牛从直流系统调试过程中换流阀和VBE故障原因分析

乔超 夏子军

（超高压输电公司曲靖局）

牛从直流系统调试过程中换流阀和VBE故障原因分析

乔超 夏子军

（超高压输电公司曲靖局）

直流输电中实现交、直流转换的核心设备为换流阀及其阀基电子设备VBE。因此，有必要对换流阀及VBE曾发生的故障进行分析，并制定相应的应对措施，提高运维单位的应急处置能力。对牛从直流系统调试中，牛寨换流站出现的换流阀和VBE故障导致直流闭锁的事故案例进行分析，总结了换流阀和VBE的常见故障及处理措施。

换流阀；VBE；处理措施

0 引言

牛寨换流站地处云南省东北部，气候环境恶劣，是两回直流同址建设，输送负荷大，在整个西电东送通道中具有重要地位。在牛从直流系统调试的过程中，发生了多次换流阀和VBE故障，通过分析学习发生故障原因，并制定相应的处理措施，有助于降低直流输电核心设备的故障率，可大大提高直流输电可靠性。

1 VBE与换流阀的关系

1.1 换流阀的结构介绍

牛从直流每极阀厅由一个三相四重阀构成，换流阀基本元件包括：晶闸管阀片、TVM板、RC阻尼回路、直流分压电阻（安装在TVM板上）、散热器，如图1所示。

1.2 VBE系统结构介绍

阀基电子设备是基于微控制器的免维护冗余系统，其对晶闸管进行触发与监视包括TC&M（微处理控制器D1～D2）、光信号发送器（B1～B6）、光信号接收器（B7～B18）、RPU控制器（B20～B21）、电源模块以及与极控的接口部分。VBE系统机箱结构如图2所示。

图1 换流阀结构

图2 VBE机箱结构

1.3 VBE对换流阀的预检

VBE是负责对换流阀进行触发导通及其状态监视的阀控设备。当VBE的控制与监视（TC&M）收到极控制发来的CONVERTER CIRCUIT BREAKER ON 信号且无UNDERVOLTAGE 欠压信号出现时启动预检模式。在晶闸管不触发的情况下，测试晶闸管的阻断能力和晶闸管电压监测板TVM 的性能。如果晶闸管、对应的TVM 和光缆正常，当晶闸管电压达到TVM 板的正向或负向电压门槛值时，则周期性地产生从TVM 到VBE 的回报脉冲。预检模式脉冲时序图如图3所示。

图3 换流阀预检时脉冲时序

1.4 VBE对换流阀的触发

在预检模式下如果所有的晶闸管都被检测了三次且无故障，TC&M 通过现场总线向极控发出VALVE CHECK OK 信号至极控制。VBE对换流阀的预检正常，VBE闭环控制逻辑CLC接口板上的CONV-CB-ON或BBYPACT、CONV-DBLK、SYSTEM-ACT信号灯点亮。如果VBE收到极控发来的触发控制信号（FIRING CONTROL SIGNALS），VBE 内部软件通过检测触发控制信号的上升沿来控制晶闸管的触发。在反向恢复期，TC&M在检测到单个阀段内负电压建立回报信号不少于5μs，VBE即向极控制发出阀电流过零信号（END OF CURRENT SIGNAL）表示换流阀关断。通过VBE内的RPU 接口板发出的控制脉冲启动阀段里的恢复期保护单元RPU。当晶闸管级的电压上升率超过100V/μs，RPU就向该阀段内MSC发送出发光脉冲，触发阀段内所有晶闸管使其免受过高du/dt而损坏。

1.5 VBE对换流阀的监测

VBE对换流阀的监测，主要通过换流阀组件内的TVM向VBE光接收板发送的脉冲信号实现。晶闸管两端电压如果超过正向电压门槛值，TVM 会发送6μs 宽的脉冲信号至光接收板。这个信号表示该晶闸管触发准备就绪，信号被晶闸管监视与控制锁存。如果来自 VBE 的光脉冲丢失，为防止对应的晶闸管由于过电压损坏，集成在LTT 内的BOD 器件能在该晶闸管正向电压超过设定的保护值时，紧急保护触发该晶闸管。晶闸管两端的电压超过7500V 时TVM 将产生12μs 宽的脉冲信号表示BOD保护动作。在触发控制信号（FIRING CONTROL SIGNALS）下降沿之后阀将退出导通。当晶闸管关断且反向电压低于−150V时，TVM产生一个2μs宽的回报信号送往VBE。通过TVM板返回的三个脉冲信号来实现对换流阀阀组内各设备状态的监测。

2 换流阀故障原因分析及处理措施

2.1 晶闸管故障

晶闸管的常见故障有两类，一类是晶闸管两侧承受过电压而将其击穿，另一类是晶闸管过电流，导致其温度过高烧坏。

牛寨换流站在牛从甲直流极1系统调试期间，进行升功率试验过程中，运行人员工作站陆续报出7个晶闸管故障（在升功率时）。由于晶闸管分布在不同的换流阀上，因此试验并未终止。试验结束后对故障晶闸管进行更换，并将故障晶闸管返厂解剖分析。晶闸管解剖图如图4所示。

图4 晶闸管解剖图

由图4可以看出，所有故障晶闸管均为边缘损坏。其主要原因是在晶闸管开通时晶闸管表面的电压分布不均匀，晶闸管边缘处存在局部过电压而将其击穿。因此，过电压的晶闸管边缘处出现损坏的痕迹。与过电压击穿不同的是，在晶闸管过电流时，由于流过的是直流电流不存在趋肤效应，所以晶闸管被烧坏的位置主要是集中在晶闸管的中心处。

从单只晶闸管到整个换流阀都考虑了交流均压和直流均压，同时在整个换流阀上还安装避雷器防止过电压。晶闸管两端并联RC阻尼回路，使晶闸管在工频和操作冲击电压下的电压成线性分布。整个阀段上并联均压电容使陡波冲击电压线性分布。这些措施都是使加在晶闸管上的交流电压呈均匀分布，防止某个晶闸管上出现冲击电压和过电压。同时在整个换流阀上并联避雷器，防止阀上出现过电压。与晶闸管并联的TVM板上有4个两两串联后并联的500kΩ直流均压电阻，在晶闸管导通后使晶闸管两侧直流电压均匀分布。也对反向恢复期的电压变化率作考虑，在整个阀段配置一个RPU，在晶闸管反向恢复期的电压变化率过大时对晶闸管进行触发保护。

对晶闸管造成主要损害和危险的是过电压，因此在日常运行维护中能有效防止换流变阀侧出现工频、操作等过电压和陡波冲击电压对改善晶闸管外部工作条件极为有利。能有效防止晶闸管被击穿，降低直流闭锁的概率。同时在直流输送负荷较大，环境温度较高的情况下，加强红外巡视。对晶闸管温度出现异常时，及时申请降负荷或者停电检查。年度检修时必须对阀组件内各设备进行清洁，严格进行晶闸管级测试，对测试参数不满足要求的设备进行及时更换。

2.2 MSC故障

MSC为多路光分配器，将光发射板发送来三光脉冲分配成13路光脉冲，再转发去触发晶闸管。MSC常见故障为分配器故障或者MSC进、出光孔故障堵塞。牛从甲直流极1调试期间，出现L6L阀组件内的MSC输出光孔“OUT 14”故障堵塞。导致相应的光接收板收不到MSC的回报信号，VBE判断Y1阀B4、B5、B6光发射板通道2均故障而出口跳闸。对故障MSC进行更换后解锁成功。故障MSC如图5所示。

图5 故障MSC

针对MSC容易发生的故障类型，在换流阀年度检修时，需对MSC通道进行检查，对进、出光孔进行清洁。同时为了减少停电时间，在MSC故障后及时将其更换，因此需存储一定数量的备品备件。

2.3 饱和电抗器故障

（1）电抗器铁心下沉

在以往的直流工程中常见的包含电抗器故障为电抗器发热和电抗器铁心内散热器接头漏水。溪洛渡直流工程中采用的电抗器还存在铁心下沉问题。在牛从甲直流极2换流阀组件安装过程中，发现大量电抗器铁心下沉的现象。之所以出现上述故障是因为，以往直流工程中的电抗器上下两端有挡板，而溪洛渡直流工程中的电抗器没有，如图6所示。

图6 故障阳极电抗器

电抗器铁心下沉会影响电抗器电感值，由于铁心下沉导致电抗器的漏磁增加。在开通时电抗器电感值减小，稳定后电抗器不能完全饱和，因此电感值又较大。因此，在减缓阀开通时的di/dt的作用有所降低。

针对溪洛渡直流工程牛寨换流站出现的大量电抗器铁心下沉的情况，按照超高压输电公司要求，对所有铁心下沉的阀组件进行了返厂处理。确保电抗器铁心在今后的运行中不会下沉。

（2）电抗器内冷水管漏水

电抗器内冷水循环管道漏水，2014年2月17日18：40监控系统报“ P12VHA-B C相S侧第一阶段漏水警报报警”，“S2P2PCP1 阀厅避雷器接口和漏水监测 报警2出现”，“S2P2PCP1 阀厅避雷器接口和漏水监测 报警1出现”。18∶50检查发现牛从甲极2阀厅C相R侧阀塔底盘中部有积水，牛从甲极2阀厅避雷器接口屏内K23、K25，K33、K35系统一段告警继电器灯亮。现场发现牛从甲极2 C相R侧阀塔Y2换流阀C5R阳极电抗器上的内冷水循环管道存在漏水情况，由于透明软管直接接触到阳极电抗器上金属构件，在阀塔振动下，导致内冷水循环管道直接与金属构件接触摩擦，在阀塔持久振动应力下，软管被磨损，进而导致内冷水渗漏，水滴落到阀塔底部的积水盘上，进而导致漏水检测仪I段告警。故障情况如图7所示。

图7 管道漏水

针对电抗器内冷水循环管道在运行工程中由于振动导致管道被与其接触的金属构件磨破的情况。可采取两方面的措施：一是尽量避免内冷水管道与电抗器上的金属构件搭接。二是可以在搭接处采取有效的外部包裹的保护措施，同时在一定时间内对所有搭接处进行全面的检查，对磨损度超标的进行及时更换。年度检修时必须对水管与金属构件搭接情况进行全面检查，对存在磨损的水管及时更换。

3 VBE板卡故障原因分析及处理措施

3.1 晶闸管控制与监视TC&M板故障

牛从甲直流极1系统调试期间，牛寨换流站牛从甲直流极1VBE屏柜内A1机箱的晶闸管控制与监视（TC&M）D2板卡故障，导致换流变进线开关跳开。

2013年11月29日1时48分，+500kV 牛从甲直流极1换流变充电试验，换流变带电运行3h后，系统报+500kV牛从甲极1换流阀D1D4-B D1换流阀多个晶闸管同时故障，VBE跳闸跳开+500kV 牛从甲直流极1换流变5011开关。

将牛从甲直流极1 VBE柜1内A1机箱中D2板卡进行更换。更换板卡后，牛从甲直流极1于11月29日5∶02具备试验条件，按总调令牛从甲直流极1闭锁阀组充电试验成功。

本次开关跳闸由VBE的晶闸管控制与监视TC&M板故障导致。板卡故障可能为板卡硬件故障或者软件程序出错。针对板卡故障的问题，运行维护单位需储备一定的备品备件，在故障发生后及时更换。在日常维护中关注VBE屏柜温度，对VBE板卡温度较高时及时采取降温措施。年度检修时对VBE屏柜通风系统进行清洁维护。

3.2 光发射板故障

2014年2月20日15∶02，运行人员工作站报牛从甲直流极2换流阀Y5Y2中的B4、B1两光发射板的1～6通道故障。现场检查－500kV牛从甲直流极2 VBE屏柜的A6机箱，B1光发射板的故障H1红灯点亮，B4光发射板的H1灯熄灭，初步判断B1、B4光发射板故障。2月21日10时更换故障光发射板后故障消除，随后牛从甲直流极2解锁成功。故障板卡如图8所示。

图8 故障板卡

VBE中的光发射板故障在VBE故障因素中占有较大比例。以往直流工程中出现很多因为VBE的光发射板故障跳闸，或者是光发射板故障，在更换光发射板时跳闸的事例。

光发射板易故障的原因主要为温度高，导致板卡过热损坏。光发射板需要产生较大功率的光脉冲，因此其电力电子元件易存在烧坏或者板卡内部供电回路故障等情况。在运行维护中必须保证光发射板有足够的备品备件，在故障发生后及时更换。同时加强对VBE屏柜内各板卡的红外巡视，在温度出现异常时，及时采取有效的降温措施。

4 换流阀及VBE故障频发的反思

4.1 为什么一次试验中会出现如此多的晶闸管故障？

对于升功率试验中出现较多的晶闸管故障，不得不对晶闸管质量或者安装工艺产生疑问。由于故障的7只晶闸管分别发生在各次升功率试验的开始阶段，同时7只晶闸管属于同一批次。因此，对该批次的晶闸管的某些参数不满足设计要求也有一定怀疑。在后续运行中如果还存在大量晶闸管故障，有必要对该批次的晶闸管返厂进行参数测试，检测其是否满足设计要求。

4.2 为什么会出现大量电抗器铁心下沉？

牛寨换流站换流阀的饱和电抗器设计与以往直流工程有所不同，电抗器上下侧无挡板。对于电抗器铁心出现如此多的下沉，究竟是电抗器上下无挡板的支撑还是电抗器生产工艺差。在今后的运行中，如果继续存在电抗器铁心大量下沉现象，对换流阀的运行是否影响较大？在今后的年度检修中加强对电抗器铁心的下沉情况进行重点关注，对正常电抗器和铁心下沉电抗器的磁通量和漏磁通进行检查对比。对不满足要求的及时更换。

4.3 VBE板卡为什么会突然故障？

根据以往直流工程的运行经验，VBE板卡故障率一般较低。板卡故障往往是VBE屏柜内部温度较高或者板卡温度高，但是牛寨换流站发生的几次VBE板卡故障时温度都较低。因此，需对板卡自身因素和VBE屏柜前期安装环境条件对屏柜的影响这两方面查找原因。牛从甲直流VBE屏柜在前期安装过程中环境极其恶劣，屏柜所在房间粉尘大、湿度高，同时施工单位对VBE屏柜无特殊保护措施。这些不利因素当时厂家曾现场要求暂时不安装屏柜或者安装后加强屏柜保护，但是现场并未采取保护。因此，这些因素可能对VBE板卡造成一定影响。板卡自身因素造成其故障，目前还不能确定。针对这些情况，在今后的运行维护中，应该增加VBE各板卡的备品备件量。在今后的直流工程中，VBE屏柜就位前必须要求环境的清洁度和湿度满足要求，同时对屏柜做必要的包装保护。

5 结束语

换流阀和阀基电子设备VBE作为换流站的核心设备。对换流阀和VBE所发生的故障进行分析学习，并对故障原因进行探讨，有助于运维人员今后对易故障设备加强关注并提前预控。本文主要以牛寨换流站系统调试期间，换流阀和VBE发生的几起跳闸事故进行分析。对设备故障原因作出推测，并提出一定的处理意见和今后的运维措施。因此，对提高换流站的运行维护水平有一定促进意义，同时对今后直流工程中的换流阀和VBE安装调试中需要关注的地方具有借鉴意义。

[1] G Sachs. Thyristor Valves and Associated Equipmen Design Report[J]．Erlangen，2011.

[2] 浙江大学发电教研组直流输电科研组．直流输电[M].北京：水利电力出版社，1985.

2017-07-12）