喬超 夏子軍

（超高壓輸電公司曲靖局）

牛從直流系統(tǒng)調(diào)試過程中換流閥和VBE故障原因分析

喬超 夏子軍

（超高壓輸電公司曲靖局）

直流輸電中實現(xiàn)交、直流轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備為換流閥及其閥基電子設(shè)備VBE。因此，有必要對換流閥及VBE曾發(fā)生的故障進行分析，并制定相應(yīng)的應(yīng)對措施，提高運維單位的應(yīng)急處置能力。對牛從直流系統(tǒng)調(diào)試中，牛寨換流站出現(xiàn)的換流閥和VBE故障導(dǎo)致直流閉鎖的事故案例進行分析，總結(jié)了換流閥和VBE的常見故障及處理措施。

換流閥；VBE；處理措施

0 引言

牛寨換流站地處云南省東北部，氣候環(huán)境惡劣，是兩回直流同址建設(shè)，輸送負(fù)荷大，在整個西電東送通道中具有重要地位。在牛從直流系統(tǒng)調(diào)試的過程中，發(fā)生了多次換流閥和VBE故障，通過分析學(xué)習(xí)發(fā)生故障原因，并制定相應(yīng)的處理措施，有助于降低直流輸電核心設(shè)備的故障率，可大大提高直流輸電可靠性。

1 VBE與換流閥的關(guān)系

1.1 換流閥的結(jié)構(gòu)介紹

牛從直流每極閥廳由一個三相四重閥構(gòu)成，換流閥基本元件包括：晶閘管閥片、TVM板、RC阻尼回路、直流分壓電阻（安裝在TVM板上）、散熱器，如圖1所示。

1.2 VBE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

閥基電子設(shè)備是基于微控制器的免維護冗余系統(tǒng)，其對晶閘管進行觸發(fā)與監(jiān)視包括TC&M（微處理控制器D1～D2）、光信號發(fā)送器（B1～B6）、光信號接收器（B7～B18）、RPU控制器（B20～B21）、電源模塊以及與極控的接口部分。VBE系統(tǒng)機箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 換流閥結(jié)構(gòu)

圖2 VBE機箱結(jié)構(gòu)

1.3 VBE對換流閥的預(yù)檢

VBE是負(fù)責(zé)對換流閥進行觸發(fā)導(dǎo)通及其狀態(tài)監(jiān)視的閥控設(shè)備。當(dāng)VBE的控制與監(jiān)視（TC&M）收到極控制發(fā)來的CONVERTER CIRCUIT BREAKER ON 信號且無UNDERVOLTAGE 欠壓信號出現(xiàn)時啟動預(yù)檢模式。在晶閘管不觸發(fā)的情況下，測試晶閘管的阻斷能力和晶閘管電壓監(jiān)測板TVM 的性能。如果晶閘管、對應(yīng)的TVM 和光纜正常，當(dāng)晶閘管電壓達(dá)到TVM 板的正向或負(fù)向電壓門檻值時，則周期性地產(chǎn)生從TVM 到VBE 的回報脈沖。預(yù)檢模式脈沖時序圖如圖3所示。

圖3 換流閥預(yù)檢時脈沖時序

1.4 VBE對換流閥的觸發(fā)

在預(yù)檢模式下如果所有的晶閘管都被檢測了三次且無故障，TC&M 通過現(xiàn)場總線向極控發(fā)出VALVE CHECK OK 信號至極控制。VBE對換流閥的預(yù)檢正常，VBE閉環(huán)控制邏輯CLC接口板上的CONV-CB-ON或BBYPACT、CONV-DBLK、SYSTEM-ACT信號燈點亮。如果VBE收到極控發(fā)來的觸發(fā)控制信號（FIRING CONTROL SIGNALS），VBE 內(nèi)部軟件通過檢測觸發(fā)控制信號的上升沿來控制晶閘管的觸發(fā)。在反向恢復(fù)期，TC&M在檢測到單個閥段內(nèi)負(fù)電壓建立回報信號不少于5μs，VBE即向極控制發(fā)出閥電流過零信號（END OF CURRENT SIGNAL）表示換流閥關(guān)斷。通過VBE內(nèi)的RPU 接口板發(fā)出的控制脈沖啟動閥段里的恢復(fù)期保護單元RPU。當(dāng)晶閘管級的電壓上升率超過100V/μs，RPU就向該閥段內(nèi)MSC發(fā)送出發(fā)光脈沖，觸發(fā)閥段內(nèi)所有晶閘管使其免受過高du/dt而損壞。

1.5 VBE對換流閥的監(jiān)測

VBE對換流閥的監(jiān)測，主要通過換流閥組件內(nèi)的TVM向VBE光接收板發(fā)送的脈沖信號實現(xiàn)。晶閘管兩端電壓如果超過正向電壓門檻值，TVM 會發(fā)送6μs 寬的脈沖信號至光接收板。這個信號表示該晶閘管觸發(fā)準(zhǔn)備就緒，信號被晶閘管監(jiān)視與控制鎖存。如果來自 VBE 的光脈沖丟失，為防止對應(yīng)的晶閘管由于過電壓損壞，集成在LTT 內(nèi)的BOD 器件能在該晶閘管正向電壓超過設(shè)定的保護值時，緊急保護觸發(fā)該晶閘管。晶閘管兩端的電壓超過7500V 時TVM 將產(chǎn)生12μs 寬的脈沖信號表示BOD保護動作。在觸發(fā)控制信號（FIRING CONTROL SIGNALS）下降沿之后閥將退出導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管關(guān)斷且反向電壓低于?150V時，TVM產(chǎn)生一個2μs寬的回報信號送往VBE。通過TVM板返回的三個脈沖信號來實現(xiàn)對換流閥閥組內(nèi)各設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測。

2 換流閥故障原因分析及處理措施

2.1 晶閘管故障

晶閘管的常見故障有兩類，一類是晶閘管兩側(cè)承受過電壓而將其擊穿，另一類是晶閘管過電流，導(dǎo)致其溫度過高燒壞。

牛寨換流站在牛從甲直流極1系統(tǒng)調(diào)試期間，進行升功率試驗過程中，運行人員工作站陸續(xù)報出7個晶閘管故障（在升功率時）。由于晶閘管分布在不同的換流閥上，因此試驗并未終止。試驗結(jié)束后對故障晶閘管進行更換，并將故障晶閘管返廠解剖分析。晶閘管解剖圖如圖4所示。

圖4 晶閘管解剖圖

由圖4可以看出，所有故障晶閘管均為邊緣損壞。其主要原因是在晶閘管開通時晶閘管表面的電壓分布不均勻，晶閘管邊緣處存在局部過電壓而將其擊穿。因此，過電壓的晶閘管邊緣處出現(xiàn)損壞的痕跡。與過電壓擊穿不同的是，在晶閘管過電流時，由于流過的是直流電流不存在趨膚效應(yīng)，所以晶閘管被燒壞的位置主要是集中在晶閘管的中心處。

從單只晶閘管到整個換流閥都考慮了交流均壓和直流均壓，同時在整個換流閥上還安裝避雷器防止過電壓。晶閘管兩端并聯(lián)RC阻尼回路，使晶閘管在工頻和操作沖擊電壓下的電壓成線性分布。整個閥段上并聯(lián)均壓電容使陡波沖擊電壓線性分布。這些措施都是使加在晶閘管上的交流電壓呈均勻分布，防止某個晶閘管上出現(xiàn)沖擊電壓和過電壓。同時在整個換流閥上并聯(lián)避雷器，防止閥上出現(xiàn)過電壓。與晶閘管并聯(lián)的TVM板上有4個兩兩串聯(lián)后并聯(lián)的500kΩ直流均壓電阻，在晶閘管導(dǎo)通后使晶閘管兩側(cè)直流電壓均勻分布。也對反向恢復(fù)期的電壓變化率作考慮，在整個閥段配置一個RPU，在晶閘管反向恢復(fù)期的電壓變化率過大時對晶閘管進行觸發(fā)保護。

對晶閘管造成主要損害和危險的是過電壓，因此在日常運行維護中能有效防止換流變閥側(cè)出現(xiàn)工頻、操作等過電壓和陡波沖擊電壓對改善晶閘管外部工作條件極為有利。能有效防止晶閘管被擊穿，降低直流閉鎖的概率。同時在直流輸送負(fù)荷較大，環(huán)境溫度較高的情況下，加強紅外巡視。對晶閘管溫度出現(xiàn)異常時，及時申請降負(fù)荷或者停電檢查。年度檢修時必須對閥組件內(nèi)各設(shè)備進行清潔，嚴(yán)格進行晶閘管級測試，對測試參數(shù)不滿足要求的設(shè)備進行及時更換。

2.2 MSC故障

MSC為多路光分配器，將光發(fā)射板發(fā)送來三光脈沖分配成13路光脈沖，再轉(zhuǎn)發(fā)去觸發(fā)晶閘管。MSC常見故障為分配器故障或者MSC進、出光孔故障堵塞。牛從甲直流極1調(diào)試期間，出現(xiàn)L6L閥組件內(nèi)的MSC輸出光孔“OUT 14”故障堵塞。導(dǎo)致相應(yīng)的光接收板收不到MSC的回報信號，VBE判斷Y1閥B4、B5、B6光發(fā)射板通道2均故障而出口跳閘。對故障MSC進行更換后解鎖成功。故障MSC如圖5所示。

圖5 故障MSC

針對MSC容易發(fā)生的故障類型，在換流閥年度檢修時，需對MSC通道進行檢查，對進、出光孔進行清潔。同時為了減少停電時間，在MSC故障后及時將其更換，因此需存儲一定數(shù)量的備品備件。

2.3 飽和電抗器故障

（1）電抗器鐵心下沉

在以往的直流工程中常見的包含電抗器故障為電抗器發(fā)熱和電抗器鐵心內(nèi)散熱器接頭漏水。溪洛渡直流工程中采用的電抗器還存在鐵心下沉問題。在牛從甲直流極2換流閥組件安裝過程中，發(fā)現(xiàn)大量電抗器鐵心下沉的現(xiàn)象。之所以出現(xiàn)上述故障是因為，以往直流工程中的電抗器上下兩端有擋板，而溪洛渡直流工程中的電抗器沒有，如圖6所示。

圖6 故障陽極電抗器

電抗器鐵心下沉?xí)绊戨娍蛊麟姼兄?，由于鐵心下沉導(dǎo)致電抗器的漏磁增加。在開通時電抗器電感值減小，穩(wěn)定后電抗器不能完全飽和，因此電感值又較大。因此，在減緩閥開通時的di/dt的作用有所降低。

針對溪洛渡直流工程牛寨換流站出現(xiàn)的大量電抗器鐵心下沉的情況，按照超高壓輸電公司要求，對所有鐵心下沉的閥組件進行了返廠處理。確保電抗器鐵心在今后的運行中不會下沉。

（2）電抗器內(nèi)冷水管漏水

電抗器內(nèi)冷水循環(huán)管道漏水，2014年2月17日18：40監(jiān)控系統(tǒng)報“ P12VHA-B C相S側(cè)第一階段漏水警報報警”，“S2P2PCP1 閥廳避雷器接口和漏水監(jiān)測 報警2出現(xiàn)”，“S2P2PCP1 閥廳避雷器接口和漏水監(jiān)測 報警1出現(xiàn)”。18∶50檢查發(fā)現(xiàn)牛從甲極2閥廳C相R側(cè)閥塔底盤中部有積水，牛從甲極2閥廳避雷器接口屏內(nèi)K23、K25，K33、K35系統(tǒng)一段告警繼電器燈亮?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)牛從甲極2 C相R側(cè)閥塔Y2換流閥C5R陽極電抗器上的內(nèi)冷水循環(huán)管道存在漏水情況，由于透明軟管直接接觸到陽極電抗器上金屬構(gòu)件，在閥塔振動下，導(dǎo)致內(nèi)冷水循環(huán)管道直接與金屬構(gòu)件接觸摩擦，在閥塔持久振動應(yīng)力下，軟管被磨損，進而導(dǎo)致內(nèi)冷水滲漏，水滴落到閥塔底部的積水盤上，進而導(dǎo)致漏水檢測儀I段告警。故障情況如圖7所示。

圖7 管道漏水

針對電抗器內(nèi)冷水循環(huán)管道在運行工程中由于振動導(dǎo)致管道被與其接觸的金屬構(gòu)件磨破的情況?？刹扇煞矫娴拇胧阂皇潜M量避免內(nèi)冷水管道與電抗器上的金屬構(gòu)件搭接。二是可以在搭接處采取有效的外部包裹的保護措施，同時在一定時間內(nèi)對所有搭接處進行全面的檢查，對磨損度超標(biāo)的進行及時更換。年度檢修時必須對水管與金屬構(gòu)件搭接情況進行全面檢查，對存在磨損的水管及時更換。

3 VBE板卡故障原因分析及處理措施

3.1 晶閘管控制與監(jiān)視TC&M板故障

牛從甲直流極1系統(tǒng)調(diào)試期間，牛寨換流站牛從甲直流極1VBE屏柜內(nèi)A1機箱的晶閘管控制與監(jiān)視（TC&M）D2板卡故障，導(dǎo)致?lián)Q流變進線開關(guān)跳開。

2013年11月29日1時48分，+500kV 牛從甲直流極1換流變充電試驗，換流變帶電運行3h后，系統(tǒng)報+500kV牛從甲極1換流閥D1D4-B D1換流閥多個晶閘管同時故障，VBE跳閘跳開+500kV 牛從甲直流極1換流變5011開關(guān)。

將牛從甲直流極1 VBE柜1內(nèi)A1機箱中D2板卡進行更換。更換板卡后，牛從甲直流極1于11月29日5∶02具備試驗條件，按總調(diào)令牛從甲直流極1閉鎖閥組充電試驗成功。

本次開關(guān)跳閘由VBE的晶閘管控制與監(jiān)視TC&M板故障導(dǎo)致。板卡故障可能為板卡硬件故障或者軟件程序出錯。針對板卡故障的問題，運行維護單位需儲備一定的備品備件，在故障發(fā)生后及時更換。在日常維護中關(guān)注VBE屏柜溫度，對VBE板卡溫度較高時及時采取降溫措施。年度檢修時對VBE屏柜通風(fēng)系統(tǒng)進行清潔維護。

3.2 光發(fā)射板故障

2014年2月20日15∶02，運行人員工作站報牛從甲直流極2換流閥Y5Y2中的B4、B1兩光發(fā)射板的1～6通道故障。現(xiàn)場檢查－500kV牛從甲直流極2 VBE屏柜的A6機箱，B1光發(fā)射板的故障H1紅燈點亮，B4光發(fā)射板的H1燈熄滅，初步判斷B1、B4光發(fā)射板故障。2月21日10時更換故障光發(fā)射板后故障消除，隨后牛從甲直流極2解鎖成功。故障板卡如圖8所示。

圖8 故障板卡

VBE中的光發(fā)射板故障在VBE故障因素中占有較大比例。以往直流工程中出現(xiàn)很多因為VBE的光發(fā)射板故障跳閘，或者是光發(fā)射板故障，在更換光發(fā)射板時跳閘的事例。

光發(fā)射板易故障的原因主要為溫度高，導(dǎo)致板卡過熱損壞。光發(fā)射板需要產(chǎn)生較大功率的光脈沖，因此其電力電子元件易存在燒壞或者板卡內(nèi)部供電回路故障等情況。在運行維護中必須保證光發(fā)射板有足夠的備品備件，在故障發(fā)生后及時更換。同時加強對VBE屏柜內(nèi)各板卡的紅外巡視，在溫度出現(xiàn)異常時，及時采取有效的降溫措施。

4 換流閥及VBE故障頻發(fā)的反思

4.1 為什么一次試驗中會出現(xiàn)如此多的晶閘管故障？

對于升功率試驗中出現(xiàn)較多的晶閘管故障，不得不對晶閘管質(zhì)量或者安裝工藝產(chǎn)生疑問。由于故障的7只晶閘管分別發(fā)生在各次升功率試驗的開始階段，同時7只晶閘管屬于同一批次。因此，對該批次的晶閘管的某些參數(shù)不滿足設(shè)計要求也有一定懷疑。在后續(xù)運行中如果還存在大量晶閘管故障，有必要對該批次的晶閘管返廠進行參數(shù)測試，檢測其是否滿足設(shè)計要求。

4.2 為什么會出現(xiàn)大量電抗器鐵心下沉？

牛寨換流站換流閥的飽和電抗器設(shè)計與以往直流工程有所不同，電抗器上下側(cè)無擋板。對于電抗器鐵心出現(xiàn)如此多的下沉，究竟是電抗器上下無擋板的支撐還是電抗器生產(chǎn)工藝差。在今后的運行中，如果繼續(xù)存在電抗器鐵心大量下沉現(xiàn)象，對換流閥的運行是否影響較大？在今后的年度檢修中加強對電抗器鐵心的下沉情況進行重點關(guān)注，對正常電抗器和鐵心下沉電抗器的磁通量和漏磁通進行檢查對比。對不滿足要求的及時更換。

4.3 VBE板卡為什么會突然故障？

根據(jù)以往直流工程的運行經(jīng)驗，VBE板卡故障率一般較低。板卡故障往往是VBE屏柜內(nèi)部溫度較高或者板卡溫度高，但是牛寨換流站發(fā)生的幾次VBE板卡故障時溫度都較低。因此，需對板卡自身因素和VBE屏柜前期安裝環(huán)境條件對屏柜的影響這兩方面查找原因。牛從甲直流VBE屏柜在前期安裝過程中環(huán)境極其惡劣，屏柜所在房間粉塵大、濕度高，同時施工單位對VBE屏柜無特殊保護措施。這些不利因素當(dāng)時廠家曾現(xiàn)場要求暫時不安裝屏柜或者安裝后加強屏柜保護，但是現(xiàn)場并未采取保護。因此，這些因素可能對VBE板卡造成一定影響。板卡自身因素造成其故障，目前還不能確定。針對這些情況，在今后的運行維護中，應(yīng)該增加VBE各板卡的備品備件量。在今后的直流工程中，VBE屏柜就位前必須要求環(huán)境的清潔度和濕度滿足要求，同時對屏柜做必要的包裝保護。

5 結(jié)束語

換流閥和閥基電子設(shè)備VBE作為換流站的核心設(shè)備。對換流閥和VBE所發(fā)生的故障進行分析學(xué)習(xí)，并對故障原因進行探討，有助于運維人員今后對易故障設(shè)備加強關(guān)注并提前預(yù)控。本文主要以牛寨換流站系統(tǒng)調(diào)試期間，換流閥和VBE發(fā)生的幾起跳閘事故進行分析。對設(shè)備故障原因作出推測，并提出一定的處理意見和今后的運維措施。因此，對提高換流站的運行維護水平有一定促進意義，同時對今后直流工程中的換流閥和VBE安裝調(diào)試中需要關(guān)注的地方具有借鑒意義。

[1] G Sachs. Thyristor Valves and Associated Equipmen Design Report[J]．Erlangen，2011.

[2] 浙江大學(xué)發(fā)電教研組直流輸電科研組．直流輸電[M].北京：水利電力出版社，1985.

2017-07-12）