直流融冰TE 觸發(fā)板檢測(cè)裝置研究

張鵬，蔣煥斌，羅義暉，梁君華

（中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司柳州局，廣西柳州，545000）

0 引言

我國(guó)是輸電線路覆冰較為嚴(yán)重的國(guó)家之一。線路覆冰不僅嚴(yán)重影響了輸電線路正常運(yùn)行，更對(duì)國(guó)民生產(chǎn)和人民生活造成重大損失。線路覆冰的危害主要表現(xiàn)在倒塔斷線、絕緣子閃絡(luò)、導(dǎo)線舞動(dòng)、跳閘等方面，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓[1-5]。綜合分析目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)實(shí)用的防冰除冰技術(shù)，直流融冰是一種最直接、有效、可靠的除冰方案，其優(yōu)點(diǎn)是：可實(shí)現(xiàn)零起升壓和升流，且快捷方便；通過(guò)控制晶閘管觸發(fā)角，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)線路類型，覆冰狀態(tài)，氣象條件等因素控制直流融冰電流，已達(dá)到線路穩(wěn)定的最佳融冰狀態(tài)，對(duì)于不同長(zhǎng)度、不同類型的線路適應(yīng)性較好。

1 基本情況

2020 年某換流站新裝設(shè)了一套12 脈動(dòng)融冰裝置。直流融冰裝置晶閘閥的電氣接線形式為12 脈波換流器，12 脈波換流器由兩組6 脈波換流器串聯(lián)組成，6 脈波換流器每相的臂稱為單閥。

將兩組6 脈波換流器串聯(lián)時(shí)，閥側(cè)繞組間的相位（角）差設(shè)計(jì)為30°，可以改善電能質(zhì)量，減少直流融冰裝置運(yùn)行對(duì)供電系統(tǒng)的影響。

12 脈動(dòng)直流融冰裝置電氣接線圖如圖1 所示。

圖1 直流融冰裝置電氣接線示意圖

單閥由多層晶閘管組件疊裝，空氣絕緣。串聯(lián)晶閘管疊裝壓緊，采用高純水冷卻，高壓取能，配置動(dòng)態(tài)均壓回路、靜態(tài)均壓回路和BOD 保護(hù)。觸發(fā)方式采用光電觸發(fā)。晶閘管單個(gè)閥塔設(shè)備組成示意圖如圖2 所示。

圖2 直流融冰晶閘管單個(gè)閥塔設(shè)備組成示意圖

2020 年10 月21 日零功率100A 解鎖在進(jìn)行水冷系切統(tǒng)冗余試驗(yàn)過(guò)程中Y 橋C 相VT2-8 回報(bào)異常；

2020 年10 月22 日零功率試驗(yàn)4000A 電流運(yùn)行過(guò)程中D 橋C 相VT5-8 回報(bào)異常；

2020 年10 月28 日在對(duì)地線第二分段試驗(yàn)過(guò)程中，D橋A 相VT4-6 報(bào)閥回報(bào)異常；

2020 年10 月29 日在對(duì)地線第三分段融冰試驗(yàn)過(guò)程中，Y 橋C 相VT2-8 報(bào)閥回報(bào)異常，在解鎖后電流達(dá)到150A 時(shí)Y橋Y 橋C 相VT2-8TE 板損壞；

2020 年10 月29 日融冰結(jié)束，閉鎖后上報(bào)D 橋B 相VT6-10 和C 相VT2-6 閥回報(bào)異常；

2020 年11 月13 日進(jìn)行融冰試驗(yàn)時(shí)，在500A 解鎖時(shí)Y橋C 相VT2 頻繁報(bào)BOD，電流值到達(dá)3600A 運(yùn)行一段時(shí)間后Y橋VT2-8 閥回報(bào)異常，大電流運(yùn)行時(shí)未報(bào)BOD。

現(xiàn)場(chǎng)閥體低壓調(diào)試過(guò)程中板卡觸發(fā)、回報(bào)功能均正常，融冰試驗(yàn)過(guò)程中在閥解鎖、閉鎖階段出現(xiàn)TE 板無(wú)回報(bào)、部分報(bào)BOD 動(dòng)作。TE 板總數(shù)量約為120 塊，故障板卡數(shù)量為7 塊。

2 故障分析

2.1 故障板卡測(cè)試

經(jīng)過(guò)對(duì)7 塊故障板卡進(jìn)行返廠測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其中有5 塊板卡是由于V210 穩(wěn)壓管損壞，導(dǎo)致取能電路故障，造成TE 板回報(bào)異常； 1 塊板卡是由于 V224 三極管損壞，導(dǎo)致取能電路故障，TE 板回報(bào)異常；1 塊板卡是由于光發(fā)射器損壞，光發(fā)射器無(wú)光。

2.2 故障原因分析

結(jié)合融冰現(xiàn)場(chǎng)情況，現(xiàn)場(chǎng)融冰過(guò)程中，當(dāng)直流電流較小時(shí)，出現(xiàn)整流變低壓側(cè)避雷器動(dòng)作、TE 板BOD 情況，通過(guò)在PSCAD 中建立仿真模型，如圖3。仿真直流電流斷續(xù)時(shí)整流變低壓側(cè)電壓情況，發(fā)現(xiàn)在電流斷續(xù)時(shí)刻，存在整流變低壓側(cè)電壓瞬時(shí)升高的現(xiàn)象。如圖4 所示，該過(guò)電壓幅值接近避雷器參考電壓，且上升時(shí)間極短?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況中如果電流斷續(xù)引起的di/dt 大于仿真情況則會(huì)出現(xiàn)更高的相電壓導(dǎo)致避雷器和閥體內(nèi)BOD 動(dòng)作。上述仿真結(jié)果與實(shí)際觀察到的現(xiàn)象相符。

圖3 仿真模型建立圖

圖4 過(guò)電壓幅值接近避雷器參考電壓仿真圖

根據(jù)直流融冰現(xiàn)場(chǎng)返回TE 板故障測(cè)試分析如下：

TE 板主要損壞部分原理圖如圖5 所示，主要包括阻容取能回路、BOD 過(guò)壓保護(hù)回路。

圖5 TE 板主要損壞部分原理圖

①阻容取能回路故障原因分析：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，當(dāng)直流電流較小出現(xiàn)斷續(xù)時(shí)，晶閘管端頻繁出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)壓，且該電壓波頭時(shí)間極短，導(dǎo)致TE 板阻容取能回路穩(wěn)壓管V210、三極管V224 頻繁出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)流，進(jìn)而導(dǎo)致個(gè)別TE 板該位置元器件損壞。

V210 在出現(xiàn)頻繁暫態(tài)過(guò)流后損壞，呈短路狀態(tài)，晶閘管V212 提前導(dǎo)通，導(dǎo)致TE 板取能回路無(wú)法正常取能，板卡無(wú)法正常工作，因此TE 板無(wú)法完成正常閥狀態(tài)，系統(tǒng)報(bào)閥回報(bào)異常。

V224 在出現(xiàn)頻繁暫態(tài)過(guò)流后損壞，三極管在正向暫態(tài)過(guò)流后損壞，集電極、發(fā)射極呈斷路狀態(tài)，取能回路無(wú)法往后續(xù)電路供電，板卡無(wú)法正常工作，因此TE 板無(wú)法完成正常閥狀態(tài)，系統(tǒng)報(bào)閥回報(bào)異常。

光發(fā)射器損壞分析：由于避雷器動(dòng)作、BOD 動(dòng)作對(duì)取能回路的影響，經(jīng)VCC 供電電路導(dǎo)致光發(fā)射器損壞，光發(fā)射器無(wú)光。

②BOD 回路故障分析

BOD 正常工作原理：閥端電壓達(dá)到BOD 動(dòng)作值時(shí)，BOD（V285、V286）導(dǎo)通，經(jīng)穩(wěn)壓管V248 完成晶閘管保護(hù)性觸發(fā)。

故障原因分析：由于器件V240 擊穿短路，導(dǎo)致穩(wěn)壓管V248 無(wú)法正常反向擊穿觸發(fā)晶閘管，在晶閘管沒有正常導(dǎo)通的情況下，由于BOD 回路電流過(guò)大，引起電阻、BOD 等元器件過(guò)熱損壞。

3 解決措施

在后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)整改控制邏輯，修改融冰換流閥的解閉鎖邏輯，設(shè)置最小觸發(fā)角解鎖等方式，盡量避免融冰過(guò)程中出現(xiàn)直流電流斷續(xù)引起的瞬時(shí)過(guò)電壓，避雷器動(dòng)作次數(shù)、BOD 動(dòng)作次數(shù)得到有效降低，有利于閥體TE 板正常運(yùn)行。

4 目前TE 觸發(fā)板現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法

TE 板是直流融冰成套裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，每一個(gè)直流融冰裝置均需要配置大量的TE 板。在更換TE 板前，需對(duì)TE板進(jìn)行測(cè)試，此外根據(jù)相關(guān)運(yùn)維要求，定期也要針對(duì)TE 板等重要的備品備件進(jìn)行檢測(cè)，而目前常規(guī)的檢測(cè)方法，將TE 板安裝于實(shí)際的閥組中，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的閥組及控制器開展，通過(guò)低壓觸發(fā)試驗(yàn)對(duì)TE 板的好壞進(jìn)行檢測(cè)，存在試驗(yàn)復(fù)雜，存在安全性風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。一種方法為使用試驗(yàn)方法變壓器，負(fù)載導(dǎo)線搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，采用利用運(yùn)行設(shè)備陪試的方案，需要開一類票，如使用測(cè)試變壓器搭建試驗(yàn)環(huán)境，存在試驗(yàn)人員人員多、步驟復(fù)雜的問(wèn)題，有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 TE 觸發(fā)板檢測(cè)裝置的研制

本裝置原理圖如圖6 所示，裝置中包括控制板、人機(jī)接口、模擬負(fù)載、等比例閥段、轉(zhuǎn)接插槽、TE 板取能變壓器等組成，同時(shí)交流進(jìn)線側(cè)及直流側(cè)還配置了熔斷器、PT、CT 等用于顯示及保護(hù)的裝置。

圖6 TE 觸發(fā)板檢測(cè)裝置原理圖

裝置輸入一路交流220V 電源，電源輸入后，被分為三路。一路用于給控制板供電同時(shí)用于控制板計(jì)算同步信號(hào)用，控制板根據(jù)人機(jī)接口的控制命令，結(jié)合同步信號(hào)及觸發(fā)及回檢編碼邏輯輸出觸發(fā)信號(hào)，并根據(jù)回檢信號(hào)判斷回檢狀態(tài)；一路進(jìn)入等比例閥段，當(dāng)與等比例閥端連接的TE 板可正確接收觸發(fā)脈沖，正常工作時(shí)，等比例閥端工作，模擬負(fù)載通過(guò)電流；一路通過(guò)一個(gè)可調(diào)變壓器給TE 板供電，解決不同廠家不同型號(hào)TE 板供電電源不一致的問(wèn)題。

模擬負(fù)載為一個(gè)二次等值電阻，其額定功率按照模擬閥段最大工作功率設(shè)計(jì)，同時(shí)為人身設(shè)備安全中間設(shè)計(jì)了熔斷器及限壓裝置。

等比例閥段是按照融冰裝置閥組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用額定參數(shù)較低的器件設(shè)計(jì)完成，主要包括晶閘管、阻容回路等，采用框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

由于不同廠家不同型號(hào)的TE 板的另外一個(gè)差異為板卡尺寸及接口定義不同，針對(duì)上述問(wèn)題，本裝置設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)接插槽，無(wú)論何種型號(hào)的TE 板其觸發(fā)原理是相同的，因此通過(guò)轉(zhuǎn)接插槽實(shí)現(xiàn)被試TE 板插槽與晶閘管的正確連接，TE 板的正確取能，同時(shí)設(shè)計(jì)了在插接位置設(shè)計(jì)了多個(gè)固定位置，保證不同尺寸的TE 板均可安裝。

控制板用于模擬融冰裝置的控制保護(hù)，主要功能如下，將人機(jī)接口的下發(fā)的控制命令通過(guò)同步信號(hào)比較后，根據(jù)設(shè)定的觸發(fā)脈沖編碼通過(guò)光纖發(fā)送個(gè)被測(cè)TE 板。同時(shí)接收TE板的回報(bào)信號(hào)，根據(jù)編碼對(duì)回報(bào)信號(hào)進(jìn)行解析?？刂瓢逯麟娐肥疽鈭D如圖7 所示：

圖7 控制板主電路示意圖

控制板由浮點(diǎn)型DSP、定點(diǎn)型DSP、FPGA 及相關(guān)器件組成，功能設(shè)計(jì)上，220V 電壓及融冰直流電流、輸入經(jīng)過(guò)調(diào)理芯片及AD 轉(zhuǎn)換芯片，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA 主要負(fù)責(zé)與各硬件接口通信，并根據(jù)數(shù)據(jù)電壓經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)算法計(jì)算出觸發(fā)所用的同步信號(hào)，浮點(diǎn)型DSP 用于通過(guò)融冰直流電流折算當(dāng)前的觸發(fā)角度，并將觸發(fā)角度發(fā)送給定點(diǎn)型DSP 用于觸發(fā)精度的計(jì)算，同時(shí)浮點(diǎn)型DSP 還實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的過(guò)壓、過(guò)流的保護(hù)。定點(diǎn)型DSP 完成控制功能所需的控制邏輯的運(yùn)算，通過(guò)以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)與人機(jī)交互，其主要控制功能包括，晶閘管控制及控制脈沖生成。其中，核心控制算法框圖如圖8 所示。

圖8 控制板主電路示意圖

圖8 中，Pme 為實(shí)際的有功功率，根據(jù)實(shí)際直流側(cè)電壓及電流計(jì)算獲得，Pref 為設(shè)定的有功功率值，通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定獲得。實(shí)際值與理論值得偏差根據(jù)PI 算法計(jì)算出對(duì)應(yīng)的觸發(fā)角度，通過(guò)相應(yīng)的限幅后獲得對(duì)應(yīng)的觸發(fā)角度，觸發(fā)角度根據(jù)同步算法計(jì)算出觸發(fā)脈沖時(shí)刻，然后根據(jù)觸發(fā)脈沖編碼邏輯通過(guò)光纖輸出觸發(fā)脈沖。

由于不同廠家、不同型號(hào)TE 板的觸發(fā)脈沖存在差異，為提高適應(yīng)性，本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)場(chǎng)波形控制邏輯生成方法，實(shí)現(xiàn)過(guò)程為通過(guò)示波器抓取實(shí)際觸發(fā)過(guò)程中的波形，將波形導(dǎo)出為可編輯數(shù)據(jù)，截取一個(gè)周波數(shù)據(jù)后，識(shí)別出一個(gè)整個(gè)觸發(fā)周期的觸發(fā)脈沖，將觸發(fā)脈沖通過(guò)串口下裝到主控板，然后通過(guò)調(diào)試工具在主控板中定義觸發(fā)脈沖中各個(gè)信號(hào)的含義，從而實(shí)現(xiàn)觸發(fā)邏輯的精準(zhǔn)配置?；貦z邏輯同樣按照此種方式設(shè)計(jì)。

6 TE 觸發(fā)板檢測(cè)裝置的優(yōu)點(diǎn)與創(chuàng)新

（1）解決了使用實(shí)際運(yùn)行設(shè)備，作為陪試設(shè)備，帶來(lái)的操作復(fù)雜，及安全性的問(wèn)題；

（2）解決了不同廠家的融冰裝置觸發(fā)及回檢邏輯不停，需配置不同的VTE 或試驗(yàn)工裝的問(wèn)題；

本發(fā)明，是一種TE 板功能測(cè)試裝置。通過(guò)該裝置結(jié)合閥段測(cè)試工裝，可實(shí)現(xiàn)在TE 板的全功能測(cè)試，本測(cè)試裝置的創(chuàng)新如下：

①將整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)所需的控制保護(hù)系統(tǒng)、試驗(yàn)變壓器、試驗(yàn)負(fù)載及相關(guān)拓?fù)浣泳€，集成在一個(gè)3U 裝置中，通過(guò)的裝置的信號(hào)燈及指示表可顯示當(dāng)前測(cè)試情況，通過(guò)旋鈕、撥碼開關(guān)即能完成對(duì)被試設(shè)備的監(jiān)視及控制，

②具備觸發(fā)及回檢編碼識(shí)別能力，通過(guò)下裝不同廠家觸發(fā)及回檢邏輯可實(shí)現(xiàn)，兼容不同廠家及型號(hào)融冰裝置TE 板的測(cè)試。

③基于負(fù)載電流的觸發(fā)精度校準(zhǔn)，可通過(guò)觸發(fā)電流自動(dòng)計(jì)算觸發(fā)時(shí)刻，計(jì)算觸發(fā)誤差。