(gè)控制環(huán)節(jié)，TCU作為控制單元（最基礎(chǔ)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(yùn)行平穩(wěn)度，應(yīng)該高度重視。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，電力電子器件性能至關(guān)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(shí)兼具高負(fù)載運(yùn)行的性能，但實(shí)際的整體表現(xiàn)較差。在現(xiàn)實(shí)工作中，換流閥回檢信號(hào)丟失情況需要充分考慮，一般情況下，信號(hào)丟失數(shù)目大于7就應(yīng)引起關(guān)注。除此之外，若保護(hù)性觸發(fā)信號(hào)數(shù)目在整個(gè)流程中大于8，直流閉鎖可能性將提升，這是總結(jié)實(shí)操經(jīng)驗(yàn)得出的，所以換流閥回檢信號(hào)丟失程度是重要的參考。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，換流閥眾多元件中，TCU控制單元是基礎(chǔ)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(yán)重的IP震蕩，需要高度警惕。因?yàn)椴怀鲆馔?，將?huì)導(dǎo)致保護(hù)性觸發(fā)發(fā)生。結(jié)合現(xiàn)實(shí)工作可知，上述種種現(xiàn)象的發(fā)生，會(huì)影響系統(tǒng)服役時(shí)的狀態(tài)，導(dǎo)致輸電系統(tǒng)有隱患存在。針對(duì)這種異?，F(xiàn)象，此時(shí)需要提供非常專業(yè)的TCU控制單元測(cè)試，只有科學(xué)完成專項(xiàng)測(cè)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(guó)內(nèi)還沒(méi)有專門重點(diǎn)圍繞TCU控制單元打造的測(cè)試系統(tǒng)，基于此，尋求一種有效、穩(wěn)妥的測(cè)試方法，是當(dāng)前首要任務(wù)，工程應(yīng)用十分迫切[1]。在這樣的前提下，本文將結(jié)合實(shí)際，借助先進(jìn)測(cè)試?yán)砟?，根?jù)TCU控制單元整體表現(xiàn)，從不同側(cè)面、層次、角度呈現(xiàn)出電氣結(jié)構(gòu)，在技術(shù)的加持下，細(xì)致剖析其工作原理。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)測(cè)試電路?，F(xiàn)實(shí)表明，借助這樣可行措施，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能回路故障。經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，儲(chǔ)能回路故障影響較大，將導(dǎo)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(guò)上述檢驗(yàn)方法，可有效驗(yàn)證TCU工作性能，保障其有效性。

2 TCU控制單元結(jié)構(gòu)分析

想要優(yōu)化TCU控制單元測(cè)試方法，首先需了解TCU控制單元結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)試方法優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能保證設(shè)計(jì)方法的合理性。TCU控制單元構(gòu)成以及運(yùn)維情況較復(fù)雜，存在多個(gè)構(gòu)件和晶閘管，每個(gè)晶閘管都至關(guān)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(guò)這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)控制和保護(hù)。通過(guò)細(xì)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(guān)鍵，處于晶閘管陰極側(cè)，這也體現(xiàn)出了TCU的重要性。同時(shí)，在設(shè)計(jì)期間，TCU被封裝在一個(gè)空間獨(dú)立且高度封閉的金屬殼內(nèi)，這樣的放置是為了保護(hù)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(hù)下，確保其主要功能發(fā)揮[2]。主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在現(xiàn)實(shí)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(guān)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(hào)。但需要注意的是，完成關(guān)鍵信息輸送，還需要在光纖傳輸輔助下。除了保護(hù)觸發(fā)之外，TCU控制單元的存在，還可以反向恢復(fù)觸發(fā)電路，優(yōu)勢(shì)非常突出。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用階段，其本身所有效攜帶的功能（控制保護(hù)功能）想要發(fā)揮作用，需綜合多種有利條件，然后通過(guò)電子元件實(shí)現(xiàn)。此外，TCU的供電集作用鮮明，在均壓電路中，起著非常關(guān)鍵的作用。從圖1可以看出，TCU功能發(fā)揮時(shí)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(yùn)行機(jī)制保障下，使得換流閥無(wú)限制、無(wú)延時(shí)地運(yùn)行（在無(wú)限制條件下），一旦儲(chǔ)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(huì)有回報(bào)脈沖（IP）生成，這一現(xiàn)象發(fā)生后可以從不同側(cè)面說(shuō)明，晶閘管處于臨界狀態(tài)。在具體操作中，若回報(bào)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(shí)，若此時(shí)VCU也不同程度接收到觸發(fā)信號(hào)（CP），該CP主要來(lái)自極控，則VCU會(huì)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(dǎo)通。在整個(gè)環(huán)節(jié)中，一旦有一處存在疏漏，晶閘管都將無(wú)法導(dǎo)通。同時(shí)還需要特別強(qiáng)調(diào)的是，在換流閥晶閘管開始作業(yè)期間，需要承受較強(qiáng)的且高度平穩(wěn)的換流變閥側(cè)電壓，經(jīng)論證得出，可以將該電壓性質(zhì)歸類到工頻交流電壓中[3]。在本次測(cè)試中，測(cè)試線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 TCU控制單元主體結(jié)構(gòu)

圖2 測(cè)試線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 TCU單元故障測(cè)試方法實(shí)踐

3.1 IP信號(hào)檢查

通過(guò)前文分析可知，TCU單元故障影響較大，會(huì)接連出現(xiàn)IP丟失或者是嚴(yán)重的IP震蕩，同時(shí)導(dǎo)致保護(hù)性觸發(fā)等。所以IP信號(hào)檢查較關(guān)鍵，是基礎(chǔ)性工作，不容忽視。如果IP信號(hào)檢查出現(xiàn)問(wèn)題，就可以判定TCU單元故障。通過(guò)依據(jù)IP信號(hào)的不同表現(xiàn)，可以對(duì)TCU單元故障進(jìn)行評(píng)估，借此保障控制單元應(yīng)用水平。在IP信號(hào)檢查中，需要考慮的內(nèi)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(dòng)復(fù)歸。

3.2 測(cè)試結(jié)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(gòu)造特殊，在應(yīng)用中注意事項(xiàng)較多，通過(guò)剖析其結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)中含有電子元器件，例如：二極管等。故在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，TCU板卡YN接線端至關(guān)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(cè)試效果，在測(cè)試前，需對(duì)工程備品TCU性能綜合分析，掌握參數(shù)、狀態(tài)等，確保測(cè)試效果理想。

3.2.2 故障TCU控制單元性能分析

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，11 V儲(chǔ)能回路的狀態(tài)較難把握，軌跡較為自由，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，儲(chǔ)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(guān)鍵端口）建立后，可以發(fā)現(xiàn)22 V儲(chǔ)能電路（重要電路）儲(chǔ)能過(guò)程仍未完成，儲(chǔ)能滯緩嚴(yán)重。通過(guò)觀察波形圖可以發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)的波形周期內(nèi)，始終難以保障較高效率，可以看到TCU板卡性能降低，反應(yīng)變慢。在此前提下，始終無(wú)法發(fā)出脈沖，導(dǎo)致IP信號(hào)脈沖接收失敗，這是試驗(yàn)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(xiàng)較多，因故障TCU板卡特殊，本身的自動(dòng)復(fù)歸特性較突出，所以在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，如果測(cè)試電壓未發(fā)生作用，可以提高試驗(yàn)電壓，將其調(diào)整到2 kV，在此前提下繼續(xù)完成觀察。通過(guò)觀察卡板波形圖可以知道，隨著試驗(yàn)電壓的提高，會(huì)促使電壓幅值提升，并出現(xiàn)逐漸提高的趨勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中，22 V儲(chǔ)能回路的電壓對(duì)應(yīng)的建立速度（也可以稱其為儲(chǔ)能速度），在服役期間仍具有延遲現(xiàn)象。正是因?yàn)槿绱?，?dāng)能量瞬時(shí)到達(dá)預(yù)期，接近理想設(shè)定的電壓值后，在無(wú)限制條件下，會(huì)有IP信號(hào)脈沖發(fā)出（主要由卡板發(fā)出）。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)22 V儲(chǔ)能電壓波形達(dá)到某種峰值高度，就會(huì)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(huì)較大。但I(xiàn)P信號(hào)脈沖發(fā)出后，在某種機(jī)制保護(hù)下，儲(chǔ)能回路可以開啟自保護(hù)功能，確保換流閥持續(xù)發(fā)揮效應(yīng)。

3.2.3 電子元器件性能檢查

在現(xiàn)實(shí)工作中，還需要完成電子元器件性能檢查，借此綜合評(píng)估電子元器件工作狀態(tài)，通過(guò)觀察TCU板卡內(nèi)的構(gòu)件配合程度，掌握TCU板卡性能，在此基礎(chǔ)上找出22 V儲(chǔ)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(cè)溫圖可知，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，穩(wěn)壓二極管的溫度是重要指標(biāo)，如果已達(dá)到60℃，此時(shí)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(dāng)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(yàn)，在此基礎(chǔ)上，獲得清晰的波形圖。實(shí)踐表明，更換電子元器件后，需要深度了解工作波形實(shí)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(yùn)行狀態(tài)與故障形成機(jī)理。通過(guò)深入了解發(fā)現(xiàn)，形成該故障的原因是，在系統(tǒng)應(yīng)用期間，出現(xiàn)了三極管損壞的特殊問(wèn)題，造成穩(wěn)壓二極管狀態(tài)不佳，長(zhǎng)期處于異常狀態(tài)，由此嚴(yán)重影響了儲(chǔ)能特性，造成了儲(chǔ)能特性的降低（這里特指儲(chǔ)能回路的儲(chǔ)能特性）。結(jié)合實(shí)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(shí)與22 V儲(chǔ)能回路并聯(lián)。只有滿足上述條件，才能開展有效的測(cè)試。在試驗(yàn)過(guò)程中，為了確保試驗(yàn)精準(zhǔn)，得到可靠信息數(shù)據(jù)，需要嚴(yán)格控制22 V儲(chǔ)能回路的電壓，只有確保實(shí)際電壓長(zhǎng)期低于60 V，后續(xù)的應(yīng)用效果才會(huì)理想。具體來(lái)說(shuō)，就是三級(jí)管的工作電壓，始終保持在極限電壓（60 V）以下?；谶@樣的前提，造成IP丟失或者發(fā)生嚴(yán)重保護(hù)性觸發(fā)告警，最直接的誘因，就是TCU控制單元內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重的三極管質(zhì)量不良問(wèn)題，造成了三極管嚴(yán)重?fù)p壞。

通過(guò)細(xì)致分析波形圖可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)踐環(huán)節(jié)22 V儲(chǔ)能電壓建立，需要滿足特定條件，整個(gè)過(guò)程相對(duì)緩慢，同時(shí)存在較嚴(yán)重的IP信號(hào)紊亂情況。經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，在應(yīng)用期間，當(dāng)單閥性能不穩(wěn)，承受較大正向電壓，在被動(dòng)情況下發(fā)生導(dǎo)通時(shí)，需要綜合考量多項(xiàng)因素，以免電路出現(xiàn)隱患[5]。結(jié)合實(shí)際情況可知，故障TCU板卡在高效完成儲(chǔ)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(nèi)，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(guò)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(méi)有限制情況下會(huì)不斷攀升，導(dǎo)致其壓力越來(lái)越大。當(dāng)壓力持續(xù)增長(zhǎng)，達(dá)到保護(hù)性觸發(fā)水平時(shí)，需要借助監(jiān)控后臺(tái)監(jiān)控IP丟失情況以及保護(hù)性觸發(fā)的故障表象，借此采取有效應(yīng)對(duì)策略。

通過(guò)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(zhì)保障的核心設(shè)備，在整個(gè)控制環(huán)節(jié)，TCU作為控制單元（最基礎(chǔ)的），支撐和保障作用較強(qiáng)，其可靠性直接決定系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)度，應(yīng)該高度重視。在現(xiàn)實(shí)工作中，換流閥回檢信號(hào)丟失情況需要充分考慮，一般情況下，信號(hào)丟失數(shù)目大于7就應(yīng)引起關(guān)注。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，電力電子器件性能至關(guān)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(shí)兼具高負(fù)載運(yùn)行的性能，但實(shí)際的整體表現(xiàn)較差。TCU控制單元應(yīng)用，需要依托科學(xué)測(cè)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(yīng)用水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技進(jìn)步，換流閥的使用頻次不斷增長(zhǎng)，換流閥的性能受到關(guān)注。特別是在高壓直流輸電體系中，換流閥的作用顯著。而關(guān)乎換流閥綜合性能的指標(biāo)眾多，其中TCU控制單元較為關(guān)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(cè)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(dá)標(biāo)。本文主要借助剖析換流閥TCU控制單元運(yùn)行機(jī)制，研究其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了性能完備的，主要對(duì)象是TCU控制單元的高品質(zhì)測(cè)試電路，同時(shí)也增加了測(cè)試方法的可行性，在此基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于TCU檢測(cè)，取得的效果較為理想。通過(guò)實(shí)踐證明，全新的測(cè)試電路適應(yīng)性有所提升，可以從源頭成功將故障定位，并細(xì)致分析出故障原因。針對(duì)限幅三極管（TCU內(nèi)部的）精準(zhǔn)完成測(cè)試，掌握其整體性能。通過(guò)測(cè)試表明，在正式工作中，該測(cè)試電路應(yīng)用效率高，使用性能穩(wěn)定，搭配的測(cè)試方式較合理，可極大程度貼合工程應(yīng)用需求。在該測(cè)試方法保障下，高壓直流輸電工程的科學(xué)投建可以順暢完成，并確保輸電工程后期運(yùn)行及檢修達(dá)到質(zhì)量要求。