楊德林,譚令其,歐陽(yáng)文艷,林曙光,宋啓能
(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局,云南 文山 663000;2.廣東電網(wǎng)電力科學(xué)研究院,廣州 510080)
模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converters,MMC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因其具有模塊化集成度高、易于拓展、諧波小等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電、異步聯(lián)網(wǎng)、風(fēng)電并網(wǎng)、無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域[1-9]。與常規(guī)直流輸電相比,模塊化多電平拓?fù)涞娜嵝灾绷鬏旊娂夹g(shù)具有無(wú)需受端提供換相電壓、無(wú)需無(wú)功補(bǔ)償和交流濾波器、無(wú)換相失敗問(wèn)題、有功無(wú)功獨(dú)立控制等優(yōu)點(diǎn)[10]。隨著MMC由最初的低壓、小容量示范工程向高電壓、大容量方向的快速發(fā)展,其器件也存在模塊數(shù)量多、承受電壓電流應(yīng)力大、輔助電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。
目前柔性直流工程上應(yīng)用的MMC 主要為半橋型MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),受限于現(xiàn)有功率子模塊的耐壓水平,一個(gè)閥組往往需要級(jí)聯(lián)幾千個(gè)功率子模塊,子模塊故障成為工程現(xiàn)場(chǎng)最常見(jiàn)的故障之一。通常柔性直流輸電拓?fù)涿繕虮墼O(shè)計(jì)一定數(shù)量的冗余子模塊,當(dāng)子模塊冗余耗盡時(shí),控保系統(tǒng)執(zhí)行順控程序?qū)⑾鄳?yīng)閥組停運(yùn)。因此,研究半橋型功率子模塊故障類型、故障特征和失效分析,對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)故障診斷及提高柔性直流輸電可靠性具有重大意義。
目前國(guó)內(nèi)已有不少文獻(xiàn)開(kāi)展了絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)失效機(jī)理、故障特征的分析和研究,提出了IGBT 相應(yīng)的故障檢測(cè)、定位、保護(hù)等方案[11-19],但少有文獻(xiàn)對(duì)工程應(yīng)用中的大功率IGBT 器件現(xiàn)場(chǎng)故障開(kāi)展分析。本文結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,梳理MMC半橋子模塊驅(qū)動(dòng)/器件類、通信類等典型故障,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)波形開(kāi)展故障特征和原因分析,提出運(yùn)維建議和處置措施,供類似故障處理提供參考。
半橋型功率子模塊主要由兩個(gè)IGBT T1和T2、兩個(gè)與IGBT反并聯(lián)的二極管D1和D2、儲(chǔ)能電容器C0、均壓電阻R0、旁路開(kāi)關(guān)、旁路保護(hù)晶閘管、驅(qū)動(dòng)板、旁路觸發(fā)板、控制板、取能電源、水冷回路等組成,如圖1所示。
圖1 半橋型MMC子模塊結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of half-bridge MMC sub-module
(1)IGBT:IGBT 是功率子模塊的核心設(shè)備,按照封裝工藝劃分有焊接式IGBT 和壓接式IGBT,壓接式IGBT 因其工藝結(jié)構(gòu)采用兩面散熱,具有散熱好、易于串聯(lián)、故障后不爆炸、故障后短路通流等優(yōu)點(diǎn)。
(2)續(xù)流二極管:每個(gè)IGBT 反并聯(lián)一個(gè)二極管,根據(jù)工藝不同,有的采用和IGBT 模塊化封裝結(jié)構(gòu),有的采用外接結(jié)構(gòu),保證IGBT 閉鎖后電流通過(guò)二極管續(xù)流。
(3)儲(chǔ)能電容:在IGBT 兩端并聯(lián)儲(chǔ)能電容C0,可起到存儲(chǔ)能量、支撐母線電壓等作用;均壓電阻同儲(chǔ)能電容并聯(lián),作為儲(chǔ)能電容的放電回路,同時(shí)在換流閥充電時(shí)起到均壓的作用。
(4)旁路開(kāi)關(guān):旁路開(kāi)關(guān)并聯(lián)在功率器件輸出端,當(dāng)功率子模塊故障時(shí),觸發(fā)旁路開(kāi)關(guān)合閘,將故障功率子模塊隔離并提供橋臂電流通路。旁路開(kāi)關(guān)通常采用雙線圈和冗余觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。
(5)晶閘管:在旁路開(kāi)關(guān)兩端并聯(lián)一個(gè)旁路晶閘管。一方面,當(dāng)旁路開(kāi)關(guān)發(fā)生拒動(dòng)或旁路失效,電容電壓持續(xù)升高,達(dá)到晶閘管的轉(zhuǎn)折電壓后擊穿,擊穿后晶閘管具備長(zhǎng)期通流能力,作為旁路開(kāi)關(guān)的后備保護(hù);另一方面,當(dāng)直流側(cè)發(fā)生接地或短路故障時(shí),快速觸發(fā)旁路晶閘管導(dǎo)通分流,保護(hù)IGBT和二極管免受過(guò)電流沖擊。
圖2所示為半橋型MMC 子模塊示意圖。正常工作時(shí),根據(jù)IGBT開(kāi)關(guān)狀態(tài)的不同,對(duì)應(yīng)MMC半橋子模塊的三種運(yùn)行狀態(tài)分別為閉鎖狀態(tài)、投入狀態(tài)、切除狀態(tài),具體如下。
圖2 半橋型MMC子模塊等效電路圖Fig.2 Schematic diagram of half-bridge MMC sub-module
(1)閉鎖狀態(tài):T1 和T2 均處于關(guān)斷狀態(tài),當(dāng)電流由A流向B時(shí),電流經(jīng)D1向電容充電;當(dāng)電流由B流向A時(shí),電流經(jīng)D2流出將電容旁路。該狀態(tài)主要出現(xiàn)在充電階段或功率模塊嚴(yán)重故障時(shí)。
(2)投入狀態(tài):T1 處于開(kāi)通狀態(tài)、T2 處于關(guān)斷狀態(tài),當(dāng)電流由A流向B時(shí),T1接收開(kāi)通信號(hào),但仍然處于關(guān)閉狀態(tài),電流經(jīng)D1 對(duì)電容充電;當(dāng)電流由B流向A時(shí),電流經(jīng)T1使電容放電。
(3)切除狀態(tài):T1 處于關(guān)斷狀態(tài),T2 處于開(kāi)通狀態(tài),當(dāng)電流由A 流向B 時(shí),電流經(jīng)T2 流出將電容旁路,當(dāng)電流由B 流向A 時(shí),電流經(jīng)D2 流出將電容旁路。該狀態(tài)下子模塊輸出電壓等于0,電容保持旁路狀態(tài)。
功率模塊可能的故障原因主要有通信故障、IGBT失效擊穿、驅(qū)動(dòng)板卡故障、取能電源故障、旁路開(kāi)關(guān)誤動(dòng)等。實(shí)際工程中,換流閥橋臂通常設(shè)計(jì)有一定數(shù)量的冗余子模塊,單一子模塊故障旁路或故障旁路數(shù)量小于冗余數(shù)時(shí),不會(huì)導(dǎo)致非計(jì)劃停運(yùn),系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行,可結(jié)合停電檢修對(duì)故障模塊進(jìn)行更換。本文針對(duì)某換流站近半年功率模塊故障類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),故障主要以IGBT 故障/驅(qū)動(dòng)異常和通信故障為主,兩者合計(jì)占比高達(dá)96.8%,具體信息如表1所示。
表1 某換流站功率模塊故障統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical information of the power module faults in a converter station
由表1可知,在統(tǒng)計(jì)期間內(nèi),共發(fā)生功率模塊故障124起,其中IGBT故障/驅(qū)動(dòng)異常共80起,包括直通短路故障、單管擊穿及“瞬時(shí)性”直通短路故障,占比分別為36.5%、16.7%、10.3%;通信異常共42起,占比33.3%??梢?jiàn),IGBT直通短路故障、單管擊穿、“瞬時(shí)性”直通短路故障、通信異常是功率模塊較為典型的故障類型,本文將結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)案例,對(duì)IGBT 故障/驅(qū)動(dòng)異常典型故障、通信異常故障進(jìn)行故障特征和理論析,并提出相應(yīng)的運(yùn)維建議和處置措施。
由IGBT 運(yùn)行工況可知,半橋型MMC 子模塊在任一時(shí)刻,最多只有一個(gè)IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài)[15]。IGBT 直通短路故障即在運(yùn)行過(guò)程中,上、下管因驅(qū)動(dòng)異常誤開(kāi)通、電壓擊穿失效、過(guò)流失效等導(dǎo)致的上、下管直通放電故障。
3.1.1 故障特征
IGBT直通短路故障發(fā)生后,可結(jié)合故障報(bào)文和錄波進(jìn)行初步分析,判斷IGBT故障類型和原因。發(fā)生直通短路故障的IGBT,電容電壓將迅速短路放電,子模塊電壓將迅速降到0。圖3為工程現(xiàn)場(chǎng)2個(gè)模塊(編號(hào)009、045)故障錄波圖(圖中電壓值除以13 為實(shí)際電壓),功率模塊處于切除狀態(tài)(T1 關(guān)斷,T2開(kāi)通),其余模塊電壓呈下降趨勢(shì)(電容放電),表明橋臂電流方向?yàn)榉聪颍˙→A),子模塊電壓在190 μs 內(nèi)從2000 V 左右迅速降至0,由此可以初步判斷功率模塊上下管發(fā)生直通短路故障。
圖3 045和009功率模塊電壓波形Fig.3 Voltage waveforms of power modules 045 and 009
3.1.2 停電檢查
直通短路的功率模塊在旁路開(kāi)關(guān)合閘后退出運(yùn)行,只要旁路功率模塊數(shù)量不超過(guò)冗余值,不會(huì)對(duì)設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。按照缺陷管理流程上報(bào)缺陷后,結(jié)合一次設(shè)備停電對(duì)故障功率模塊進(jìn)行檢查和更換即可。設(shè)備停電后,對(duì)故障功率模塊開(kāi)展以下檢查。
(1)通過(guò)使用萬(wàn)用表二極管檔對(duì)上下管進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果為上下管管壓降均為0,表明上管IGBT 和下管IGBT 均為短路導(dǎo)通狀態(tài),符合直通短路故障特征;
(2)對(duì)功率模塊整體外觀、器件外觀、水管、輸出排進(jìn)行檢查,可發(fā)現(xiàn)IGBT 陶瓷碎屑,因直通短路的功率模塊在電容放電瞬間會(huì)產(chǎn)生巨大應(yīng)力,導(dǎo)致IGBT爆炸外觀發(fā)生破裂;
(3)對(duì)旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢查,旁路開(kāi)關(guān)處于合閘位置,機(jī)械性能良好,能正常分合。
3.1.3 失效原因分析
IGBT 上下管直通短路通常是首先由上下管其中一個(gè)IGBT 發(fā)生擊穿引起的,IGBT 直通短路故障主要有以下情況。
(1)假設(shè)下管IGBT 在導(dǎo)通或關(guān)斷的時(shí)候發(fā)生擊穿,當(dāng)上管IGBT 開(kāi)通的瞬間,集電極-發(fā)射極(C-E)之間的電壓迅速上升,上管驅(qū)動(dòng)板卡檢測(cè)到C-E間電壓過(guò)高將觸發(fā)IGBT短路保護(hù),因短路電流過(guò)大導(dǎo)致上管IGBT 保護(hù)失敗,無(wú)法關(guān)斷,從而形成模塊直通放電,上管IGBT也被擊穿。
(2)假設(shè)下管IGBT正常導(dǎo)通,上管承受電容電壓,上管在承壓過(guò)程中內(nèi)部芯片發(fā)生永久性失效,下管IGBT報(bào)二類短路故障,觸發(fā)IGBT保護(hù)成功,但在旁路開(kāi)關(guān)合閘后,上管IGBT和旁路開(kāi)關(guān)形成直通放電回路,振蕩電流將下管損壞,模塊電壓驟降為0。
(3)假設(shè)下管IGBT正常導(dǎo)通,上管IGBT關(guān)斷,當(dāng)上管IGBT 發(fā)生電壓擊穿失效時(shí),下管IGBT 將報(bào)二類短路故障,器件驅(qū)動(dòng)觸發(fā)IGBT短路保護(hù),IGBT關(guān)斷失效,將導(dǎo)致發(fā)生上下管直通短路故障,使下管同樣發(fā)生擊穿失效。
以上是功率器件切除狀態(tài)(T1關(guān)斷,T2開(kāi)通)時(shí)發(fā)生直通短路的幾種典型情況,功率器件投入狀態(tài)(T1開(kāi)通,T2關(guān)斷)時(shí)發(fā)生直通短路故障與上述情況類似。另外,實(shí)際中也存在IGBT直通放電后過(guò)大的電壓變化率導(dǎo)致晶閘管擊穿的個(gè)例,故障符合轉(zhuǎn)折晶閘管過(guò)壓自擊穿的特性,工程中通常使用轉(zhuǎn)折晶閘管作為功率模塊的冗余旁路措施。
對(duì)于半橋功率模塊而言,IGBT單管擊穿通常僅發(fā)生于功率模塊投入狀態(tài)(T2承受電容電壓),且單管擊穿只可能表現(xiàn)為下管擊穿,若是上管IGBT 擊穿,電容電壓將在功率模塊切除或旁路開(kāi)關(guān)合閘時(shí)發(fā)生直通短路,電容直通放電導(dǎo)致電壓驟降為0。
3.2.1 故障特征
發(fā)生單管擊穿故障后,可結(jié)合故障報(bào)文和錄波對(duì)故障類型和原因進(jìn)行初步分析。單管擊穿故障特征表現(xiàn)為電容電壓在故障后不再波動(dòng),而是緩慢下降。如圖4(a)為工程現(xiàn)場(chǎng)104功率模塊單管擊穿IGBT電壓波形。故障前,根據(jù)同橋臂103模塊電壓波形判斷,104 功率模塊處于投入狀態(tài)(T1 開(kāi)通,T2關(guān)斷),根據(jù)同橋臂103 模塊電壓波形判斷,電流方向?yàn)檎颍ˋ→B),功率模塊電容電壓值正常波動(dòng);故障后,104功率模塊電容電壓不再波動(dòng),工作電壓從2057 V逐步衰減。
圖4 104和103功率模塊電壓波形Fig.4 Voltage waveforms of power modules 104 and 103
3.2.2 停電檢查
單管擊穿故障功率模塊停電檢查與直通短路故障類似。設(shè)備停電后,對(duì)故障功率模塊開(kāi)展以下檢查。
(1)通過(guò)使用萬(wàn)用表二極管檔對(duì)上下管進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果為上管壓降均為0.23~0.25 V,表明上管IGBT 正常;下管壓降均為0,表明下管IGBT 內(nèi)部短路導(dǎo)通,符合單管擊穿故障特征;
(2)對(duì)功率模塊整體外觀、器件外觀、水管、輸出排進(jìn)行檢查,未發(fā)現(xiàn)異常。因單管擊穿的IGBT未發(fā)生直通短路,不會(huì)產(chǎn)生巨大的過(guò)應(yīng)力導(dǎo)致IGBT爆炸,外觀檢查正常,需對(duì)IGBT解體分析;
(3)對(duì)旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢查,旁路開(kāi)關(guān)處于合閘位置,機(jī)械性能良好,能正常分合。
3.2.3 失效原因分析
IGBT處于切除狀態(tài)(T2導(dǎo)通,T1關(guān)斷)時(shí),T1承受電容電壓,若是T1 發(fā)生擊穿失效,將導(dǎo)致上下管直通故障,因此,上管IGBT 單管擊穿失效均發(fā)生于子模塊投入狀態(tài)(T1導(dǎo)通,T2關(guān)斷);T2承受電容電壓,故障時(shí)T2 內(nèi)部的IGBT 或二極管子單元發(fā)生永久性失效,導(dǎo)致T1管呈二類短路故障,T1管的驅(qū)動(dòng)板檢測(cè)到短路故障并成功關(guān)斷T1 管,旁路開(kāi)關(guān)合閘,電容無(wú)法再進(jìn)行充放電,因此模塊電壓故障后不再波動(dòng),開(kāi)始緩慢下降。
IGBT“瞬時(shí)性”直通短路故障即IGBT 發(fā)生“瞬時(shí)性”直通后故障恢復(fù)且IGBT 驅(qū)動(dòng)保護(hù)成功,旁路開(kāi)關(guān)正常合閘,功率模塊并未發(fā)生擊穿失效的情況。主要原因?yàn)殡姶鸥蓴_導(dǎo)致誤觸發(fā)、旁路開(kāi)關(guān)瞬時(shí)性擊穿等。
3.3.1 故障特征
單管擊穿功率模塊故障特征表現(xiàn)為:工作站報(bào)IGBT電源故障、驅(qū)動(dòng)異常或T1短路故障,發(fā)生瞬時(shí)性直通后旁路開(kāi)關(guān)成功合閘將故障模塊旁路,模塊電容電壓通常表現(xiàn)為瞬跌后保持緩慢下降。
圖5 為工程現(xiàn)場(chǎng)124 功率模塊發(fā)生“瞬時(shí)性”直通故障的波形及同橋臂149 功率模塊正常波形,故障時(shí)工作站報(bào)124 模塊“IGBT1 短路故障”“旁路開(kāi)關(guān)合位”,由故障錄波可知,模塊電壓在460 μs內(nèi)從2005 V突降至1985 V,隨后電壓緩慢下降,符合“瞬時(shí)性”直通短路故障特征。
圖5 124和149功率模塊電壓波形Fig.5 Voltage waveforms of power modules 124 and 149
3.3.2 停電檢查
“瞬時(shí)性”直通短路故障功率模塊停電檢查與其余故障類型類似。設(shè)備停電后,對(duì)故障功率模塊開(kāi)展以下檢查。
(1)通過(guò)使用萬(wàn)用表二極管檔對(duì)上下管進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果均表現(xiàn)為上、下管壓降正常,表明上、下管IGBT 并未發(fā)生擊穿失效,符合“瞬時(shí)性”直通故障特征;
(2)對(duì)功率模塊整體外觀、器件外觀、水管、輸出排進(jìn)行檢查,未發(fā)現(xiàn)異常,需返廠開(kāi)展驅(qū)動(dòng)板及旁路開(kāi)關(guān)解體分析;
(3)對(duì)旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢查,旁路開(kāi)關(guān)處于合閘位置,機(jī)械性能良好,能正常分合。
3.3.3 失效原因分析
針對(duì)上述故障案例,通過(guò)故障波形判斷模塊電壓驟降20 V后保持穩(wěn)定,初步懷疑發(fā)生“瞬時(shí)性”直通短路,根據(jù)公式可計(jì)算得出,故障時(shí)刻的電流平均值約650 A,遠(yuǎn)大于無(wú)功功率為0工況下的橋臂電流,因此判定故障時(shí)刻發(fā)生了功率模塊短路且IGBT短路保護(hù)正確動(dòng)作,將模塊旁路。發(fā)生“瞬時(shí)性”直通短路主要有以下兩種情況。
(1)功率模塊處于投入狀態(tài)(T1 開(kāi)通,T2 關(guān)斷),旁路開(kāi)關(guān)承受模塊電容電壓,假設(shè)旁路開(kāi)關(guān)承壓過(guò)程中發(fā)生了瞬時(shí)性擊穿,與T1管形成電容放電直通回路,T1管的驅(qū)動(dòng)板檢測(cè)到短路故障并成功關(guān)斷T1管,表現(xiàn)為電壓驟降20 V后保持穩(wěn)定。
(2)功率模塊上管或下管在關(guān)斷期間,若因電磁干擾致使驅(qū)動(dòng)板卡異常,導(dǎo)致關(guān)斷的IGBT 誤開(kāi)通,將發(fā)生“瞬時(shí)性”直通短路故障,IGBT 監(jiān)測(cè)到短路故障后保護(hù)成功,旁路開(kāi)關(guān)合閘,表現(xiàn)為電壓瞬跌后保持緩慢下降趨勢(shì)。
為進(jìn)一步查明故障原因,對(duì)旁路開(kāi)關(guān)開(kāi)展返廠解體測(cè)試試驗(yàn),其中旁路開(kāi)關(guān)電阻、分合閘時(shí)間等均正常,對(duì)旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)距測(cè)試和真空管真空度測(cè)試,結(jié)果均正常。最后對(duì)真空滅弧室進(jìn)行解剖分析,發(fā)現(xiàn)觸頭表面有明顯擊穿燃弧痕跡,驗(yàn)證了旁路開(kāi)關(guān)瞬時(shí)性絕緣擊穿導(dǎo)致直通短路的情形。
柔性直流輸電系統(tǒng)中,通常會(huì)使用大量的光纖通信,用以控制系統(tǒng)間通信、IGBT 觸發(fā)等。大多數(shù)情況下模塊發(fā)生通信中斷故障后,若只有一路通信,則將導(dǎo)致該模塊旁路,若采用交叉冗余的通信設(shè)計(jì),可以避免單路通信故障后導(dǎo)致的模塊旁路,將大大提高模塊的運(yùn)行可靠性。
3.4.1 故障特征
通信類故障因采用交叉冗余設(shè)計(jì),通常表現(xiàn)為上行或下行通信故障,不會(huì)導(dǎo)致功率模塊旁路,功率模塊仍可通過(guò)交叉冗余通信正常運(yùn)行。圖6為工程現(xiàn)場(chǎng)124 通信模塊故障錄波和同橋臂131 模塊正常錄波,工作站報(bào)“124功能模塊上行直連通信中斷故障”,后臺(tái)監(jiān)控畫(huà)面顯示該模塊為故障態(tài)。該功率模塊電壓顯示值為1853 V,且和其他正常功率模塊電壓數(shù)值及變化趨勢(shì)一致(充電時(shí)模塊平均電壓為1840 V),初步判斷該模塊仍通過(guò)交叉通信正常工作。
圖6 131和124功率模塊電壓波形Fig.6 Voltage waveforms of power modules 131 and 124
進(jìn)一步查看模塊電壓錄波,該模塊發(fā)生單路通信中斷后,模塊電容電壓值和其他的功率模塊電容電壓波形保持一致,維持充電階段的電壓上升趨勢(shì),判斷該故障子模塊僅發(fā)生上行直連通信中斷,仍可通過(guò)相鄰模塊交叉冗余通信維持正常工作,與閥控后臺(tái)顯示相互印證。
3.4.2 停電檢查
現(xiàn)場(chǎng)停電檢修后,主要對(duì)通信故障的功率模塊進(jìn)行以下檢查。
(1)檢查脈沖分配屏至模塊間光纖座、光纖頭有無(wú)異常,對(duì)光纜進(jìn)行衰耗測(cè)試。
(2)檢查主控板光纖座、冗余通信光纜衰耗測(cè)試,對(duì)光纖座進(jìn)行光功率測(cè)試。
檢查結(jié)果顯示,模塊與脈沖分配屏間的通信光纖均未見(jiàn)異常,但模塊的主控板光纖座發(fā)光偏暗,對(duì)光纖座進(jìn)行光功率測(cè)試,測(cè)試發(fā)光功率均低于-30 dBm(正常發(fā)光功率為-15 dBm),檢測(cè)板卡均存在光纖座發(fā)光偏暗、光功率偏低現(xiàn)象。
3.4.3 失效原因分析
通信類故障通常故障原因可能為板卡故障、光纖破損、光纖接頭松動(dòng)、光纖彎曲半徑過(guò)小、光纖座缺陷等原因,對(duì)故障光纖座返廠檢查發(fā)現(xiàn),光纖座存在發(fā)光偏暗、光功率偏低的現(xiàn)象,對(duì)正常光纖座模擬電氣過(guò)應(yīng)力(Eletrical Over Stress,EOS)測(cè)試、靜電放電(Eletro Static Discharge,ESD)測(cè)試,正常光纖座出現(xiàn)失效,與上述故障現(xiàn)象吻合,判斷故障原因?yàn)镋SD/EOS損壞。
功率模塊典型故障主要有IGBT直通短路故障、IGBT單管擊穿、IGBT“瞬時(shí)性”直通短路、通信故障、黑模塊、旁路開(kāi)關(guān)誤動(dòng)、驅(qū)動(dòng)板卡故障等,故障類型較多,其中器件類故障、通信故障較為典型。因功率模塊基數(shù)大,當(dāng)故障功率模塊增多時(shí),會(huì)降低換流單元的運(yùn)行可靠性,嚴(yán)重時(shí)危及換流閥的安全穩(wěn)定運(yùn)行,超過(guò)冗余值時(shí)將直接導(dǎo)致?lián)Q流單元被迫停運(yùn)。針對(duì)上述典型故障,建議采取以下運(yùn)維措施:
(1)針對(duì)IGBT器件類故障,應(yīng)做好故障信息統(tǒng)計(jì),對(duì)比分析不同運(yùn)行工況下IGBT 失效特征,開(kāi)展IGBT失效機(jī)理研究,制訂可行的提高其運(yùn)行可靠性的措施。
(2)結(jié)合停電檢修窗口,開(kāi)展故障功率模塊更換和返廠解體分析,確定故障元器件及原因,排除功率模塊批次缺陷或制造工藝導(dǎo)致的故障,并制訂有針對(duì)性的處置和防控措施。
(3)針對(duì)IGBT“瞬時(shí)性”直通短路故障,應(yīng)返廠開(kāi)展故障復(fù)現(xiàn)和故障模擬試驗(yàn),開(kāi)展旁路開(kāi)關(guān)等元器件測(cè)試,確定故障根本原因。針對(duì)旁路開(kāi)關(guān)擊穿放電導(dǎo)致短路問(wèn)題,應(yīng)考慮在保證分合閘時(shí)間滿足要求的前提下采取增加旁路開(kāi)關(guān)觸頭開(kāi)距、對(duì)觸頭采取大電流老煉技術(shù)等措施,并對(duì)模塊繼續(xù)投入運(yùn)行的可行性、可靠性進(jìn)行評(píng)估。
(4)針對(duì)通信類故障,應(yīng)結(jié)合停電重點(diǎn)核查光纖座、光纖接口是否存在松動(dòng)、放電痕跡等情況,檢查光纜光衰是否正常,確認(rèn)設(shè)計(jì)、質(zhì)量是否滿足技術(shù)要求,評(píng)估是否因運(yùn)行環(huán)境差異導(dǎo)致靜電損壞或電氣過(guò)應(yīng)力損壞,并結(jié)合實(shí)際情況采取更換不同型號(hào)光纖座或改善電磁環(huán)境的措施。
(5)針對(duì)驅(qū)動(dòng)板卡故障導(dǎo)致誤觸發(fā)等問(wèn)題,應(yīng)著重開(kāi)展板卡測(cè)試,排查驅(qū)動(dòng)板卡元器件質(zhì)量和壽命是否達(dá)標(biāo),抗電磁干擾能力是否滿足技術(shù)規(guī)范要求,是否存在批次缺陷情況以及板卡程序、功能是否正常。
本文針對(duì)半橋型MMC子模塊拓?fù)?、結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況進(jìn)行了闡述,結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)案例對(duì)功率模塊典型故障進(jìn)行了分析,提出一些相應(yīng)的運(yùn)維建議及對(duì)策,以指導(dǎo)柔性直流輸電工程現(xiàn)場(chǎng)缺陷分析和處理,提高柔性直流工程的運(yùn)行可靠性。