半橋型柔性直流換流器功率模塊典型故障分析

楊德林，譚令其，歐陽(yáng)文艷，林曙光，宋啓能

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局，云南 文山 663000；2.廣東電網(wǎng)電力科學(xué)研究院，廣州 510080）

0 引言

模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converters，MMC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因其具有模塊化集成度高、易于拓展、諧波小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電、異步聯(lián)網(wǎng)、風(fēng)電并網(wǎng)、無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域[1-9]。與常規(guī)直流輸電相比，模塊化多電平拓?fù)涞娜嵝灾绷鬏旊娂夹g(shù)具有無(wú)需受端提供換相電壓、無(wú)需無(wú)功補(bǔ)償和交流濾波器、無(wú)換相失敗問(wèn)題、有功無(wú)功獨(dú)立控制等優(yōu)點(diǎn)[10]。隨著MMC由最初的低壓、小容量示范工程向高電壓、大容量方向的快速發(fā)展，其器件也存在模塊數(shù)量多、承受電壓電流應(yīng)力大、輔助電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。

目前柔性直流工程上應(yīng)用的MMC 主要為半橋型MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，受限于現(xiàn)有功率子模塊的耐壓水平，一個(gè)閥組往往需要級(jí)聯(lián)幾千個(gè)功率子模塊，子模塊故障成為工程現(xiàn)場(chǎng)最常見(jiàn)的故障之一。通常柔性直流輸電拓?fù)涿繕虮墼O(shè)計(jì)一定數(shù)量的冗余子模塊，當(dāng)子模塊冗余耗盡時(shí)，控保系統(tǒng)執(zhí)行順控程序?qū)⑾鄳?yīng)閥組停運(yùn)。因此，研究半橋型功率子模塊故障類型、故障特征和失效分析，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)故障診斷及提高柔性直流輸電可靠性具有重大意義。

目前國(guó)內(nèi)已有不少文獻(xiàn)開(kāi)展了絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）失效機(jī)理、故障特征的分析和研究，提出了IGBT 相應(yīng)的故障檢測(cè)、定位、保護(hù)等方案[11-19]，但少有文獻(xiàn)對(duì)工程應(yīng)用中的大功率IGBT 器件現(xiàn)場(chǎng)故障開(kāi)展分析。本文結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，梳理MMC半橋子模塊驅(qū)動(dòng)/器件類、通信類等典型故障，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)波形開(kāi)展故障特征和原因分析，提出運(yùn)維建議和處置措施，供類似故障處理提供參考。

1 半橋型MMC子模塊介紹

半橋型功率子模塊主要由兩個(gè)IGBT T1和T2、兩個(gè)與IGBT反并聯(lián)的二極管D1和D2、儲(chǔ)能電容器C0、均壓電阻R0、旁路開(kāi)關(guān)、旁路保護(hù)晶閘管、驅(qū)動(dòng)板、旁路觸發(fā)板、控制板、取能電源、水冷回路等組成，如圖1所示。

圖1 半橋型MMC子模塊結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of half-bridge MMC sub-module

（1）IGBT：IGBT 是功率子模塊的核心設(shè)備，按照封裝工藝劃分有焊接式IGBT 和壓接式IGBT，壓接式IGBT 因其工藝結(jié)構(gòu)采用兩面散熱，具有散熱好、易于串聯(lián)、故障后不爆炸、故障后短路通流等優(yōu)點(diǎn)。

（2）續(xù)流二極管：每個(gè)IGBT 反并聯(lián)一個(gè)二極管，根據(jù)工藝不同，有的采用和IGBT 模塊化封裝結(jié)構(gòu)，有的采用外接結(jié)構(gòu)，保證IGBT 閉鎖后電流通過(guò)二極管續(xù)流。

（3）儲(chǔ)能電容：在IGBT 兩端并聯(lián)儲(chǔ)能電容C0，可起到存儲(chǔ)能量、支撐母線電壓等作用；均壓電阻同儲(chǔ)能電容并聯(lián)，作為儲(chǔ)能電容的放電回路，同時(shí)在換流閥充電時(shí)起到均壓的作用。

（4）旁路開(kāi)關(guān)：旁路開(kāi)關(guān)并聯(lián)在功率器件輸出端，當(dāng)功率子模塊故障時(shí)，觸發(fā)旁路開(kāi)關(guān)合閘，將故障功率子模塊隔離并提供橋臂電流通路。旁路開(kāi)關(guān)通常采用雙線圈和冗余觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。

（5）晶閘管：在旁路開(kāi)關(guān)兩端并聯(lián)一個(gè)旁路晶閘管。一方面，當(dāng)旁路開(kāi)關(guān)發(fā)生拒動(dòng)或旁路失效，電容電壓持續(xù)升高，達(dá)到晶閘管的轉(zhuǎn)折電壓后擊穿，擊穿后晶閘管具備長(zhǎng)期通流能力，作為旁路開(kāi)關(guān)的后備保護(hù)；另一方面，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生接地或短路故障時(shí)，快速觸發(fā)旁路晶閘管導(dǎo)通分流，保護(hù)IGBT和二極管免受過(guò)電流沖擊。

2 半橋型MMC子模塊運(yùn)行工況

圖2所示為半橋型MMC 子模塊示意圖。正常工作時(shí)，根據(jù)IGBT開(kāi)關(guān)狀態(tài)的不同，對(duì)應(yīng)MMC半橋子模塊的三種運(yùn)行狀態(tài)分別為閉鎖狀態(tài)、投入狀態(tài)、切除狀態(tài)，具體如下。

圖2 半橋型MMC子模塊等效電路圖Fig.2 Schematic diagram of half-bridge MMC sub-module

（1）閉鎖狀態(tài)：T1 和T2 均處于關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)電流由A流向B時(shí)，電流經(jīng)D1向電容充電；當(dāng)電流由B流向A時(shí)，電流經(jīng)D2流出將電容旁路。該狀態(tài)主要出現(xiàn)在充電階段或功率模塊嚴(yán)重故障時(shí)。

（2）投入狀態(tài)：T1 處于開(kāi)通狀態(tài)、T2 處于關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)電流由A流向B時(shí)，T1接收開(kāi)通信號(hào)，但仍然處于關(guān)閉狀態(tài)，電流經(jīng)D1 對(duì)電容充電；當(dāng)電流由B流向A時(shí)，電流經(jīng)T1使電容放電。

（3）切除狀態(tài)：T1 處于關(guān)斷狀態(tài)，T2 處于開(kāi)通狀態(tài)，當(dāng)電流由A 流向B 時(shí)，電流經(jīng)T2 流出將電容旁路，當(dāng)電流由B 流向A 時(shí)，電流經(jīng)D2 流出將電容旁路。該狀態(tài)下子模塊輸出電壓等于0，電容保持旁路狀態(tài)。

3 典型故障分析

功率模塊可能的故障原因主要有通信故障、IGBT失效擊穿、驅(qū)動(dòng)板卡故障、取能電源故障、旁路開(kāi)關(guān)誤動(dòng)等。實(shí)際工程中，換流閥橋臂通常設(shè)計(jì)有一定數(shù)量的冗余子模塊，單一子模塊故障旁路或故障旁路數(shù)量小于冗余數(shù)時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致非計(jì)劃停運(yùn)，系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行，可結(jié)合停電檢修對(duì)故障模塊進(jìn)行更換。本文針對(duì)某換流站近半年功率模塊故障類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，故障主要以IGBT 故障/驅(qū)動(dòng)異常和通信故障為主，兩者合計(jì)占比高達(dá)96.8%，具體信息如表1所示。

表1 某換流站功率模塊故障統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical information of the power module faults in a converter station

由表1可知，在統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)，共發(fā)生功率模塊故障124起，其中IGBT故障/驅(qū)動(dòng)異常共80起，包括直通短路故障、單管擊穿及“瞬時(shí)性”直通短路故障，占比分別為36.5%、16.7%、10.3%；通信異常共42起，占比33.3%?？梢?jiàn)，IGBT直通短路故障、單管擊穿、“瞬時(shí)性”直通短路故障、通信異常是功率模塊較為典型的故障類型，本文將結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)案例，對(duì)IGBT 故障/驅(qū)動(dòng)異常典型故障、通信異常故障進(jìn)行故障特征和理論析，并提出相應(yīng)的運(yùn)維建議和處置措施。

3.1 IGBT直通短路故障

由IGBT 運(yùn)行工況可知，半橋型MMC 子模塊在任一時(shí)刻，最多只有一個(gè)IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài)[15]。IGBT 直通短路故障即在運(yùn)行過(guò)程中，上、下管因驅(qū)動(dòng)異常誤開(kāi)通、電壓擊穿失效、過(guò)流失效等導(dǎo)致的上、下管直通放電故障。

3.1.1 故障特征

IGBT直通短路故障發(fā)生后，可結(jié)合故障報(bào)文和錄波進(jìn)行初步分析，判斷IGBT故障類型和原因。發(fā)生直通短路故障的IGBT，電容電壓將迅速短路放電，子模塊電壓將迅速降到0。圖3為工程現(xiàn)場(chǎng)2個(gè)模塊（編號(hào)009、045）故障錄波圖（圖中電壓值除以13 為實(shí)際電壓），功率模塊處于切除狀態(tài)（T1 關(guān)斷，T2開(kāi)通），其余模塊電壓呈下降趨勢(shì)（電容放電），表明橋臂電流方向?yàn)榉聪颍˙→A），子模塊電壓在190 μs 內(nèi)從2000 V 左右迅速降至0，由此可以初步判斷功率模塊上下管發(fā)生直通短路故障。

圖3 045和009功率模塊電壓波形Fig.3 Voltage waveforms of power modules 045 and 009

3.1.2 停電檢查

直通短路的功率模塊在旁路開(kāi)關(guān)合閘后退出運(yùn)行，只要旁路功率模塊數(shù)量不超過(guò)冗余值，不會(huì)對(duì)設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。按照缺陷管理流程上報(bào)缺陷后，結(jié)合一次設(shè)備停電對(duì)故障功率模塊進(jìn)行檢查和更換即可。設(shè)備停電后，對(duì)故障功率模塊開(kāi)展以下檢查。

（1）通過(guò)使用萬(wàn)用表二極管檔對(duì)上下管進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為上下管管壓降均為0，表明上管IGBT 和下管IGBT 均為短路導(dǎo)通狀態(tài)，符合直通短路故障特征；

（2）對(duì)功率模塊整體外觀、器件外觀、水管、輸出排進(jìn)行檢查，可發(fā)現(xiàn)IGBT 陶瓷碎屑，因直通短路的功率模塊在電容放電瞬間會(huì)產(chǎn)生巨大應(yīng)力，導(dǎo)致IGBT爆炸外觀發(fā)生破裂；

（3）對(duì)旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢查，旁路開(kāi)關(guān)處于合閘位置，機(jī)械性能良好，能正常分合。

3.1.3 失效原因分析

IGBT 上下管直通短路通常是首先由上下管其中一個(gè)IGBT 發(fā)生擊穿引起的，IGBT 直通短路故障主要有以下情況。

（1）假設(shè)下管IGBT 在導(dǎo)通或關(guān)斷的時(shí)候發(fā)生擊穿，當(dāng)上管IGBT 開(kāi)通的瞬間，集電極-發(fā)射極（C-E）之間的電壓迅速上升，上管驅(qū)動(dòng)板卡檢測(cè)到C-E間電壓過(guò)高將觸發(fā)IGBT短路保護(hù)，因短路電流過(guò)大導(dǎo)致上管IGBT 保護(hù)失敗，無(wú)法關(guān)斷，從而形成模塊直通放電，上管IGBT也被擊穿。

（2）假設(shè)下管IGBT正常導(dǎo)通，上管承受電容電壓，上管在承壓過(guò)程中內(nèi)部芯片發(fā)生永久性失效，下管IGBT報(bào)二類短路故障，觸發(fā)IGBT保護(hù)成功，但在旁路開(kāi)關(guān)合閘后，上管IGBT和旁路開(kāi)關(guān)形成直通放電回路，振蕩電流將下管損壞，模塊電壓驟降為0。

（3）假設(shè)下管IGBT正常導(dǎo)通，上管IGBT關(guān)斷，當(dāng)上管IGBT 發(fā)生電壓擊穿失效時(shí)，下管IGBT 將報(bào)二類短路故障，器件驅(qū)動(dòng)觸發(fā)IGBT短路保護(hù)，IGBT關(guān)斷失效，將導(dǎo)致發(fā)生上下管直通短路故障，使下管同樣發(fā)生擊穿失效。

以上是功率器件切除狀態(tài)（T1關(guān)斷，T2開(kāi)通）時(shí)發(fā)生直通短路的幾種典型情況，功率器件投入狀態(tài)（T1開(kāi)通，T2關(guān)斷）時(shí)發(fā)生直通短路故障與上述情況類似。另外，實(shí)際中也存在IGBT直通放電后過(guò)大的電壓變化率導(dǎo)致晶閘管擊穿的個(gè)例，故障符合轉(zhuǎn)折晶閘管過(guò)壓自擊穿的特性，工程中通常使用轉(zhuǎn)折晶閘管作為功率模塊的冗余旁路措施。

3.2 IGBT單管擊穿故障

對(duì)于半橋功率模塊而言，IGBT單管擊穿通常僅發(fā)生于功率模塊投入狀態(tài)（T2承受電容電壓），且單管擊穿只可能表現(xiàn)為下管擊穿，若是上管IGBT 擊穿，電容電壓將在功率模塊切除或旁路開(kāi)關(guān)合閘時(shí)發(fā)生直通短路，電容直通放電導(dǎo)致電壓驟降為0。

3.2.1 故障特征

發(fā)生單管擊穿故障后，可結(jié)合故障報(bào)文和錄波對(duì)故障類型和原因進(jìn)行初步分析。單管擊穿故障特征表現(xiàn)為電容電壓在故障后不再波動(dòng)，而是緩慢下降。如圖4（a）為工程現(xiàn)場(chǎng)104功率模塊單管擊穿IGBT電壓波形。故障前，根據(jù)同橋臂103模塊電壓波形判斷，104 功率模塊處于投入狀態(tài)（T1 開(kāi)通，T2關(guān)斷），根據(jù)同橋臂103 模塊電壓波形判斷，電流方向?yàn)檎颍ˋ→B），功率模塊電容電壓值正常波動(dòng)；故障后，104功率模塊電容電壓不再波動(dòng)，工作電壓從2057 V逐步衰減。

圖4 104和103功率模塊電壓波形Fig.4 Voltage waveforms of power modules 104 and 103

3.2.2 停電檢查

單管擊穿故障功率模塊停電檢查與直通短路故障類似。設(shè)備停電后，對(duì)故障功率模塊開(kāi)展以下檢查。

（1）通過(guò)使用萬(wàn)用表二極管檔對(duì)上下管進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為上管壓降均為0.23～0.25 V，表明上管IGBT 正常；下管壓降均為0，表明下管IGBT 內(nèi)部短路導(dǎo)通，符合單管擊穿故障特征；

（2）對(duì)功率模塊整體外觀、器件外觀、水管、輸出排進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。因單管擊穿的IGBT未發(fā)生直通短路，不會(huì)產(chǎn)生巨大的過(guò)應(yīng)力導(dǎo)致IGBT爆炸，外觀檢查正常，需對(duì)IGBT解體分析；

（3）對(duì)旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢查，旁路開(kāi)關(guān)處于合閘位置，機(jī)械性能良好，能正常分合。

3.2.3 失效原因分析

IGBT處于切除狀態(tài)（T2導(dǎo)通，T1關(guān)斷）時(shí)，T1承受電容電壓，若是T1 發(fā)生擊穿失效，將導(dǎo)致上下管直通故障，因此，上管IGBT 單管擊穿失效均發(fā)生于子模塊投入狀態(tài)（T1導(dǎo)通，T2關(guān)斷）；T2承受電容電壓，故障時(shí)T2 內(nèi)部的IGBT 或二極管子單元發(fā)生永久性失效，導(dǎo)致T1管呈二類短路故障，T1管的驅(qū)動(dòng)板檢測(cè)到短路故障并成功關(guān)斷T1 管，旁路開(kāi)關(guān)合閘，電容無(wú)法再進(jìn)行充放電，因此模塊電壓故障后不再波動(dòng)，開(kāi)始緩慢下降。

3.3 IGBT“瞬時(shí)性”直通短路故障

IGBT“瞬時(shí)性”直通短路故障即IGBT 發(fā)生“瞬時(shí)性”直通后故障恢復(fù)且IGBT 驅(qū)動(dòng)保護(hù)成功，旁路開(kāi)關(guān)正常合閘，功率模塊并未發(fā)生擊穿失效的情況。主要原因?yàn)殡姶鸥蓴_導(dǎo)致誤觸發(fā)、旁路開(kāi)關(guān)瞬時(shí)性擊穿等。

3.3.1 故障特征

單管擊穿功率模塊故障特征表現(xiàn)為：工作站報(bào)IGBT電源故障、驅(qū)動(dòng)異常或T1短路故障，發(fā)生瞬時(shí)性直通后旁路開(kāi)關(guān)成功合閘將故障模塊旁路，模塊電容電壓通常表現(xiàn)為瞬跌后保持緩慢下降。

圖5 為工程現(xiàn)場(chǎng)124 功率模塊發(fā)生“瞬時(shí)性”直通故障的波形及同橋臂149 功率模塊正常波形，故障時(shí)工作站報(bào)124 模塊“IGBT1 短路故障”“旁路開(kāi)關(guān)合位”，由故障錄波可知，模塊電壓在460 μs內(nèi)從2005 V突降至1985 V，隨后電壓緩慢下降，符合“瞬時(shí)性”直通短路故障特征。

圖5 124和149功率模塊電壓波形Fig.5 Voltage waveforms of power modules 124 and 149

3.3.2 停電檢查

“瞬時(shí)性”直通短路故障功率模塊停電檢查與其余故障類型類似。設(shè)備停電后，對(duì)故障功率模塊開(kāi)展以下檢查。

（1）通過(guò)使用萬(wàn)用表二極管檔對(duì)上下管進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均表現(xiàn)為上、下管壓降正常，表明上、下管IGBT 并未發(fā)生擊穿失效，符合“瞬時(shí)性”直通故障特征；

（2）對(duì)功率模塊整體外觀、器件外觀、水管、輸出排進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，需返廠開(kāi)展驅(qū)動(dòng)板及旁路開(kāi)關(guān)解體分析；

（3）對(duì)旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢查，旁路開(kāi)關(guān)處于合閘位置，機(jī)械性能良好，能正常分合。

3.3.3 失效原因分析

針對(duì)上述故障案例，通過(guò)故障波形判斷模塊電壓驟降20 V后保持穩(wěn)定，初步懷疑發(fā)生“瞬時(shí)性”直通短路，根據(jù)公式可計(jì)算得出，故障時(shí)刻的電流平均值約650 A，遠(yuǎn)大于無(wú)功功率為0工況下的橋臂電流，因此判定故障時(shí)刻發(fā)生了功率模塊短路且IGBT短路保護(hù)正確動(dòng)作，將模塊旁路。發(fā)生“瞬時(shí)性”直通短路主要有以下兩種情況。

（1）功率模塊處于投入狀態(tài)（T1 開(kāi)通，T2 關(guān)斷），旁路開(kāi)關(guān)承受模塊電容電壓，假設(shè)旁路開(kāi)關(guān)承壓過(guò)程中發(fā)生了瞬時(shí)性擊穿，與T1管形成電容放電直通回路，T1管的驅(qū)動(dòng)板檢測(cè)到短路故障并成功關(guān)斷T1管，表現(xiàn)為電壓驟降20 V后保持穩(wěn)定。

（2）功率模塊上管或下管在關(guān)斷期間，若因電磁干擾致使驅(qū)動(dòng)板卡異常，導(dǎo)致關(guān)斷的IGBT 誤開(kāi)通，將發(fā)生“瞬時(shí)性”直通短路故障，IGBT 監(jiān)測(cè)到短路故障后保護(hù)成功，旁路開(kāi)關(guān)合閘，表現(xiàn)為電壓瞬跌后保持緩慢下降趨勢(shì)。

為進(jìn)一步查明故障原因，對(duì)旁路開(kāi)關(guān)開(kāi)展返廠解體測(cè)試試驗(yàn)，其中旁路開(kāi)關(guān)電阻、分合閘時(shí)間等均正常，對(duì)旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)距測(cè)試和真空管真空度測(cè)試，結(jié)果均正常。最后對(duì)真空滅弧室進(jìn)行解剖分析，發(fā)現(xiàn)觸頭表面有明顯擊穿燃弧痕跡，驗(yàn)證了旁路開(kāi)關(guān)瞬時(shí)性絕緣擊穿導(dǎo)致直通短路的情形。

3.4 通信類故障

柔性直流輸電系統(tǒng)中，通常會(huì)使用大量的光纖通信，用以控制系統(tǒng)間通信、IGBT 觸發(fā)等。大多數(shù)情況下模塊發(fā)生通信中斷故障后，若只有一路通信，則將導(dǎo)致該模塊旁路，若采用交叉冗余的通信設(shè)計(jì)，可以避免單路通信故障后導(dǎo)致的模塊旁路，將大大提高模塊的運(yùn)行可靠性。

3.4.1 故障特征

通信類故障因采用交叉冗余設(shè)計(jì)，通常表現(xiàn)為上行或下行通信故障，不會(huì)導(dǎo)致功率模塊旁路，功率模塊仍可通過(guò)交叉冗余通信正常運(yùn)行。圖6為工程現(xiàn)場(chǎng)124 通信模塊故障錄波和同橋臂131 模塊正常錄波，工作站報(bào)“124功能模塊上行直連通信中斷故障”，后臺(tái)監(jiān)控畫(huà)面顯示該模塊為故障態(tài)。該功率模塊電壓顯示值為1853 V，且和其他正常功率模塊電壓數(shù)值及變化趨勢(shì)一致（充電時(shí)模塊平均電壓為1840 V），初步判斷該模塊仍通過(guò)交叉通信正常工作。

圖6 131和124功率模塊電壓波形Fig.6 Voltage waveforms of power modules 131 and 124

進(jìn)一步查看模塊電壓錄波，該模塊發(fā)生單路通信中斷后，模塊電容電壓值和其他的功率模塊電容電壓波形保持一致，維持充電階段的電壓上升趨勢(shì)，判斷該故障子模塊僅發(fā)生上行直連通信中斷，仍可通過(guò)相鄰模塊交叉冗余通信維持正常工作，與閥控后臺(tái)顯示相互印證。

3.4.2 停電檢查

現(xiàn)場(chǎng)停電檢修后，主要對(duì)通信故障的功率模塊進(jìn)行以下檢查。

（1）檢查脈沖分配屏至模塊間光纖座、光纖頭有無(wú)異常，對(duì)光纜進(jìn)行衰耗測(cè)試。

（2）檢查主控板光纖座、冗余通信光纜衰耗測(cè)試，對(duì)光纖座進(jìn)行光功率測(cè)試。

檢查結(jié)果顯示，模塊與脈沖分配屏間的通信光纖均未見(jiàn)異常，但模塊的主控板光纖座發(fā)光偏暗，對(duì)光纖座進(jìn)行光功率測(cè)試，測(cè)試發(fā)光功率均低于-30 dBm（正常發(fā)光功率為-15 dBm），檢測(cè)板卡均存在光纖座發(fā)光偏暗、光功率偏低現(xiàn)象。

3.4.3 失效原因分析

通信類故障通常故障原因可能為板卡故障、光纖破損、光纖接頭松動(dòng)、光纖彎曲半徑過(guò)小、光纖座缺陷等原因，對(duì)故障光纖座返廠檢查發(fā)現(xiàn)，光纖座存在發(fā)光偏暗、光功率偏低的現(xiàn)象，對(duì)正常光纖座模擬電氣過(guò)應(yīng)力（Eletrical Over Stress，EOS）測(cè)試、靜電放電（Eletro Static Discharge，ESD）測(cè)試，正常光纖座出現(xiàn)失效，與上述故障現(xiàn)象吻合，判斷故障原因?yàn)镋SD/EOS損壞。

4 運(yùn)維建議

功率模塊典型故障主要有IGBT直通短路故障、IGBT單管擊穿、IGBT“瞬時(shí)性”直通短路、通信故障、黑模塊、旁路開(kāi)關(guān)誤動(dòng)、驅(qū)動(dòng)板卡故障等，故障類型較多，其中器件類故障、通信故障較為典型。因功率模塊基數(shù)大，當(dāng)故障功率模塊增多時(shí)，會(huì)降低換流單元的運(yùn)行可靠性，嚴(yán)重時(shí)危及換流閥的安全穩(wěn)定運(yùn)行，超過(guò)冗余值時(shí)將直接導(dǎo)致?lián)Q流單元被迫停運(yùn)。針對(duì)上述典型故障，建議采取以下運(yùn)維措施：

（1）針對(duì)IGBT器件類故障，應(yīng)做好故障信息統(tǒng)計(jì)，對(duì)比分析不同運(yùn)行工況下IGBT 失效特征，開(kāi)展IGBT失效機(jī)理研究，制訂可行的提高其運(yùn)行可靠性的措施。

（2）結(jié)合停電檢修窗口，開(kāi)展故障功率模塊更換和返廠解體分析，確定故障元器件及原因，排除功率模塊批次缺陷或制造工藝導(dǎo)致的故障，并制訂有針對(duì)性的處置和防控措施。

（3）針對(duì)IGBT“瞬時(shí)性”直通短路故障，應(yīng)返廠開(kāi)展故障復(fù)現(xiàn)和故障模擬試驗(yàn)，開(kāi)展旁路開(kāi)關(guān)等元器件測(cè)試，確定故障根本原因。針對(duì)旁路開(kāi)關(guān)擊穿放電導(dǎo)致短路問(wèn)題，應(yīng)考慮在保證分合閘時(shí)間滿足要求的前提下采取增加旁路開(kāi)關(guān)觸頭開(kāi)距、對(duì)觸頭采取大電流老煉技術(shù)等措施，并對(duì)模塊繼續(xù)投入運(yùn)行的可行性、可靠性進(jìn)行評(píng)估。

（4）針對(duì)通信類故障，應(yīng)結(jié)合停電重點(diǎn)核查光纖座、光纖接口是否存在松動(dòng)、放電痕跡等情況，檢查光纜光衰是否正常，確認(rèn)設(shè)計(jì)、質(zhì)量是否滿足技術(shù)要求，評(píng)估是否因運(yùn)行環(huán)境差異導(dǎo)致靜電損壞或電氣過(guò)應(yīng)力損壞，并結(jié)合實(shí)際情況采取更換不同型號(hào)光纖座或改善電磁環(huán)境的措施。

（5）針對(duì)驅(qū)動(dòng)板卡故障導(dǎo)致誤觸發(fā)等問(wèn)題，應(yīng)著重開(kāi)展板卡測(cè)試，排查驅(qū)動(dòng)板卡元器件質(zhì)量和壽命是否達(dá)標(biāo)，抗電磁干擾能力是否滿足技術(shù)規(guī)范要求，是否存在批次缺陷情況以及板卡程序、功能是否正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)半橋型MMC子模塊拓?fù)?、結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況進(jìn)行了闡述，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)案例對(duì)功率模塊典型故障進(jìn)行了分析，提出一些相應(yīng)的運(yùn)維建議及對(duì)策，以指導(dǎo)柔性直流輸電工程現(xiàn)場(chǎng)缺陷分析和處理，提高柔性直流工程的運(yùn)行可靠性。