高壓直流輸電換流閥用高電位板卡測(cè)試儀研究設(shè)計(jì)

西安西電電力系統(tǒng)有限公司 張娟 劉飛超 王瀟 崔斌

1 引言

目前，特高壓直流輸電工程晶閘管觸發(fā)和監(jiān)測(cè)板卡主要以TFM、TCU 和TVM 高電位板卡為主，板卡承擔(dān)監(jiān)測(cè)、觸發(fā)、保護(hù)晶閘管以及VBE 通信的作用[1-3]?，F(xiàn)行板卡測(cè)試方法以人工測(cè)試為主，需要多人配合完成波形的測(cè)量和記錄。每個(gè)工程都需要測(cè)試數(shù)千快板卡，并且每塊板卡都需要記錄大量的數(shù)據(jù)，所以板卡的測(cè)試通常需要耗費(fèi)幾個(gè)月才能完成。這種長(zhǎng)期單調(diào)重復(fù)的工作使工作人員疲勞，從而導(dǎo)致人工操作失誤，存在人員安全和產(chǎn)品質(zhì)量隱患。目前，換流閥所使用的高電位板卡種類較多，現(xiàn)有測(cè)試儀均針對(duì)一種板卡設(shè)計(jì)，兼容性差。為提高各類換流閥高電位板卡和晶閘管級(jí)測(cè)試的效率，同時(shí)保障高電位板卡和晶閘管級(jí)的功能和可靠性，需研制一種能夠兼容多種高電位板卡并進(jìn)行完整功能測(cè)試的板卡測(cè)試儀。

2 高電位板卡測(cè)試儀功能介紹

高電位板卡測(cè)試儀需要兼容TCU、TVM、TFM三種板卡。從結(jié)構(gòu)上分析，三種板卡結(jié)構(gòu)尺寸不同。TCU 板尺寸為185mm×72mm×27mm，TVM 板尺寸為270mm×49mm×25mm，TFM 板尺寸為300mm×200mm×25mm。從功能上分析，三種板卡的功能存在差異。TCU適配于小組件技術(shù)路線電控?fù)Q流閥，TVM適配于大組件技術(shù)路線光控?fù)Q流閥，TFM 適配于大組件技術(shù)路線電控?fù)Q流閥，三種板卡與晶閘管連接的回路及參數(shù)也不同[4-7]。三種板卡功能與結(jié)構(gòu)尺寸不同，電氣連接方式及阻尼參數(shù)也不同。因此需要設(shè)置適配不同板卡的工裝，對(duì)板卡進(jìn)行固定并將工裝上的探針固定在板卡相應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)上。高電位板卡測(cè)試儀功能如表1所示。

表1 高電位板卡測(cè)試儀功能

3 高電位板卡測(cè)試儀研究設(shè)計(jì)

3.1 高電位板卡測(cè)試儀架構(gòu)

高電位板卡測(cè)試儀由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、四通道示波器、系統(tǒng)控制箱、三種測(cè)試工裝、工頻中壓電源和直流高壓電源等5 部分組成。高電位板卡測(cè)試儀設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。根據(jù)所要測(cè)試的板卡，選擇相對(duì)應(yīng)的測(cè)試工裝，在工控機(jī)上選擇相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目，工控機(jī)根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目將示波器相應(yīng)通道檔位，觸發(fā)源設(shè)置好，同時(shí)將測(cè)試項(xiàng)目命令送至系統(tǒng)控制箱，系統(tǒng)控制箱接收控制命令后將相應(yīng)的高壓或者工頻電源打開，并且切換測(cè)試通道，完成加載和觸發(fā)過(guò)程。工控機(jī)讀取示波器觸發(fā)狀態(tài)是否有效讀取示波器數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)試判據(jù)給出測(cè)試結(jié)果[8-9]。并將測(cè)試完成命令送給系統(tǒng)控制箱，系統(tǒng)控制箱斷開測(cè)試激勵(lì)，等待下次測(cè)試。高電位板卡測(cè)試儀結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 高電位板卡測(cè)試儀設(shè)計(jì)架構(gòu)

圖2 高電位板卡測(cè)試儀結(jié)構(gòu)圖

一是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。通過(guò)RS485 通信線纜將控制命令送至系統(tǒng)控制箱，通過(guò)USB線纜設(shè)置示波器通道參數(shù)和觸發(fā)狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)USB線纜讀取示波器采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)性能指標(biāo)來(lái)判斷被測(cè)試板卡是否合格[10]。

二是系統(tǒng)控制箱。系統(tǒng)控制箱具有實(shí)時(shí)性的控制能力，可以完成嚴(yán)格的時(shí)序和激勵(lì)加載控制性能，這是上位機(jī)無(wú)法完成的。系統(tǒng)控制箱完成的主要功能包括板卡工裝識(shí)別、三種測(cè)試工裝被采樣信號(hào)的通道切換，高壓直流激勵(lì)和中壓工頻激勵(lì)源的加載時(shí)序控制，被測(cè)試板卡的測(cè)試時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生，示波器的通道和給予外觸發(fā)信號(hào)，以及與上位機(jī)進(jìn)行通信，完成具體測(cè)試項(xiàng)目。

三是工頻中壓電源。三種板卡的激勵(lì)源根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目不同可能為中壓工頻或高壓直流，一定上升斜率的高壓前沿信號(hào)。工頻功率滿足220～1500V電壓范圍的激勵(lì)加載，最大加載功率2000W。

四是直流高壓電源。直流高壓電源最高輸出電壓12kV，加載最大平均電流50mA，額定功率600W，瞬間峰值加載功率2000W，前沿輸出能力可以到達(dá)100V/μs以上，前沿上升率可以選擇。滿足晶閘管導(dǎo)通和高壓極限加載需求。

五是測(cè)試工裝。TCU，TVM，TFM 三種板卡測(cè)試工裝。三種測(cè)試工裝均可以方便安裝，并且與測(cè)試機(jī)柜兼容，具有工裝區(qū)分開關(guān)，測(cè)試機(jī)柜可以自動(dòng)識(shí)別工裝。

測(cè)試完成后用戶可對(duì)本次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的溯源性和易查找性，該系統(tǒng)采用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，所有的測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶可通過(guò)軟件界面的查詢功能查看任意時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)比，從元器件的選擇和測(cè)試等方面進(jìn)行改進(jìn)，以降低導(dǎo)彈的故障率。

3.2 高電位板卡測(cè)試儀關(guān)鍵技術(shù)研究

高電位板卡測(cè)試儀研究的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下三點(diǎn)。

3.2.1 高壓激勵(lì)源的加載切換

由于板卡測(cè)試項(xiàng)目很多，不同的測(cè)試項(xiàng)目需要施加不同的激勵(lì)，且激勵(lì)源需使用高壓激勵(lì)，正向過(guò)電壓保護(hù)測(cè)試中所加的激勵(lì)源甚至高達(dá)8000V。因此，高壓激勵(lì)源在加載切換過(guò)程中，易出現(xiàn)接觸電流過(guò)大甚至打火損壞的現(xiàn)象[11]。

因此需使用性能可靠的繼電器，并需要使用工頻同步信號(hào)獲取最佳切換時(shí)間點(diǎn)，已達(dá)到較好的切換效果。在切換過(guò)程中，測(cè)試板卡取能電源有可能電壓下降到無(wú)法正常維系工作，所以還需要單獨(dú)處理電源時(shí)序，保證測(cè)試板卡可以正常工作。

3.2.2 高壓激勵(lì)源的上升沿時(shí)間的程序化控制

根據(jù)板卡測(cè)試項(xiàng)目的需求，激勵(lì)源上升速率需要較快，反向恢復(fù)期保護(hù)過(guò)程中電壓上升率甚至高達(dá)100V/μs。而一般的開關(guān)電源的前沿上升沿比較緩慢，從0V上升到滿電壓的時(shí)間在10ms以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于100V/μs。

上升時(shí)間慢的原因有兩個(gè)：一是輸出電容太大，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；二是開關(guān)電源為防止開啟沖擊電流過(guò)大，損壞功率管，一般都進(jìn)行軟啟動(dòng)。為達(dá)到較高的上升沿斜率，通過(guò)調(diào)整電容參數(shù)及采用直接高壓輸出電路的方式，以滿足快速的電壓上升沿要求。同時(shí)為了提高系統(tǒng)抗沖擊性能，提高功率器件裕度耐受能力，裕度在3倍以上。

高電壓沖擊加載下的電磁兼容和抗干擾由于板卡的高壓測(cè)試項(xiàng)目較多，高壓功率電路部分就有很強(qiáng)的電磁干擾，容易串?dāng)_到低壓電路中，輕者導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，嚴(yán)重的話會(huì)傷害到人身安全。

這些問(wèn)題往往很難形成規(guī)范解決的辦法，需要工程設(shè)計(jì)人員有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，能夠在實(shí)際中可以找到問(wèn)題根源，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出相應(yīng)可行方案。常見的處理辦法是良好的接地，屏蔽罩，良好的電路PCB 布局布線，機(jī)箱內(nèi)高壓和低壓部分合理的機(jī)箱內(nèi)部分布，以及低壓控制電路與接口信號(hào)電路的電器隔離。

4 高電位板卡功能試驗(yàn)

根據(jù)所要測(cè)試的板卡選擇相應(yīng)的工裝，在高電位板卡測(cè)試儀顯示器界面上選擇相應(yīng)板卡類型及測(cè)試項(xiàng)目，點(diǎn)擊測(cè)試，即可得出板卡的測(cè)試結(jié)果。板卡測(cè)試合格，則相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目顯示“PASS”，若板卡某項(xiàng)功能測(cè)試不合格，則相應(yīng)測(cè)試項(xiàng)目顯示“FAIL”。高電位板卡測(cè)試儀TCU 測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 高電位板卡測(cè)試儀TCU測(cè)試結(jié)果

高電位板卡測(cè)試儀TVM 測(cè)試結(jié)果如圖4所示。高電位板卡測(cè)試儀TFM板測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖4 高電位板卡測(cè)試儀TVM測(cè)試結(jié)果

圖5 高電位板卡測(cè)試儀TFM板測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對(duì)目前換流閥板卡測(cè)試方面的缺陷和隱患，通過(guò)分析不同技術(shù)路線換流閥板卡的功能參數(shù)、電氣連接及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一種可兼容多種板卡的高效可靠的高電位板卡測(cè)試儀。針對(duì)高電位板卡測(cè)試儀關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，解決高壓激勵(lì)電源切換、快速電壓上升率及電磁兼容方面的難題，完成測(cè)試儀的樣機(jī)研制并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該測(cè)試儀的功能，提高換流閥高電位板卡的測(cè)試效率及可靠性。