換流閥EOC信號延遲原因分析及解決措施

蘇云東，段文學

（云南電網有限責任公司 文山供電局，云南 文山 663000）

0 引 言

換流閥在換相過程中會產生電流過零和電壓過零點，極控系統(tǒng)通過測量板卡ESP10計算每一個換流閥電流過零到電壓過零的時間，可以精確得到每一個換流閥的熄弧角。電流的過零信號EOC通過12個換流閥的晶閘管電壓監(jiān)視（Thyristor Voltage Monitoring，TVM）板來檢測，并通過VBE傳送給極控系統(tǒng)。

在逆變站，如果檢測到電壓過零信號而沒有檢測到電流過零信號，或者檢測到電流過零信號而沒有檢測到電壓過零信號，都會產生電流過零故障信號，導致換相失敗，嚴重的甚至發(fā)生直流閉鎖[1]。而換流閥EOC信號延遲，將直接導致電流過零故障。某換流站就是由于多次發(fā)生換流閥電流過零故障導致直流多次換相失敗，在2016年5月23日和26日，由于電流過零故障曾引發(fā)直流閉鎖。本文分析由換流閥TVM板問題引起EOC信號延遲的原因，提出相應的處理措施，為類似的直流工程問題提供參考解決方案。

1 換流閥EOC信號延遲原因分析

1.1 TVM的工作原理及基本功能

高 壓 直 流 輸 電（High-Voltage Direct Current，HVDC）換流閥由許多串聯晶閘管級組成，每個晶閘管級均安裝有獨立的TVM板[2]。TVM原理如圖1所示，其中R為阻尼電阻，C為均壓阻尼電容，Th為直接光控晶閘管。

圖1 TVM原理框

每個晶閘管級有一塊TVM板，以確保晶閘管之間的電壓均勻分布，并監(jiān)測晶閘管兩端的電壓。

換流閥在運行中，由各晶閘管級的TVM板在線檢測晶閘管兩端的電壓，形成如圖2所示的回檢信號。

圖2 TVM產生的回檢信號

當晶閘管電壓達50～70 V時，TVM會發(fā)送6 μs寬的正電壓建立回報信號到VBE的光接收板；當晶閘管電壓達-150～-170 V時，TVM會發(fā)送2 μs寬的負電壓建立回報信號；當監(jiān)測到晶閘管電壓為6 500～7 500 V時，TVM會發(fā)送12 μs寬的轉折二極管（Break Over Diode，BOD）動作回報信號。

該換流站的TVM板設計回報信號參數如下：正向電壓建立6～8 μs回報信號光脈沖寬度，發(fā)送回報光脈沖時，晶閘管兩端的電壓為（130±20）V；負向電壓建立2～3 μs回報信號光脈沖寬度，發(fā)送回報光脈沖時，晶閘管兩端的電壓為（-160±20）V；正向過電壓回報信號光脈沖寬度為12～15 μs，發(fā)送回報光脈沖時，晶閘管兩端的電壓為（7 200±300）V[3]。

1.2 TVM的參數測試方法

將交流可調電源電壓調制到Us=1 500 V，設置示波器相關參數，讀取通道2的數據，與設計值作比較，其測試接線如圖3所示。正向電壓建立回報信號試驗波形如圖4所示，負向電壓建立回報信號試驗波形如圖5所示，正向過電壓回報信號試驗波形如圖6所示。

圖3 TVM參數測試接線圖

圖4 正向電壓建立回報信號試驗波形

圖5 負向電壓建立回報信號試驗波形

圖6 正向過電壓回報信號試驗波形

2016年8 月—10月，通過對運行中TVM板的正向電壓建立回報信號、負向電壓建立回報信號以及正向過電壓回報信號現場進行4次檢測，發(fā)現閥控EOC信號存在延遲現象，這就是導致TVM板與閥控VBE信號失配，造成換流閥多次分生換相失敗和直流閉鎖的主要原因。進一步研究發(fā)現，回報信號脈寬的改變是由于TVM板脈寬控制回路中X7R型電容的固有工作特性改變導致。

1.3 TVM板卡與閥控信號失配問題分析

從TVM板卡負向光回報脈沖工作原理分析引起光脈沖寬度發(fā)生變化的因素，測量分析其電路上的電阻、電容以及穩(wěn)壓二極管等主要元器件，逐一排查，最后發(fā)現電容容值會隨測試頻率的增大而減小，測量情況如表1所示[4]。

表1 1nF電容在不同測試頻率下的電容容值

因而，初步判斷TVM負電壓回報脈寬減小可能是由電容容值變化而引起。

多層陶瓷片式電容（Multi-Layer Ceramic Capacitor，MLCC）由陶瓷介質、內電極以及外電極3部分組成。TVM板卡內使用的電容為標稱1 nF的X7R型MLCC電容，其分類及特性如表2所示。

表2 MLCC電容分類及特性

X7R電容元件中填充的是鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷基料，其介電常數和介質損耗會受工作頻率的影響，變化情況如圖7。

圖7 BaTiO3基料介電常數隨頻率變化情況

為進一步驗證工作頻率對電容容值和脈寬的影響，將換流站極Ⅱ-Y1和D4單閥上的8塊TVM板拆下帶回廠里測量了其相應晶閘管級的負電壓回報脈寬[5]。其中，閉鎖狀態(tài)下為2.1～2.6μs，而解鎖狀態(tài)下為1.6～2.36 μs，測量結果如表3所示。

表3 部分新更換TVM板的回報脈寬測量結果

從測量結果來看，解鎖狀態(tài)下，大部分的TVM負向脈沖寬度均小于2 μs，即脈沖寬度減小。由于該換流站為逆變運行，主回路電壓負向過零時，du/dt較高，TVM負向脈沖控制回路中電容的取能速度高于工頻運行時的速度。因此，基于上述分析結果，判斷電容是由于受到較高工作頻率影響，電容值下降，從而導致負向脈沖寬度減小。

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，性能如圖8所示。

圖8 電容容值隨溫度和工作時長的變化情況

TVM的電容更換為C0G型電容后，進行6項功能試驗項目。一是負電壓建立回報光脈沖寬度；二是負向電壓建立電壓值；三是正電壓建立回報光脈沖寬度；四是正向電壓建立電壓值；五是正向過電壓保護回報光脈沖寬度；六是正向過電壓保護電壓值。

新TVM板通過以上試驗，電壓檢測和回報功能符合要求，因此將TVM板的脈寬控制回路中X7R型電容更換為C0G型電容，不會對TVM板的正常功能造成影響。新TVM板又經過高溫老化試驗，對TVM試品每級加1 500 V工頻交流電壓，于環(huán)境溫度70 ℃連續(xù)進行4天高溫試驗，每隔6 h對TVM板的回報脈寬進行檢測和記錄。經過高溫試驗，新TVM板（C0G）回報脈寬的動態(tài)變化量遠小于原TVM板（X7R）的變化量。加速老化試驗前后，原TVM板由于電容有效容值下降，導致脈沖寬度縮短，與此前的測試結果相一致，而新TVM板的脈沖寬度則沒有變化。

新TVM板再次經過直流背靠背系統(tǒng)運行試驗，在換流站返修的TVM板中隨機選取6塊，安裝于背靠背換流閥D5V1～D5V6級。在功率正、反送以及系統(tǒng)解閉鎖狀態(tài)下，分別測量TVM板的回報脈沖寬度。應用直流背靠背試驗系統(tǒng)，可有效模擬工程中的實際工況，驗證修復后TVM板的工作性能。換流閥解鎖和閉鎖狀態(tài)下，TVM板回報信號脈寬的變化較小，皆符合閥控系統(tǒng)的檢測要求。通過該項試驗，已驗證板卡修復方案的正確性和有效性，新TVM板能夠滿足該換流站VBE設備的接口要求。

后分兩批將該換流站的YVM板更換為新TVM板（C0G），現場對更換后的TVM回報脈沖寬度進行測量，負電壓建立回報脈沖寬度在2.3～2.6 μs，滿足2～3 μs的寬度要求。經過一段時間的運行，EOC信號未出現延遲的現象，正常運行期間也未出現由于EOC信號延遲引起直流換相失敗的問題。

3 結 論

逆變站的換流閥在運行期間，TVM板的X7R型電容由于受到較高工作頻率影響，電容值下降，負向脈沖寬度減小，導致TVM板與閥控VBE信號失配，造成換流閥多次分生換相失敗和直流閉鎖。通過對TVM板測試，發(fā)現X7R電容在高頻率下運行特性不穩(wěn)定，將原TVM板的X7R型的電容更換為C0G型電容之后，通過功能（例行）試驗、高溫老化試驗以及直流背靠背系統(tǒng)運行試驗，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板返廠維修，更換為穩(wěn)定C0G型電容。經過一段時間的運行，EOC信號未出現延遲的現象，成功解決了TVM板的問題引起直流換相失敗，為類似直流工程的問題提供參考解決方案。