换流阀EOC信号延迟原因分析及解决措施

苏云东，段文学

（云南电网有限责任公司 文山供电局，云南 文山 663000）

0 引 言

换流阀在换相过程中会产生电流过零和电压过零点，极控系统通过测量板卡ESP10计算每一个换流阀电流过零到电压过零的时间，可以精确得到每一个换流阀的熄弧角。电流的过零信号EOC通过12个换流阀的晶闸管电压监视（Thyristor Voltage Monitoring，TVM）板来检测，并通过VBE传送给极控系统。

在逆变站，如果检测到电压过零信号而没有检测到电流过零信号，或者检测到电流过零信号而没有检测到电压过零信号，都会产生电流过零故障信号，导致换相失败，严重的甚至发生直流闭锁[1]。而换流阀EOC信号延迟，将直接导致电流过零故障。某换流站就是由于多次发生换流阀电流过零故障导致直流多次换相失败，在2016年5月23日和26日，由于电流过零故障曾引发直流闭锁。本文分析由换流阀TVM板问题引起EOC信号延迟的原因，提出相应的处理措施，为类似的直流工程问题提供参考解决方案。

1 换流阀EOC信号延迟原因分析

1.1 TVM的工作原理及基本功能

高 压 直 流 输 电（High-Voltage Direct Current，HVDC）换流阀由许多串联晶闸管级组成，每个晶闸管级均安装有独立的TVM板[2]。TVM原理如图1所示，其中R为阻尼电阻，C为均压阻尼电容，Th为直接光控晶闸管。

图1 TVM原理框

每个晶闸管级有一块TVM板，以确保晶闸管之间的电压均匀分布，并监测晶闸管两端的电压。

换流阀在运行中，由各晶闸管级的TVM板在线检测晶闸管两端的电压，形成如图2所示的回检信号。

图2 TVM产生的回检信号

当晶闸管电压达50～70 V时，TVM会发送6 μs宽的正电压建立回报信号到VBE的光接收板；当晶闸管电压达-150～-170 V时，TVM会发送2 μs宽的负电压建立回报信号；当监测到晶闸管电压为6 500～7 500 V时，TVM会发送12 μs宽的转折二极管（Break Over Diode，BOD）动作回报信号。

该换流站的TVM板设计回报信号参数如下：正向电压建立6～8 μs回报信号光脉冲宽度，发送回报光脉冲时，晶闸管两端的电压为（130±20）V；负向电压建立2～3 μs回报信号光脉冲宽度，发送回报光脉冲时，晶闸管两端的电压为（-160±20）V；正向过电压回报信号光脉冲宽度为12～15 μs，发送回报光脉冲时，晶闸管两端的电压为（7 200±300）V[3]。

1.2 TVM的参数测试方法

将交流可调电源电压调制到Us=1 500 V，设置示波器相关参数，读取通道2的数据，与设计值作比较，其测试接线如图3所示。正向电压建立回报信号试验波形如图4所示，负向电压建立回报信号试验波形如图5所示，正向过电压回报信号试验波形如图6所示。

图3 TVM参数测试接线图

图4 正向电压建立回报信号试验波形

图5 负向电压建立回报信号试验波形

图6 正向过电压回报信号试验波形

2016年8 月—10月，通过对运行中TVM板的正向电压建立回报信号、负向电压建立回报信号以及正向过电压回报信号现场进行4次检测，发现阀控EOC信号存在延迟现象，这就是导致TVM板与阀控VBE信号失配，造成换流阀多次分生换相失败和直流闭锁的主要原因。进一步研究发现，回报信号脉宽的改变是由于TVM板脉宽控制回路中X7R型电容的固有工作特性改变导致。

1.3 TVM板卡与阀控信号失配问题分析

从TVM板卡负向光回报脉冲工作原理分析引起光脉冲宽度发生变化的因素，测量分析其电路上的电阻、电容以及稳压二极管等主要元器件，逐一排查，最后发现电容容值会随测试频率的增大而减小，测量情况如表1所示[4]。

表1 1nF电容在不同测试频率下的电容容值

因而，初步判断TVM负电压回报脉宽减小可能是由电容容值变化而引起。

多层陶瓷片式电容（Multi-Layer Ceramic Capacitor，MLCC）由陶瓷介质、内电极以及外电极3部分组成。TVM板卡内使用的电容为标称1 nF的X7R型MLCC电容，其分类及特性如表2所示。

表2 MLCC电容分类及特性

X7R电容元件中填充的是钛酸钡（BaTiO3）陶瓷基料，其介电常数和介质损耗会受工作频率的影响，变化情况如图7。

图7 BaTiO3基料介电常数随频率变化情况

为进一步验证工作频率对电容容值和脉宽的影响，将换流站极Ⅱ-Y1和D4单阀上的8块TVM板拆下带回厂里测量了其相应晶闸管级的负电压回报脉宽[5]。其中，闭锁状态下为2.1～2.6μs，而解锁状态下为1.6～2.36 μs，测量结果如表3所示。

表3 部分新更换TVM板的回报脉宽测量结果

从测量结果来看，解锁状态下，大部分的TVM负向脉冲宽度均小于2 μs，即脉冲宽度减小。由于该换流站为逆变运行，主回路电压负向过零时，du/dt较高，TVM负向脉冲控制回路中电容的取能速度高于工频运行时的速度。因此，基于上述分析结果，判断电容是由于受到较高工作频率影响，电容值下降，从而导致负向脉冲宽度减小。

2 处理措施

为改善TVM板电容性能，将TVM板卡中的X7R型电容更改为性能更稳定的C0G型电容，性能如图8所示。

图8 电容容值随温度和工作时长的变化情况

TVM的电容更换为C0G型电容后，进行6项功能试验项目。一是负电压建立回报光脉冲宽度；二是负向电压建立电压值；三是正电压建立回报光脉冲宽度；四是正向电压建立电压值；五是正向过电压保护回报光脉冲宽度；六是正向过电压保护电压值。

新TVM板通过以上试验，电压检测和回报功能符合要求，因此将TVM板的脉宽控制回路中X7R型电容更换为C0G型电容，不会对TVM板的正常功能造成影响。新TVM板又经过高温老化试验，对TVM试品每级加1 500 V工频交流电压，于环境温度70 ℃连续进行4天高温试验，每隔6 h对TVM板的回报脉宽进行检测和记录。经过高温试验，新TVM板（C0G）回报脉宽的动态变化量远小于原TVM板（X7R）的变化量。加速老化试验前后，原TVM板由于电容有效容值下降，导致脉冲宽度缩短，与此前的测试结果相一致，而新TVM板的脉冲宽度则没有变化。

新TVM板再次经过直流背靠背系统运行试验，在换流站返修的TVM板中随机选取6块，安装于背靠背换流阀D5V1～D5V6级。在功率正、反送以及系统解闭锁状态下，分别测量TVM板的回报脉冲宽度。应用直流背靠背试验系统，可有效模拟工程中的实际工况，验证修复后TVM板的工作性能。换流阀解锁和闭锁状态下，TVM板回报信号脉宽的变化较小，皆符合阀控系统的检测要求。通过该项试验，已验证板卡修复方案的正确性和有效性，新TVM板能够满足该换流站VBE设备的接口要求。

后分两批将该换流站的YVM板更换为新TVM板（C0G），现场对更换后的TVM回报脉冲宽度进行测量，负电压建立回报脉冲宽度在2.3～2.6 μs，满足2～3 μs的宽度要求。经过一段时间的运行，EOC信号未出现延迟的现象，正常运行期间也未出现由于EOC信号延迟引起直流换相失败的问题。

3 结 论

逆变站的换流阀在运行期间，TVM板的X7R型电容由于受到较高工作频率影响，电容值下降，负向脉冲宽度减小，导致TVM板与阀控VBE信号失配，造成换流阀多次分生换相失败和直流闭锁。通过对TVM板测试，发现X7R电容在高频率下运行特性不稳定，将原TVM板的X7R型的电容更换为C0G型电容之后，通过功能（例行）试验、高温老化试验以及直流背靠背系统运行试验，证明将TVM板电容更换为C0G型电容的可行性，并将换流站全部TVM板返厂维修，更换为稳定C0G型电容。经过一段时间的运行，EOC信号未出现延迟的现象，成功解决了TVM板的问题引起直流换相失败，为类似直流工程的问题提供参考解决方案。