換流閥EOC信號(hào)延遲原因分析及解決措施

蘇云東

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 前言

換流閥電流過(guò)零信號(hào)簡(jiǎn)稱(chēng)EOC（Extinction Of Current）。換流閥在換相過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電流過(guò)零和電壓過(guò)零點(diǎn)，極控系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量板卡ESP10計(jì)算每一個(gè)換流閥電流過(guò)零到電壓過(guò)零的時(shí)間，可以精確得到每一個(gè)換流閥的熄弧角。電流的過(guò)零信號(hào)EOC通過(guò)12個(gè)換流閥的晶閘管電壓監(jiān)視（TVM）板來(lái)檢測(cè)，并通過(guò)VBE傳送給極控系統(tǒng)。

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

1 換流閥EOC信號(hào)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(jí)組成。每個(gè)晶閘管級(jí)均安裝有獨(dú)立的TVM板，TVM原理框圖如圖1。

圖1 TVM原理框圖

每個(gè)晶閘管級(jí)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(shí)從以下幾個(gè)方面來(lái)監(jiān)控光觸發(fā)晶閘管兩端的電壓：

1）檢測(cè)晶閘管的阻斷能力；

2）檢查晶閘管是否可以觸發(fā)導(dǎo)通（建立正向電壓）；

3）檢查晶閘管電流過(guò)零（建立負(fù)向電壓）；

4）檢查晶閘管是否由內(nèi)部的正向過(guò)電壓保護(hù)觸發(fā)導(dǎo)通（BOD）。

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

閥運(yùn)行中，由閥上每個(gè)晶閘管級(jí)的TVM板在線監(jiān)測(cè)晶閘管兩端的電壓，產(chǎn)生相關(guān)的回檢信號(hào)，TVM產(chǎn)生的回檢信號(hào)如圖2。

圖2 TVM產(chǎn)生的回檢信號(hào)

當(dāng)晶閘管兩端的電壓達(dá)50~70 V時(shí)，TVM會(huì)發(fā)送6 μs寬的正電壓建立回報(bào)信號(hào)到VBE的光接收板；當(dāng)晶閘管兩端電壓達(dá)-150~-170 V時(shí)，TVM會(huì)發(fā)送2 μs寬的負(fù)電壓建立回報(bào)信號(hào)；如果監(jiān)測(cè)到晶閘管兩端電壓達(dá)6500~7500 V時(shí)，TVM會(huì)發(fā)送12 μs寬的BOD動(dòng)作回報(bào)信號(hào)。

該換流站的TVM板設(shè)計(jì)回報(bào)信號(hào)參數(shù)如下：

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

2）負(fù)電壓建立回報(bào)信號(hào)光脈沖寬度：2~3 μs，發(fā)送回報(bào)光脈沖時(shí)，晶閘管兩端的電壓：-160±20 V；

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

1.2 TVM的參數(shù)測(cè)試方法

將交流可調(diào)電源電壓調(diào)制到Us=1500 V，設(shè)置示波器相關(guān)參數(shù)，讀取通道2的數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)值作比較。其測(cè)試接線如圖3。

圖3 TVM參數(shù)測(cè)試接線圖

其測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 正向電壓建立回報(bào)信號(hào)試驗(yàn)波形圖

圖5 負(fù)向電壓建立回報(bào)信號(hào)試驗(yàn)波形圖

圖6 正向過(guò)電壓回報(bào)信號(hào)試驗(yàn)波形圖

2016年8月-10月，通過(guò)對(duì)運(yùn)行中的TVM板的正向電壓建立回報(bào)信號(hào)、負(fù)向電壓建立回報(bào)信號(hào)、正向過(guò)電壓回報(bào)信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行4次檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)閥控EOC信號(hào)存在延遲現(xiàn)象，這就是導(dǎo)致TVM板與閥控VBE信號(hào)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(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，回報(bào)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(dǎo)致。

1.3 TVM板卡與閥控信號(hào)失配問(wèn)題分析

從TVM板卡負(fù)向光回報(bào)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(duì)其電路上電阻，電容，穩(wěn)壓二極管等主要元器件進(jìn)行測(cè)量和分析，逐一排查，最后發(fā)現(xiàn)電容容值會(huì)隨測(cè)試頻率的增大而減小。測(cè)量情況見(jiàn)表1所示。

表1 1nF電容在不同測(cè)試頻率下的電容容值

因而，初步判斷TVM負(fù)電壓回報(bào)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(biāo)稱(chēng)1nF的X7R型MLCC電容。其MLCC電容分類(lèi)及特性如表2所示。

表2 MLCC電容分類(lèi)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(huì)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(jìn)一步驗(yàn)證工作頻率對(duì)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(cè)量了相應(yīng)晶閘管級(jí)的負(fù)電壓回報(bào)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(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 部分新更換TVM板的回報(bào)脈寬測(cè)量結(jié)果

從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，解鎖狀態(tài)下，大部分的TVM負(fù)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(yùn)行，主回路電壓負(fù)向過(guò)零時(shí)，du/dt較高，TVM負(fù)向脈沖控制回路中電容的取能速度高于工頻運(yùn)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(dǎo)致負(fù)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(shí)長(zhǎng)的變化情況

TVM的電容更換為C0G型電容后，進(jìn)行如下功能（例行）試驗(yàn)：

1）負(fù)電壓建立回報(bào)光脈沖寬度；

2）負(fù)向電壓建立電壓值；

3）正電壓建立回報(bào)光脈沖寬度；

4）正向電壓建立電壓值；

5）正向過(guò)電壓保護(hù)回報(bào)光脈沖寬度；

6）正向過(guò)電壓保護(hù)電壓值。

新TVM板通過(guò)以上試驗(yàn)，電壓檢測(cè)和回報(bào)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(huì)對(duì)TVM板的正常功能造成影響。

新TVM板又經(jīng)過(guò)高溫老化試驗(yàn)，對(duì)TVM試品每級(jí)施加1500 V peak工頻交流電壓，于環(huán)境溫度70℃進(jìn)行96 h連續(xù)高溫運(yùn)行試驗(yàn)，每隔6 h對(duì)TVM板的回報(bào)脈寬進(jìn)行檢測(cè)和記錄。經(jīng)過(guò)高溫試驗(yàn)，新TVM板（C0G）回報(bào)脈寬的動(dòng)態(tài)變化量，遠(yuǎn)小于原TVM板（X7R）的變化量。加速老化試驗(yàn)前后，原TVM板由于電容有效容值下降，導(dǎo)致脈寬縮短，同此前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果相一致，而新TVM板的脈寬則幾乎無(wú)變化。

新TVM板再次經(jīng)過(guò)直流背靠背系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)，在換流站返修的TVM板中隨機(jī)抽取6塊，安裝于背靠背閥D5V1~D5V6級(jí)。在功率正反送以及系統(tǒng)解閉鎖狀態(tài)下，分別測(cè)量TVM板的回報(bào)脈沖寬度。應(yīng)用直流背靠背試驗(yàn)系統(tǒng)，可有效模擬工程中的實(shí)際工況，驗(yàn)證修復(fù)后TVM板的工作性能。換流閥解鎖和閉鎖狀態(tài)下，TVM板回報(bào)信號(hào)脈寬的變化較小，皆符合閥控系統(tǒng)的檢測(cè)要求；通過(guò)該項(xiàng)試驗(yàn)，已驗(yàn)證板卡修復(fù)方案的正確和有效性，新TVM板能夠滿足該換流站VBE設(shè)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(chǎng)對(duì)更換后的TVM回報(bào)脈沖寬度進(jìn)行測(cè)量，負(fù)電壓建立回報(bào)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(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，EOC信號(hào)未出現(xiàn)延遲的現(xiàn)象，正常運(yùn)行期間也未出現(xiàn)由于EOC信號(hào)延遲引起直流換相失敗的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

逆變站的換流閥在運(yùn)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(dǎo)致負(fù)向脈沖寬度減小，導(dǎo)致TVM板與閥控VBE信號(hào)失配，造成換流閥多次分生換相失敗和直流閉鎖。通過(guò)對(duì)TVM板測(cè)試，發(fā)現(xiàn)X7R電容在高頻率下運(yùn)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(guò)功能（例行）試驗(yàn)、高溫老化試驗(yàn)、直流背靠背系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)，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(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，EOC信號(hào)未出現(xiàn)延遲的現(xiàn)象，成功解決了TVM板的問(wèn)題引起直流換相失敗，為類(lèi)似直流工程的問(wèn)題提供參考解決方案。