特高壓直流換流閥異常導通原因分析及對策

金明輝，張 一

（國網(wǎng)河南省電力公司 直流運檢分公司，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)轉閉鎖過程中，如果出現(xiàn)換流閥的異常導通問題就會直接影響到換流站的穩(wěn)定運行。為了能夠更好地處理換流閥的異常導通問題，需要分析換流閥的相關組件與結構。根據(jù)研究，換流閥晶閘管能夠影響到換流閥的導通，對此本文著重分析特高壓直流換流閥異常導通問題。

1 換流閥的拓撲結構

常規(guī)直流換流站的換流閥以晶閘管作為核心器件，采用模塊化多級結構，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)以及機械和絕緣結構等部分。

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成。每個換流閥中都存在著數(shù)十個或者百個晶閘管，其中均壓吸收電路的形式多種多樣，而主電路的構造趨勢目前是盡量采用最少的電氣元件來滿足設計和生產(chǎn)要求，并逐漸變成一種工業(yè)標準，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晶閘管進行觸發(fā)、監(jiān)視以及向閥控設備反饋的功能。由晶閘管控制單元接收閥控設備觸發(fā)脈沖，轉換成電信號控制晶閘管觸發(fā)[1]。

圖2 晶閘管控制單元

1.3 冷卻系統(tǒng)

換流閥在運行中產(chǎn)生的損耗轉化為熱能，會導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 機械和絕緣結構

換流閥的機械和絕緣結構由模塊框架、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樹脂絕緣螺桿作為閥結構的內(nèi)部懸吊件[2]。保護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。防火包放置在每個光纖槽的底部，可以有效阻止火勢蔓延。機械和絕緣結構如圖4所示。

圖4 機械和絕緣結構

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，晶閘管故障發(fā)生的原因跟溫度和晶閘管承受電壓應力的函數(shù)都有一定關系，而換流閥晶閘管溫度和電壓應力都是不斷變化的，主要表現(xiàn)在以下幾個層面[3]。

一是系統(tǒng)內(nèi)各種開關動作、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，但實際所確定的時間并不長，經(jīng)常會出現(xiàn)一些潛在的風險點，需要被有效處理掉。

二是冗余元器件損壞，導致其余元器件電壓應力增加。對該種情況進行分析和考慮，但由于缺乏相應可靠度參數(shù)，無法進行詳細計算[4]。同時，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)使用時間往往更長，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，此時晶閘管的通態(tài)壓降和通態(tài)損耗也會升高[6]。在設計過程中，要保證晶閘管通態(tài)電壓和恢復電荷平衡，使得整體的損耗量得到降低。

3 閥控系統(tǒng)設備內(nèi)容

閥控系統(tǒng)設備內(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，它將來自CCP閥控主機的觸發(fā)控制脈沖，轉換為觸發(fā)相連閥上單個晶閘管的觸發(fā)脈沖，向閥塔中的TCE發(fā)送晶閘管觸發(fā)信號，收集TCE反饋的晶閘管狀態(tài)信息并向CCP主機發(fā)送FP閥控觸發(fā)反饋信號，監(jiān)視避雷器動作和閥塔漏水情況等，實現(xiàn)對換流閥的控制與狀態(tài)檢測。

圖6 閥控系統(tǒng)設備內(nèi)容圖

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

在控制系統(tǒng)“換流閥充電”信號有效、“解鎖”信號有效，閥控系統(tǒng)處于解鎖模式，該模式下主動系統(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CP實現(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次換流閥誤導通事件，4次事件換流閥異常導通均是發(fā)生在直流極1由備用狀態(tài)操作至閉鎖狀態(tài)過程中。事件發(fā)生后，針對換流閥出現(xiàn)異常誤導通的可能性，從極控系統(tǒng)和閥廳溫濕度等方面開展研究找出導致?lián)Q流閥出現(xiàn)異常誤導通的根本原因。異常導通時所有直流電流測量點電流基本一致，且與天生橋站閥側交流線電流包絡線一致，故判斷測量系統(tǒng)無故障，異常導通的故障狀態(tài)真實存在。

閥基電子設備（Valve Based Electronic Equipment，VBE）由6個晶閘管控制電容器（Thyristor Control Capacitor，TCC）、1個國產(chǎn)可控硅監(jiān)視、1個電源單元及相關繼電器組成[8]。主要功能為接收極控觸發(fā)信號，同步觸發(fā)每個閥內(nèi)各晶閘管，監(jiān)視閥及相應TE板的運行，并與TE板進行信息交換，監(jiān)測閥避雷器。晶閘管控制單元模塊可接收來自極控的觸發(fā)信號，觸發(fā)晶閘管，實現(xiàn)與TE板通信，監(jiān)視晶閘管級的運行狀態(tài)。換流閥作為將交流電轉換為直流電的核心元件，對運行環(huán)境的要求非常嚴格，不僅對運行的環(huán)境溫度和濕度有嚴格說明，且閥廳的潔凈度對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，加上檢修過程中需要多次開啟閥廳大門，致使外面粉塵大量進入閥廳，閥廳空氣環(huán)境惡化，不滿足運行環(huán)境的要求，造成BTC回路動作電壓降低，以至于在換流變充電過程中出現(xiàn)換流閥誤導通現(xiàn)象。

5 處理措施

為了能夠較好地處理換流閥異常導通的問題，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，在復電的過程中可以有效地減小換流閥異常導通的問題[10]。

6 結 論

本文探討了關于直流輸電系統(tǒng)中特高壓直流換流閥異常導通的問題。在經(jīng)過全面分析可知，明確各項因素對換流閥異常導通現(xiàn)象的影響極為重要。為了提高換流閥運行狀態(tài)的穩(wěn)定性，要對設備元器件進行有機保養(yǎng)，加強對濕度的控制，以確保換流閥的運行效果正常。