直流融冰TE 觸發板檢測裝置研究

張鵬，蔣煥斌，羅義暉，梁君華

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司柳州局，廣西柳州，545000）

0 引言

我國是輸電線路覆冰較為嚴重的國家之一。線路覆冰不僅嚴重影響了輸電線路正常運行，更對國民生產和人民生活造成重大損失。線路覆冰的危害主要表現在倒塔斷線、絕緣子閃絡、導線舞動、跳閘等方面，嚴重時甚至可能導致電網癱瘓[1-5]。綜合分析目前國內外先進實用的防冰除冰技術，直流融冰是一種最直接、有效、可靠的除冰方案，其優點是：可實現零起升壓和升流，且快捷方便；通過控制晶閘管觸發角，結合現場線路類型，覆冰狀態，氣象條件等因素控制直流融冰電流，已達到線路穩定的最佳融冰狀態，對于不同長度、不同類型的線路適應性較好。

1 基本情況

2020 年某換流站新裝設了一套12 脈動融冰裝置。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 脈波換流器串聯時，閥側繞組間的相位（角）差設計為30°，可以改善電能質量，減少直流融冰裝置運行對供電系統的影響。

12 脈動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。串聯晶閘管疊裝壓緊，采用高純水冷卻，高壓取能，配置動態均壓回路、靜態均壓回路和BOD 保護。觸發方式采用光電觸發。晶閘管單個閥塔設備組成示意圖如圖2 所示。

圖2 直流融冰晶閘管單個閥塔設備組成示意圖

2020 年10 月21 日零功率100A 解鎖在進行水冷系切統冗余試驗過程中Y 橋C 相VT2-8 回報異常；

2020 年10 月22 日零功率試驗4000A 電流運行過程中D 橋C 相VT5-8 回報異常；

2020 年10 月28 日在對地線第二分段試驗過程中，D橋A 相VT4-6 報閥回報異常；

2020 年10 月29 日在對地線第三分段融冰試驗過程中，Y 橋C 相VT2-8 報閥回報異常，在解鎖后電流達到150A 時Y橋Y 橋C 相VT2-8TE 板損壞；

2020 年10 月29 日融冰結束，閉鎖后上報D 橋B 相VT6-10 和C 相VT2-6 閥回報異常；

2020 年11 月13 日進行融冰試驗時，在500A 解鎖時Y橋C 相VT2 頻繁報BOD，電流值到達3600A 運行一段時間后Y橋VT2-8 閥回報異常，大電流運行時未報BOD。

現場閥體低壓調試過程中板卡觸發、回報功能均正常，融冰試驗過程中在閥解鎖、閉鎖階段出現TE 板無回報、部分報BOD 動作。TE 板總數量約為120 塊，故障板卡數量為7 塊。

2 故障分析

2.1 故障板卡測試

經過對7 塊故障板卡進行返廠測試，發現其中有5 塊板卡是由于V210 穩壓管損壞，導致取能電路故障，造成TE 板回報異常； 1 塊板卡是由于 V224 三極管損壞，導致取能電路故障，TE 板回報異常；1 塊板卡是由于光發射器損壞，光發射器無光。

2.2 故障原因分析

結合融冰現場情況，現場融冰過程中，當直流電流較小時，出現整流變低壓側避雷器動作、TE 板BOD 情況，通過在PSCAD 中建立仿真模型，如圖3。仿真直流電流斷續時整流變低壓側電壓情況，發現在電流斷續時刻，存在整流變低壓側電壓瞬時升高的現象。如圖4 所示，該過電壓幅值接近避雷器參考電壓，且上升時間極短。現場實際情況中如果電流斷續引起的di/dt 大于仿真情況則會出現更高的相電壓導致避雷器和閥體內BOD 動作。上述仿真結果與實際觀察到的現象相符。

圖3 仿真模型建立圖

圖4 過電壓幅值接近避雷器參考電壓仿真圖

根據直流融冰現場返回TE 板故障測試分析如下：

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 過壓保護回路。

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：根據現場運行情況，當直流電流較小出現斷續時，晶閘管端頻繁出現瞬時過壓，且該電壓波頭時間極短，導致TE 板阻容取能回路穩壓管V210、三極管V224 頻繁出現暫態過流，進而導致個別TE 板該位置元器件損壞。

V210 在出現頻繁暫態過流后損壞，呈短路狀態，晶閘管V212 提前導通，導致TE 板取能回路無法正常取能，板卡無法正常工作，因此TE 板無法完成正常閥狀態，系統報閥回報異常。

V224 在出現頻繁暫態過流后損壞，三極管在正向暫態過流后損壞，集電極、發射極呈斷路狀態，取能回路無法往后續電路供電，板卡無法正常工作，因此TE 板無法完成正常閥狀態，系統報閥回報異常。

光發射器損壞分析：由于避雷器動作、BOD 動作對取能回路的影響，經VCC 供電電路導致光發射器損壞，光發射器無光。

②BOD 回路故障分析

BOD 正常工作原理：閥端電壓達到BOD 動作值時，BOD（V285、V286）導通，經穩壓管V248 完成晶閘管保護性觸發。

故障原因分析：由于器件V240 擊穿短路，導致穩壓管V248 無法正常反向擊穿觸發晶閘管，在晶閘管沒有正常導通的情況下，由于BOD 回路電流過大，引起電阻、BOD 等元器件過熱損壞。

3 解決措施

在后續試驗過程中，通過整改控制邏輯，修改融冰換流閥的解閉鎖邏輯，設置最小觸發角解鎖等方式，盡量避免融冰過程中出現直流電流斷續引起的瞬時過電壓，避雷器動作次數、BOD 動作次數得到有效降低，有利于閥體TE 板正常運行。

4 目前TE 觸發板現場檢測方法

TE 板是直流融冰成套裝置的關鍵設備之一，每一個直流融冰裝置均需要配置大量的TE 板。在更換TE 板前，需對TE板進行測試，此外根據相關運維要求，定期也要針對TE 板等重要的備品備件進行檢測，而目前常規的檢測方法，將TE 板安裝于實際的閥組中，利用現場實際的閥組及控制器開展，通過低壓觸發試驗對TE 板的好壞進行檢測，存在試驗復雜，存在安全性風險等問題。一種方法為使用試驗方法變壓器，負載導線搭建試驗系統，采用利用運行設備陪試的方案，需要開一類票，如使用測試變壓器搭建試驗環境，存在試驗人員人員多、步驟復雜的問題，有一定的安全風險。

5 TE 觸發板檢測裝置的研制

本裝置原理圖如圖6 所示，裝置中包括控制板、人機接口、模擬負載、等比例閥段、轉接插槽、TE 板取能變壓器等組成，同時交流進線側及直流側還配置了熔斷器、PT、CT 等用于顯示及保護的裝置。

圖6 TE 觸發板檢測裝置原理圖

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用于控制板計算同步信號用，控制板根據人機接口的控制命令，結合同步信號及觸發及回檢編碼邏輯輸出觸發信號，并根據回檢信號判斷回檢狀態；一路進入等比例閥段，當與等比例閥端連接的TE 板可正確接收觸發脈沖，正常工作時，等比例閥端工作，模擬負載通過電流；一路通過一個可調變壓器給TE 板供電，解決不同廠家不同型號TE 板供電電源不一致的問題。

模擬負載為一個二次等值電阻，其額定功率按照模擬閥段最大工作功率設計，同時為人身設備安全中間設計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撲結構，采用額定參數較低的器件設計完成，主要包括晶閘管、阻容回路等，采用框架結構設計。

由于不同廠家不同型號的TE 板的另外一個差異為板卡尺寸及接口定義不同，針對上述問題，本裝置設計了轉接插槽，無論何種型號的TE 板其觸發原理是相同的，因此通過轉接插槽實現被試TE 板插槽與晶閘管的正確連接，TE 板的正確取能，同時設計了在插接位置設計了多個固定位置，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，主要功能如下，將人機接口的下發的控制命令通過同步信號比較后，根據設定的觸發脈沖編碼通過光纖發送個被測TE 板。同時接收TE板的回報信號，根據編碼對回報信號進行解析?？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

控制板由浮點型DSP、定點型DSP、FPGA 及相關器件組成，功能設計上，220V 電壓及融冰直流電流、輸入經過調理芯片及AD 轉換芯片，將模擬量轉換為數字量傳輸給FPGA，FPGA 主要負責與各硬件接口通信，并根據數據電壓經過鎖相環算法計算出觸發所用的同步信號，浮點型DSP 用于通過融冰直流電流折算當前的觸發角度，并將觸發角度發送給定點型DSP 用于觸發精度的計算，同時浮點型DSP 還實現了相關的過壓、過流的保護。定點型DSP 完成控制功能所需的控制邏輯的運算，通過以太網接口實現與人機交互，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 為實際的有功功率，根據實際直流側電壓及電流計算獲得，Pref 為設定的有功功率值，通過人機界面設定獲得。實際值與理論值得偏差根據PI 算法計算出對應的觸發角度，通過相應的限幅后獲得對應的觸發角度，觸發角度根據同步算法計算出觸發脈沖時刻，然后根據觸發脈沖編碼邏輯通過光纖輸出觸發脈沖。

由于不同廠家、不同型號TE 板的觸發脈沖存在差異，為提高適應性，本發明還設計了一種基于現場波形控制邏輯生成方法，實現過程為通過示波器抓取實際觸發過程中的波形，將波形導出為可編輯數據，截取一個周波數據后，識別出一個整個觸發周期的觸發脈沖，將觸發脈沖通過串口下裝到主控板，然后通過調試工具在主控板中定義觸發脈沖中各個信號的含義，從而實現觸發邏輯的精準配置?；貦z邏輯同樣按照此種方式設計。

6 TE 觸發板檢測裝置的優點與創新

（1）解決了使用實際運行設備，作為陪試設備，帶來的操作復雜，及安全性的問題；

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

本發明，是一種TE 板功能測試裝置。通過該裝置結合閥段測試工裝，可實現在TE 板的全功能測試，本測試裝置的創新如下：

①將整個試驗系統所需的控制保護系統、試驗變壓器、試驗負載及相關拓撲接線，集成在一個3U 裝置中，通過的裝置的信號燈及指示表可顯示當前測試情況，通過旋鈕、撥碼開關即能完成對被試設備的監視及控制，

②具備觸發及回檢編碼識別能力，通過下裝不同廠家觸發及回檢邏輯可實現，兼容不同廠家及型號融冰裝置TE 板的測試。

③基于負載電流的觸發精度校準，可通過觸發電流自動計算觸發時刻，計算觸發誤差。