換流閥控制系統(tǒng)在興安直流工程中的應(yīng)用及運(yùn)行分析

潘國洪

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州省 興義市，562400）

0 引言

興安直流輸電工程是中國南方電網(wǎng)實(shí)施“西電東送”的骨干工程，主要承擔(dān)盤南火電廠、發(fā)耳電廠、光照電廠、興義電廠的電力外送，將貴州的水電和火電送至廣東；系統(tǒng)額定輸電功率3000 MW，電壓等級±500 kV，該工程的輸電設(shè)備注重國產(chǎn)化，綜合自主化率達(dá)到70%以上[1]。興安直流輸電工程于2007年6月單極投產(chǎn)，12月雙極投產(chǎn)。本文對投運(yùn)以來換流閥控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，對出現(xiàn)的故障原因進(jìn)行了分析，針對不同的故障給出了相應(yīng)的反措，并給出系統(tǒng)運(yùn)行建議。

1 閥控系統(tǒng)組成

1.1 概述

閥控系統(tǒng)由閥基電子（valve base electronic，VBE）系統(tǒng)、晶閘管電壓監(jiān)視模塊板（thyristor voltage monitoring，TVM）、光信號分配單元（multimode star coupler，MSC）、閥反向關(guān)斷恢復(fù)單元（revovery protection unit，RPU）和光信號傳輸系統(tǒng)組成。其功能是：產(chǎn)生觸發(fā)脈沖觸發(fā)所有晶閘管，檢測晶閘管的運(yùn)行狀態(tài)，在反相恢復(fù)期對晶閘管保護(hù)，產(chǎn)生閥電流過零信號以及自檢。VBE具有2取1的冗余功能（系統(tǒng)1和系統(tǒng)2），唯一的例外是光接受模塊，因?yàn)橛糜趥鬏敁Q流閥電壓監(jiān)視模塊的檢測返回信號的光纖沒有冗余[2]。閥控系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的回路連接情況見圖1[3]。

1.2 閥基電子系統(tǒng)

閥基電子系統(tǒng)包括微處理器模塊、光信號發(fā)射模塊、光信號接收模塊、RPU單元、電源及與極控的接口部分。每極2個VBE屏柜組合安裝為一體，VBE柜有6個插件箱，每個插件箱都裝有冗余的晶閘管控制與監(jiān)測系統(tǒng)。

（1）晶閘管控制與監(jiān)測（thyristor control&monitor，TC&M）：TC&M接收來自極控的觸發(fā)控制信號，并將信號轉(zhuǎn)換成晶閘管觸發(fā)脈沖和對每個閥段RPU保護(hù)的控制脈沖，這些脈沖信號將分別被光信號發(fā)送器和RPU控制器轉(zhuǎn)換成光信號，然后通過光纖傳送到每1個獨(dú)立的光觸發(fā)晶閘管（light trigger thyristor，LTT）和RPU板上。TC&M另外一個功能是通過光信號接收器獲取來自所有TVM板的回檢信號，并連續(xù)地對回檢信號進(jìn)行分析處理。

（2）光發(fā)射模塊：光發(fā)射模塊分別從2個冗余的TC&M接收觸發(fā)信號，并將其轉(zhuǎn)換為觸發(fā)光脈沖。通過3個安裝在不同光信號發(fā)送器印刷電路板（printed circuie board，PCB）上的激光二極管對同一閥單元發(fā)出功率足夠強(qiáng)的光信號指令到對應(yīng)的MSC，3個二極管中的2個有效就能發(fā)出足夠的功率來觸發(fā)相應(yīng)閥的全部晶閘管，因此為3保2的冗余系統(tǒng)。

（3）光接收模塊：光信號接收器PCB板接收各TVM的回報(bào)信號，這些信號并行地存入2個獨(dú)立的緩存器，再分別通過2個獨(dú)立通道分別傳送給互為備用的2套TC&M。

1.3 換流閥電壓監(jiān)視模塊

每個晶閘管內(nèi)均包含1塊TVM，其主要功能是保證1個橋臂內(nèi)串聯(lián)著的所有閥片承受相同的直流電壓，同時(shí)監(jiān)測晶閘管內(nèi)部電壓并產(chǎn)生回檢光信號。TVM對閥片的監(jiān)測功能有：（1）檢測晶閘管的關(guān)斷容量；（2）檢測晶閘管是否建立正向開通的門檻電壓（正電壓建立）；（3）檢測晶閘管電流過零點(diǎn)信號（負(fù)電壓建立）；（4）檢測晶閘管是否由內(nèi)部集成的過電壓保護(hù)（breakover diode，BOD）觸發(fā)。TVM板與阻尼回路并聯(lián)，但不與阻尼回路進(jìn)行分流，同時(shí)其自身也不包含任何完整的邏輯電路設(shè)備，不會受到電磁干擾。

1.4 光信號分配單元

在高壓換流閥上，每個閥段的13個晶閘管具有一混合光耦合器MSC。MSC直接接收由VBE中3路激光二極管同時(shí)發(fā)出的觸發(fā)光脈沖，同時(shí)也在晶閘管的反向恢復(fù)期接收RPU發(fā)出的保護(hù)觸發(fā)光脈沖。在此混合并均勻分配后發(fā)送給與其相連的13個晶閘管的光控門極，即3進(jìn)13出，每個晶閘管的觸發(fā)脈沖寬度為10 s。

1.5 閥反向關(guān)斷恢復(fù)單元

每個由13只晶閘管級組成的閥段配備1塊RPU，與均壓電容器串聯(lián)。RPU的工作電源同樣取自流經(jīng)均壓電容器的電流，不需另外供給電源。RPU的功能：在可控硅閥片關(guān)斷以后的恢復(fù)期間（約1 ms）保護(hù)換流閥，當(dāng)晶閘管兩端暫態(tài)電壓變化率超過保護(hù)預(yù)設(shè)值，RPU將發(fā)送1個光觸發(fā)脈沖送至MSC，將閥段內(nèi)的閥片觸發(fā)開通。該功能僅在晶閘管關(guān)斷后的反向恢復(fù)期啟動，保護(hù)階段由VBE中的RPU控制器控制，同時(shí)該RPU還會向另一閥段的MSC發(fā)同樣的觸發(fā)脈沖，作為冗余觸發(fā)信號。

1.6 光纖信號傳輸系統(tǒng)

光纖用于低電位控制器（VBE）和高電位可控硅電子設(shè)備之間傳輸信號，系統(tǒng)中用到的光纜類型如下：（1）VBE至MSC回路，用于傳送觸發(fā)信號；（2）MSC至閥片的觸發(fā)脈沖信號回路；（3）TVM至VBE的光信號接收回路，用于傳送回檢信號；（4）VBE中的RPU控制器與換流閥內(nèi)的RPU連接回路；（5）RPU與MSC的RPU觸發(fā)脈沖回路；（6）光信號發(fā)送器板的監(jiān)測回路；（7）避雷器監(jiān)測裝置至地電位監(jiān)測屏的連接回路。

1.7 告警及跳閘情況

出現(xiàn)告警情況：（1）電源供給模塊的電壓超出了設(shè)定的范圍；（2）1個換流閥的控制和監(jiān)視系統(tǒng)出現(xiàn)故障；（3）1個閥中有少于或者等于3個的閥片故障。

出現(xiàn)跳閘情況：（1）2個電源供給模塊的電壓都超出了設(shè)定的范圍；（2）2個換流閥的控制和監(jiān)視系統(tǒng)都故障；（3）1個閥中有超過3個閥片出現(xiàn)故障；（4）1個閥中有5個或者更多的BOD保護(hù)性觸發(fā)[4]。

2 閥控系統(tǒng)運(yùn)行情況分析

2.1 光發(fā)射模塊頻繁故障

光發(fā)射模塊頻繁故障，自投運(yùn)以來出現(xiàn)過8次故障。2008年3月27日，極I的VBE屏2的A6機(jī)柜B1光發(fā)射模塊故障；2009年5月13日，極II的VBE屏1的A3機(jī)柜B4光發(fā)射板故障；2009年5月13日，極II的VBE屏1的A3機(jī)柜B5光發(fā)射板故障；2009年7月16日，極I的VBE系統(tǒng)屏1的A3機(jī)柜B3和B6光發(fā)射模塊故障；2009年8月22日，極II的VBE屏1的A6機(jī)柜B2和B5光發(fā)射板故障；2009年8月25日，極II的VBE屏2內(nèi)A5控制模塊B3光發(fā)射板故障。用備件將上述故障光發(fā)射模塊更換后，VBE系統(tǒng)恢復(fù)正常。目前站內(nèi)存有足量的備件作為應(yīng)急處理，生產(chǎn)廠家正在進(jìn)行故障板卡檢測、分析，故障原因初步分析是電源不穩(wěn)造成的。

2.2 光發(fā)射信號監(jiān)視光纖斷股

2008年 7月 27日 19：30，工作站發(fā)“12V31+U1-A3 LIGHTEMITTER FAILURE AT-B1-U2、=12V31 + U1-A3 LIGHTEMITTER FAILURE AT-B2-U2、=12V31+U1-A3 LIGHTEMITTER FAILURE AT-B3-U2”光發(fā)射通道告警信號，隨后系統(tǒng)自動切換至VBE系統(tǒng)2，在切換成功后VBE系統(tǒng)2也出現(xiàn)故障，最終導(dǎo)致極控系統(tǒng)啟動緊急停運(yùn)（emergency switch of f，ESOF）命令。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)極II的C相左塔頂層第2個MSC的光發(fā)射信號監(jiān)視光纖斷股導(dǎo)致A3機(jī)柜的B1、B2、B3光射模塊故障，極II跳閘；重新敷設(shè)了2根光發(fā)射信號監(jiān)視光纖，一根光纖替換故障光纖，另外一根光纖備用，極II的VBE恢復(fù)正常運(yùn)行。

反措建議：（1）將光發(fā)射信號監(jiān)視的信號只作為告警信號，不作為光發(fā)射板的故障信號。（2）再增加1根光發(fā)射信號監(jiān)視光纖，當(dāng)2根光發(fā)射信號監(jiān)視光纖都檢測到無觸發(fā)信號時(shí)，才發(fā)光發(fā)射板故障；當(dāng)1根光發(fā)射信號監(jiān)視光纖檢測到無觸發(fā)信號時(shí)，只發(fā)告警信號。

2.3 2套VBE系統(tǒng)同時(shí)故障

2009年5月13日16：47運(yùn)行人員工作站發(fā)“=12V31+ U1-A3 LIGHTEMITTER FAILURE AT-B4-U4”告警信號，檢查發(fā)現(xiàn)極II的VBE屏1的A3機(jī)柜中的B4光發(fā)射模塊紅燈亮；在A3的D2系統(tǒng)按S1鍵復(fù)歸后，信號走，但間隔1 h左右告警信號頻繁重復(fù)出現(xiàn)。2009年5月14日00：25，帶電更換極II的VBE系統(tǒng)A3-B4光發(fā)射模塊時(shí)，VBE系統(tǒng)的另一光發(fā)射模塊A3-B5發(fā)生故障，極II跳閘轉(zhuǎn)為備用狀態(tài)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)光發(fā)射模塊A3-B5表面的光纖固定盒松動，導(dǎo)致該光纖固定盒下面的故障告警按鈕彈出、動作，2套VBE系統(tǒng)同時(shí)故障導(dǎo)致直流單極跳閘。

反措建議：（1）安裝光纖固定盒時(shí)一定要緊固到位，年度大修時(shí)要進(jìn)行檢查；（2）帶電更換故障光發(fā)射模塊時(shí)，嚴(yán)禁觸、碰相鄰模塊。

2.4 VBE系統(tǒng)的處理器板卡升級和更換

2009年10月1—7日，在年度停電檢修中對雙極的VBE處理器板卡進(jìn)行了更換，更換板卡的具體步驟為：（1）確保需要替換的微控制器板是在備用系統(tǒng)中或系統(tǒng)已斷電檢修的；（2）斷開微控制器PCB的電源斷路器；（3）從連接器X4上拔下就地總線（profibus）電纜；（4）從連接器X2上拔下37針圓形電纜，要避免連接器插腳與地接觸；（5）用備件替換微處理器板；（6）重新將37針圓電纜連接到連接器X2；（7）重新將profibus電纜連接到連接器X4；（8）合上相關(guān)的微型斷路器；（9）按下修理過的VBE系統(tǒng)的微控制器板上的所有狀態(tài)按鈕S1[5]。

注意事項(xiàng)：（1）必須有防靜電措施；（2）必須確保新PCB安裝了正確的軟件版本。備件所安裝的軟件版本必須和需要更換的部件中的相同，利用PCB上的撥碼開關(guān)，可以設(shè)置各個板子的profibus站地址，備件的站地址必須和需要更換部件的地址相同。

2.5 極控與VBE之間的接口模塊故障

2009年10月8日，興仁換流站年度停電大修后恢復(fù)送電，當(dāng)高壓直流系統(tǒng)在停運(yùn)狀態(tài)時(shí)，VBE系統(tǒng)運(yùn)行正常；當(dāng)高壓直流系統(tǒng)在閉鎖狀態(tài)下時(shí)，極1出現(xiàn)了A6機(jī)柜D2模塊的H1紅燈亮、H2的第4個紅燈亮；極II出現(xiàn)了A1的D1模塊的H1紅燈亮，H2的第4個紅燈亮。對VBE屏柜的CLC接口模塊進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)極1的CLC接口模塊內(nèi)電路有燒損現(xiàn)象，極II的CLC接口模塊內(nèi)電路也有燒損現(xiàn)象；對2個CLC接口模塊進(jìn)行更換后，VBE運(yùn)行正常。

原因分析：該模塊是極控與VBE之間的通信接口，通過該接口模塊交換的信號有點(diǎn)火脈沖信號、換流變開關(guān)合信號、換流器解鎖信號、旁路信號、SYSTEM_ACT、SYSTEM_PAS、VBE_RDY信號、電流過零點(diǎn)信號；在操作VBE控制信號電纜時(shí)，應(yīng)斷開極控輸出到VBE的信號電源，未斷開控制信號電源，操作37芯電纜可能會造成控制信號對地短路[6]。極控與VBE之間的交換信號見圖2[7]。

2.6 保護(hù)性觸發(fā)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷

（1）5次發(fā)現(xiàn)觸發(fā)光纖損耗過大，更換MSC至可控硅的觸發(fā)光纖后，設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。2008年3月17日20：27，工作站發(fā)極I閥塔B相左塔第6層的V3可控硅保護(hù)性觸發(fā)；2008年5月16日08：17工作站發(fā)極I閥塔B相左塔第5層的V12可控硅保護(hù)性觸發(fā)；2008年7月21日17：23，直流工作站發(fā)極I閥塔C相第2層右邊V18可控硅保護(hù)性觸發(fā)；2009年2月14日00：21，工作站發(fā)極I閥塔C相第5層右塔V8可控硅保護(hù)性觸發(fā)；2009年2月24日00：26，直流工作站發(fā)極I閥塔B相第3層左邊V12可控硅保護(hù)性觸發(fā)。

（2）1次發(fā)現(xiàn)可控硅本體故障。2008年5月19日06：16工作站發(fā)極1閥塔C相右塔第3層的V15可控硅保護(hù)性觸發(fā)，更換可控硅后，設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。

3 結(jié)論

（1）VBE系統(tǒng)具有2取1的冗余功能（光接收模塊例外），在相關(guān)的模塊故障時(shí)（例如光發(fā)射模塊），可以考慮帶電更換故障模塊以減少直流系統(tǒng)的停運(yùn)時(shí)間；帶電更換模塊時(shí)要防止損壞光纖及碰到相鄰模塊導(dǎo)致直流跳閘。

（2）提倡雙重化的冗于配置，這樣雖然增加了造價(jià)，但卻能夠帶電處理設(shè)備故障，有利地保證了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)大于缺點(diǎn)[8]。

（3）在VBE系統(tǒng)上工作時(shí)，要特別注意采取防靜電措置及預(yù)防設(shè)備的直流電源接地措施，否則很容易損壞相關(guān)的模塊。

（4）閥控系統(tǒng)的光纖故障后要么會直接導(dǎo)致跳閘，要么需要及時(shí)停電處理，因此在每年的年度檢修中，要對光纖進(jìn)行損耗測試以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)光纖存在的缺陷。

（5）VBE系統(tǒng)的總體運(yùn)行情況還不是很穩(wěn)定，希望國內(nèi)生產(chǎn)廠家加大科研力度，提高自主創(chuàng)新能力，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]中南電力設(shè)計(jì)院.興仁換流站初步設(shè)計(jì)[R].武漢：中南電力設(shè)計(jì)院，2005.

[2]中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局.興仁換流站運(yùn)行規(guī)程[R].興義：天生橋局超高壓局，2009.

[3]SIEMENS.Valve Base Electronics System Information Manual[R].Munich：SIEMENS，2006.

[4]SIEMENS.Valve Base Electronics System Maintenance Manual[R].Munich：SIEMENS，2006.

[5]許繼集團(tuán)柔性輸電公司.微處理器PCB更換說明[R].許昌：許繼集團(tuán)，2009.

[6]中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局.興仁換流站2009年度檢修總結(jié)[R].興義：天生橋局超高壓局，2009.

[7]SIEMENS.Valve Base Electronic Hardware Design Report[R].Munich：SIEMENS，2006.

[8]潘國洪.天廣直流閥控系統(tǒng)功能及其運(yùn)行分析[J].電力設(shè)備，2008，9（7）：62-64.