超高压直流工程VBE系统的优化设计

董丽　铁思佳

摘 要：VBE系统是高压直流输电换流阀控制系统的重要组成部分，负责换流阀的触发、保护及相关状态检测，是直流控制保护设备与换流阀之间的唯一接口设备，对高压直流系统的稳定运行至关重要。近几年，我国直流系统发生了多起由于VBE系统故障导致的闭锁事故，文章通过对VBE系统的优化设计，为今后直流VBE系统改造提供了技术依据。

关键词：超高压；直流；VBE

引言

VBE系统是高压直流输电换流阀控制系统的重要组成部分，负责换流阀的触发、保护及相关状态检测，是直流控制保护设备与换流阀之间的唯一接口设备。中国最早投运的葛南直流工程就使用了VBE系统，但该VBE系统完成的功能比之后的黑河、贵广、兴安简单很多，类似于ABB公司的电控阀触发设备VCU。由于VBE系统既不属于直流控制保护设备也不属于换流阀设备，加之当时国内各设备制造厂家对于整个高压直流输电设备的接口关系尚不熟悉，所以国内没有厂家对西门子公司的VBE系统进行完全的技术引进，只有西电集团有部分VBE系统资料。

近几年，特别是兴安直流投运以来，超高压公司直流系统发生了多起由于VBE系统故障导致的闭锁事故，为深入分析VBE系统故障原因，通过对历年VBE故障情况的全面的梳理、统计，对比VBE板卡出现故障的特点及规律，初步找到了一些VBE系统的故障规律，分析了VBE板卡故障的可能原因，并提出了下一步的优化设计。

1 VBE系统优化设计的意义

黑河背靠背直流输电系统是中俄联网工程，是国家电网第一个国产化的直流输电工程（以下简称黑河直流工程），也是我国第一条国际性的高压直流输电工程。将俄方的电力能源输送至黑龙江电网，其额定容量750MW，额定电压±125kV，直流电流3000A。自2009年9月26日投运以来，为联接我国东北电网和俄罗斯远东电网，做出了重大贡献。

随着运行时间的增长，黑河直流工程控制保护系统软、硬件故障逐渐暴露出来，给黑河直流工程的运行、维护和安全可靠运行带来了巨大的困难和压力。近年来，多次发生VBE故障影响直流系统运行的情况，主要体现为运行中的VBE设备异常或板卡故障。随着运行时间的增长，北方的自然环境恶劣，黑河直流工程VBE系统板卡更加老化、备品备件供应缺乏的情况将难以避免。为此，对黑河直流工程VBE系统优化设计，并对黑河直流工程VBE系统进行改造是十分必要，为今后进一步提高黑河直流工程的系统运行可靠性和稳定性意义重大。

2 VBE功能设计

VBE是采用SIEMENS早期技术开发的晶闸管控制单元，基本功能是实现监视晶闸管的状态、接收极控的控制脉冲并处理、触发晶闸管、监视阀厅避雷器动作、监视阀冷却水的状态等，并具有根据不同的运行状态进行系统切换及报警处理等逻辑功能。

VBE所具有的运行模式及主要功能如下：

（1）无换相运行模式

当电压加到阀上，不触发晶闸管，就可测试检查晶闸管及TE板的状态。当VBE接收到来自极控的CONV_CB_ON（换流变充电）信号和CP（控制脉冲），无换相的运行就开始了。VBE周期性的给TE板发送单脉冲，如果每个晶闸管及其相关的TE板和光缆功能正常，TE板将会发送一个报告脉冲到VBE。

（2）有换相运行模式

当极控发出信号CONV_DBLK（换流阀解锁）和CP（控制脉冲）到VBE，标志阀进入开通周期，VBE进入有换相运行模式。在该运行模式中会分为四个阶段。

第一阶段：触发准备就绪

这个阶段允许晶闸管被触发。当VBE检测到CP的上升沿触发开始，VBE会发出一个双脉冲（2个3us长的单脉冲，相互间隔10us）。如果穿过相关的晶闸管的电压超过120V（20V），一个门极脉冲就会产生，从而导通晶闸管。

第二阶段：闭锁阶段

在CP的下降沿，VBE发出第一个单脉冲（一个3us长的脉冲）到TE板，在设定的延时100us后，禁止进一步的触发。当晶闸管关断，穿过晶闸管的电压低于120V，指示电流结束的反馈信号送到VBE。当至少有4个这种信号返回到VBE，VBE发送一个大约100us的信号（EOC信号）到极控，并发送一个3us长的单脉冲到TE板，从而切换它们进入第3阶段。

第三阶段：换相失败保护

如果晶闸管的电压下降速度超过100V/us，TE板就会再次触发晶闸管，并将报告脉冲发送到VBE。在这个阶段，如果有5个晶闸管将此报告脉冲发送给VBE，VBE将会启动一个双脉冲，从而接通这个阀的所有的晶闸管。第3阶段持续大约1.1ms。在此之后VBE会发送第3个单脉冲。

第四阶段：状态监视

在第三个单脉冲之后经过大约30us延时，一个反馈脉冲也叫状态脉冲从每个TE发送到VBE。每个丢失的状态信号就会被认为是一个晶闸管级故障。

（3）保护性触发

如果TE板正常发送到晶闸管的门极脉冲丢失，TE板有一个后备触发回路会发送门极脉冲用于保护晶闸管免受过电压损坏。当正向电压超过7200V（允许范围是7200V到7500V），TE板检测到会发送门极脉冲触发晶闸管。触发后，向VBE发送信号进行处理。

VBE在发送双脉冲之后大约500us内进行扫描。在这个时间间隔内的任何反馈信号均被认为是保护性触发的报告信号。当一个阀中有4个晶闸管发生保护性触发时，VBE会发送一个告警信号到极控。

（4）恢复期的保护性触发

在这个阶段，TE板会监视穿过晶闸管的恢复电压上升率。当dv/dt>70V/us时，TE板发出一个门极脉冲（恢复期的保护性触发）。如果穿过晶闸管的电压超过120V且dv/dt>70V/us，TE板发送信号到VBE。如果一个阀同时由5个以上的信号产生，VBE会发送一个双脉冲到TE板去导通此阀。在双脉冲后大约80us，VBE输出3个单脉冲去取消TE的触发，并以正常模式运行。

以上为优化设计后VBE所具有的运行模式及主要功能，以保证换流器及其附属器件的正常运行。

3 结束语

通过搭建动模仿真试验系统，模拟了真实工况下，VBE与极控、VBE与TE及晶闸管之间的时序配合，试验表明：优化后的VBE设备能正确触发晶闸管，能正确返回回检信号。各项试验结果充分验证了直流VBE系统优化设计的可行性，验证了其试验方案的有效性，为今后直流VBE系统改造提供了技术依据，同时也为实施改造的可行性奠定了基础。

参考文献

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[2]中国南方电网超高压输电公司.高压直流输电系统设备典型故障分析[Z].

[3]上海超高压输变电公司.超高压输变电操作技能培训教材（第五册）.交直流电源与测量表计[M].中国电力出版社.

[4]韩伟，徐玲玲.灵宝换流站控制/直流保护系统与阀的接口设计[J].高电压技术，2005，31（2）.

作者简介：董丽（1973-），女，1996年毕业于哈尔滨理工大学机械专业，工程师。