金明輝，張 一

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司 直流運(yùn)檢分公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

特高壓直流換流閥在單極由備用狀態(tài)轉(zhuǎn)閉鎖過(guò)程中，如果出現(xiàn)換流閥的異常導(dǎo)通問(wèn)題就會(huì)直接影響到換流站的穩(wěn)定運(yùn)行。為了能夠更好地處理?yè)Q流閥的異常導(dǎo)通問(wèn)題，需要分析換流閥的相關(guān)組件與結(jié)構(gòu)。根據(jù)研究，換流閥晶閘管能夠影響到換流閥的導(dǎo)通，對(duì)此本文著重分析特高壓直流換流閥異常導(dǎo)通問(wèn)題。

1 換流閥的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

常規(guī)直流換流站的換流閥以晶閘管作為核心器件，采用模塊化多級(jí)結(jié)構(gòu)，根據(jù)可控硅換流閥的組成和功能，將其直接分為主電路、觸發(fā)和監(jiān)控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及機(jī)械和絕緣結(jié)構(gòu)等部分。

1.1 主電路

換流閥主電路如圖1所示，主要由晶閘管、吸收電路以及均壓電阻等部分構(gòu)成。每個(gè)換流閥中都存在著數(shù)十個(gè)或者百個(gè)晶閘管，其中均壓吸收電路的形式多種多樣，而主電路的構(gòu)造趨勢(shì)目前是盡量采用最少的電氣元件來(lái)滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求，并逐漸變成一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從而保證高可靠性和低損耗。

圖1 換流閥主電路圖

1.2 觸發(fā)和監(jiān)控系統(tǒng)

如圖2所示的晶閘管控制單元具有對(duì)晶閘管進(jìn)行觸發(fā)、監(jiān)視以及向閥控設(shè)備反饋的功能。由晶閘管控制單元接收閥控設(shè)備觸發(fā)脈沖，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)控制晶閘管觸發(fā)[1]。

圖2 晶閘管控制單元

1.3 冷卻系統(tǒng)

換流閥在運(yùn)行中產(chǎn)生的損耗轉(zhuǎn)化為熱能，會(huì)導(dǎo)致元器件的溫度逐步升高。在這種情況下，冷卻系統(tǒng)需要具備相應(yīng)的散熱能力，使得元器件處于正常工作溫度范圍之內(nèi)。目前，常規(guī)的冷卻方式為去離子水，而為保證冷卻系統(tǒng)具有較高的可靠性，冷卻系統(tǒng)為冗余配置。換流閥冷卻系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 換流閥冷卻系統(tǒng)

1.4 機(jī)械和絕緣結(jié)構(gòu)

換流閥的機(jī)械和絕緣結(jié)構(gòu)由模塊框架、絕緣子以及屏蔽罩等安裝而成，有支持式和懸掛式兩種。閥塔采用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂絕緣螺桿作為閥結(jié)構(gòu)的內(nèi)部懸吊件[2]。保護(hù)閥塔光纖束的光纖槽由SMC材料壓制而成，與絕緣螺桿、閥塔懸掛、支撐絕緣子、光纖表皮等材料均滿足UL94-V0級(jí)阻燃要求。在光纖槽分段處，使用防火包沿光纜放置在光纖槽中。防火包放置在每個(gè)光纖槽的底部，可以有效阻止火勢(shì)蔓延。機(jī)械和絕緣結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 機(jī)械和絕緣結(jié)構(gòu)

2 換流閥主電路基本情況

閥組件是換流閥的核心部分，電氣回路如圖5所示。

圖5 閥組件電氣回路

相關(guān)研究表明，電子元器件的壽命大多數(shù)呈現(xiàn)一種指數(shù)分布的趨勢(shì)，晶閘管故障發(fā)生的原因跟溫度和晶閘管承受電壓應(yīng)力的函數(shù)都有一定關(guān)系，而換流閥晶閘管溫度和電壓應(yīng)力都是不斷變化的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)層面[3]。

一是系統(tǒng)內(nèi)各種開關(guān)動(dòng)作、故障等引起的電壓變化和系統(tǒng)外雷電侵入等引起的電壓變化。該種情況引起的電壓變化較大，但實(shí)際所確定的時(shí)間并不長(zhǎng)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，需要被有效處理掉。

二是冗余元器件損壞，導(dǎo)致其余元器件電壓應(yīng)力增加。對(duì)該種情況進(jìn)行分析和考慮，但由于缺乏相應(yīng)可靠度參數(shù)，無(wú)法進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算[4]。同時(shí)，換流閥的主電路在參數(shù)不確定的情況下潛在一些安全隱患，不可隨意更改。

三是在故障率和冗余數(shù)相同的情況下，冗余數(shù)值小的系統(tǒng)使用時(shí)間往往更長(zhǎng)，所使用的額定高壓晶閘管可靠性更高[5]。

四是若想提高晶閘管耐壓水平，硅晶片的厚度和電阻率也要隨著提高，此時(shí)晶閘管的通態(tài)壓降和通態(tài)損耗也會(huì)升高[6]。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要保證晶閘管通態(tài)電壓和恢復(fù)電荷平衡，使得整體的損耗量得到降低。

3 閥控系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)容

閥控系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)容如圖6所示，豫南站閥控制單元是閥控CCP和晶閘管控制單元的接口，它將來(lái)自CCP閥控主機(jī)的觸發(fā)控制脈沖，轉(zhuǎn)換為觸發(fā)相連閥上單個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖，向閥塔中的TCE發(fā)送晶閘管觸發(fā)信號(hào)，收集TCE反饋的晶閘管狀態(tài)信息并向CCP主機(jī)發(fā)送FP閥控觸發(fā)反饋信號(hào)，監(jiān)視避雷器動(dòng)作和閥塔漏水情況等，實(shí)現(xiàn)對(duì)換流閥的控制與狀態(tài)檢測(cè)。

圖6 閥控系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)容圖

VCE閥控系統(tǒng)主要設(shè)備包括電源系統(tǒng)、FCK機(jī)箱、光纖及晶閘管監(jiān)視單元等。VCE柜的電源采用冗余設(shè)計(jì)，VCE閥控系統(tǒng)的直流電源帶有輔助接點(diǎn)，輔助接點(diǎn)能夠監(jiān)視電源的工作狀態(tài)，采用常開接點(diǎn)[7]。VCE閥控系統(tǒng)將電源的輔助接點(diǎn)引入FCK221閥控接口裝置，當(dāng)其中一路電源發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)CK221機(jī)箱通過(guò)通信方式發(fā)送電源故障事件到后臺(tái)監(jiān)視系統(tǒng)。

在控制系統(tǒng)“換流閥充電”信號(hào)有效、“解鎖”信號(hào)有效，閥控系統(tǒng)處于解鎖模式，該模式下主動(dòng)系統(tǒng)控制VCE到閥的脈沖發(fā)送，根據(jù)晶閘管觸發(fā)控制信號(hào)CP實(shí)現(xiàn)晶閘管觸發(fā)控制和閥控系統(tǒng)觸發(fā)功能。

4 案例分析

2018年7月14日以及2019年5月18日、21日、27日，廣東天廣直流線路發(fā)生了4次換流閥誤導(dǎo)通事件，4次事件換流閥異常導(dǎo)通均是發(fā)生在直流極1由備用狀態(tài)操作至閉鎖狀態(tài)過(guò)程中。事件發(fā)生后，針對(duì)換流閥出現(xiàn)異常誤導(dǎo)通的可能性，從極控系統(tǒng)和閥廳溫濕度等方面開展研究找出導(dǎo)致?lián)Q流閥出現(xiàn)異常誤導(dǎo)通的根本原因。異常導(dǎo)通時(shí)所有直流電流測(cè)量點(diǎn)電流基本一致，且與天生橋站閥側(cè)交流線電流包絡(luò)線一致，故判斷測(cè)量系統(tǒng)無(wú)故障，異常導(dǎo)通的故障狀態(tài)真實(shí)存在。

閥基電子設(shè)備（Valve Based Electronic Equipment，VBE）由6個(gè)晶閘管控制電容器（Thyristor Control Capacitor，TCC）、1個(gè)國(guó)產(chǎn)可控硅監(jiān)視、1個(gè)電源單元及相關(guān)繼電器組成[8]。主要功能為接收極控觸發(fā)信號(hào)，同步觸發(fā)每個(gè)閥內(nèi)各晶閘管，監(jiān)視閥及相應(yīng)TE板的運(yùn)行，并與TE板進(jìn)行信息交換，監(jiān)測(cè)閥避雷器。晶閘管控制單元模塊可接收來(lái)自極控的觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)晶閘管，實(shí)現(xiàn)與TE板通信，監(jiān)視晶閘管級(jí)的運(yùn)行狀態(tài)。換流閥作為將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的核心元件，對(duì)運(yùn)行環(huán)境的要求非常嚴(yán)格，不僅對(duì)運(yùn)行的環(huán)境溫度和濕度有嚴(yán)格說(shuō)明，且閥廳的潔凈度對(duì)換流閥及其附屬控制單元影響十分巨大[9]。在此次停電檢修期間，換流站內(nèi)均為陰雨天氣，空氣濕度比較大，加上檢修過(guò)程中需要多次開啟閥廳大門，致使外面粉塵大量進(jìn)入閥廳，閥廳空氣環(huán)境惡化，不滿足運(yùn)行環(huán)境的要求，造成BTC回路動(dòng)作電壓降低，以至于在換流變充電過(guò)程中出現(xiàn)換流閥誤導(dǎo)通現(xiàn)象。

5 處理措施

為了能夠較好地處理?yè)Q流閥異常導(dǎo)通的問(wèn)題，將空氣濕度降低在60%以下，并且確保雙極換流閥能夠一次性充電成功，在復(fù)電的過(guò)程中可以有效地減小換流閥異常導(dǎo)通的問(wèn)題[10]。

6 結(jié) 論

本文探討了關(guān)于直流輸電系統(tǒng)中特高壓直流換流閥異常導(dǎo)通的問(wèn)題。在經(jīng)過(guò)全面分析可知，明確各項(xiàng)因素對(duì)換流閥異常導(dǎo)通現(xiàn)象的影響極為重要。為了提高換流閥運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性，要對(duì)設(shè)備元器件進(jìn)行有機(jī)保養(yǎng)，加強(qiáng)對(duì)濕度的控制，以確保換流閥的運(yùn)行效果正常。