高壓直流輸電換流閥用高電位板卡測試儀研究設計

西安西電電力系統有限公司 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和監測板卡主要以TFM、TCU 和TVM 高電位板卡為主，板卡承擔監測、觸發、保護晶閘管以及VBE 通信的作用[1-3]?，F行板卡測試方法以人工測試為主，需要多人配合完成波形的測量和記錄。每個工程都需要測試數千快板卡，并且每塊板卡都需要記錄大量的數據，所以板卡的測試通常需要耗費幾個月才能完成。這種長期單調重復的工作使工作人員疲勞，從而導致人工操作失誤，存在人員安全和產品質量隱患。目前，換流閥所使用的高電位板卡種類較多，現有測試儀均針對一種板卡設計，兼容性差。為提高各類換流閥高電位板卡和晶閘管級測試的效率，同時保障高電位板卡和晶閘管級的功能和可靠性，需研制一種能夠兼容多種高電位板卡并進行完整功能測試的板卡測試儀。

2 高電位板卡測試儀功能介紹

高電位板卡測試儀需要兼容TCU、TVM、TFM三種板卡。從結構上分析，三種板卡結構尺寸不同。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適配于小組件技術路線電控換流閥，TVM適配于大組件技術路線光控換流閥，TFM 適配于大組件技術路線電控換流閥，三種板卡與晶閘管連接的回路及參數也不同[4-7]。三種板卡功能與結構尺寸不同，電氣連接方式及阻尼參數也不同。因此需要設置適配不同板卡的工裝，對板卡進行固定并將工裝上的探針固定在板卡相應的測試點上。高電位板卡測試儀功能如表1所示。

表1 高電位板卡測試儀功能

3 高電位板卡測試儀研究設計

3.1 高電位板卡測試儀架構

高電位板卡測試儀由工業控制計算機、四通道示波器、系統控制箱、三種測試工裝、工頻中壓電源和直流高壓電源等5 部分組成。高電位板卡測試儀設計架構如圖1所示。根據所要測試的板卡，選擇相對應的測試工裝，在工控機上選擇相應的測試項目，工控機根據測試項目將示波器相應通道檔位，觸發源設置好，同時將測試項目命令送至系統控制箱，系統控制箱接收控制命令后將相應的高壓或者工頻電源打開，并且切換測試通道，完成加載和觸發過程。工控機讀取示波器觸發狀態是否有效讀取示波器數據，根據測試判據給出測試結果[8-9]。并將測試完成命令送給系統控制箱，系統控制箱斷開測試激勵，等待下次測試。高電位板卡測試儀結構圖如圖2所示。

圖1 高電位板卡測試儀設計架構

圖2 高電位板卡測試儀結構圖

一是工業控制計算機。通過RS485 通信線纜將控制命令送至系統控制箱，通過USB線纜設置示波器通道參數和觸發狀態，同時通過USB線纜讀取示波器采樣數據，根據性能指標來判斷被測試板卡是否合格[10]。

二是系統控制箱。系統控制箱具有實時性的控制能力，可以完成嚴格的時序和激勵加載控制性能，這是上位機無法完成的。系統控制箱完成的主要功能包括板卡工裝識別、三種測試工裝被采樣信號的通道切換，高壓直流激勵和中壓工頻激勵源的加載時序控制，被測試板卡的測試時序信號產生，示波器的通道和給予外觸發信號，以及與上位機進行通信，完成具體測試項目。

三是工頻中壓電源。三種板卡的激勵源根據測試項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。工頻功率滿足220～1500V電壓范圍的激勵加載，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100V/μs以上，前沿上升率可以選擇。滿足晶閘管導通和高壓極限加載需求。

五是測試工裝。TCU，TVM，TFM 三種板卡測試工裝。三種測試工裝均可以方便安裝，并且與測試機柜兼容，具有工裝區分開關，測試機柜可以自動識別工裝。

測試完成后用戶可對本次測試數據進行保存，為了增強數據的溯源性和易查找性，該系統采用MySQL 數據庫，所有的測試數據實時存入數據庫中，用戶可通過軟件界面的查詢功能查看任意時間段的歷史數據，通過對數據的對比，從元器件的選擇和測試等方面進行改進，以降低導彈的故障率。

3.2 高電位板卡測試儀關鍵技術研究

高電位板卡測試儀研究的關鍵技術主要包括以下三點。

3.2.1 高壓激勵源的加載切換

由于板卡測試項目很多，不同的測試項目需要施加不同的激勵，且激勵源需使用高壓激勵，正向過電壓保護測試中所加的激勵源甚至高達8000V。因此，高壓激勵源在加載切換過程中，易出現接觸電流過大甚至打火損壞的現象[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獲取最佳切換時間點，已達到較好的切換效果。在切換過程中，測試板卡取能電源有可能電壓下降到無法正常維系工作，所以還需要單獨處理電源時序，保證測試板卡可以正常工作。

3.2.2 高壓激勵源的上升沿時間的程序化控制

根據板卡測試項目的需求，激勵源上升速率需要較快，反向恢復期保護過程中電壓上升率甚至高達100V/μs。而一般的開關電源的前沿上升沿比較緩慢，從0V上升到滿電壓的時間在10ms以上，遠遠低于100V/μs。

上升時間慢的原因有兩個：一是輸出電容太大，充電時間過長；二是開關電源為防止開啟沖擊電流過大，損壞功率管，一般都進行軟啟動。為達到較高的上升沿斜率，通過調整電容參數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。同時為了提高系統抗沖擊性能，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試項目較多，高壓功率電路部分就有很強的電磁干擾，容易串擾到低壓電路中，輕者導致系統不穩定，嚴重的話會傷害到人身安全。

這些問題往往很難形成規范解決的辦法，需要工程設計人員有豐富的工程經驗，能夠在實際中可以找到問題根源，根據經驗提出相應可行方案。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，機箱內高壓和低壓部分合理的機箱內部分布，以及低壓控制電路與接口信號電路的電器隔離。

4 高電位板卡功能試驗

根據所要測試的板卡選擇相應的工裝，在高電位板卡測試儀顯示器界面上選擇相應板卡類型及測試項目，點擊測試，即可得出板卡的測試結果。板卡測試合格，則相應的測試項目顯示“PASS”，若板卡某項功能測試不合格，則相應測試項目顯示“FAIL”。高電位板卡測試儀TCU 測試結果如圖3所示。

圖3 高電位板卡測試儀TCU測試結果

高電位板卡測試儀TVM 測試結果如圖4所示。高電位板卡測試儀TFM板測試結果如圖5所示。

圖4 高電位板卡測試儀TVM測試結果

圖5 高電位板卡測試儀TFM板測試結果

5 結論

本文針對目前換流閥板卡測試方面的缺陷和隱患，通過分析不同技術路線換流閥板卡的功能參數、電氣連接及結構設計，設計一種可兼容多種板卡的高效可靠的高電位板卡測試儀。針對高電位板卡測試儀關鍵技術進行攻關，解決高壓激勵電源切換、快速電壓上升率及電磁兼容方面的難題，完成測試儀的樣機研制并通過試驗驗證該測試儀的功能，提高換流閥高電位板卡的測試效率及可靠性。