柔性直流背靠背换流站子模块炸裂故障分析

彭雨田，宋 宇，陈海健，向官腾，曾令雄

（国网湖北省电力有限公司直流公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

渝鄂±420 kV 柔性直流背靠背工程是目前国内电压等级最高、容量最大的柔性直流背靠背联网工程，该工程主要由施州换流站（南通道）和宜昌换流站（北通道）这两个柔性直流背靠背换流站组成。通过柔性直流背靠背输电系统连接西南和华中电网，渝鄂背靠背工程可大幅提高西南电网与华中电网间的互济能力，促进西南地区清洁能源的大规模外送［1-11］。该工程的运行工况、故障原因分析及整改策略对柔性直流背靠背系统的发展提供了宝贵的数据和运维经验［12-20］。

子模块作为柔性直流换流站的核心电气元件，其正常运行对保证高压直流系统的安全稳定至关重要。在实际运行中，子模块故障时有发生，子模块故障原因及数量通常会对直流系统造成一定影响［21-22］。目前换流阀子模块故障的案例中，大多数原因是由于板卡、取能电源或通信回路出现问题而导致子模块故障，例如中控板故障、T11 驱动故障、15 V 电源异常、下行通信故障、欠压故障等，上述故障均能够使子模块故障从而进一步触发旁路开关合上，使子模块旁路。本文介绍了渝鄂柔性直流背靠背工程中的南通道施州换流站年度检修送电后发生的一起由子模块上行通信故障导致子模块炸裂的故障案例，为子模块的运维提供了新的思路。

1 柔性直流系统子模块工作原理

施州换流站单元Ⅰ子模块峰值正向电流为3 kA，绝缘电压为6 kV。子模块主要包含IGBT、均压电阻、旁路开关、旁路晶闸管、直流电容，以及辅助电源及控制板。子模块结构分为电子单元和电容2 部分，子模块的开关器件及控制板等都在电子单元中，可以独立安装和更换［23］，子模块工作电路如图1所示。

子模块运行时，依靠阀控系统下发的指令控制上下管IGBT 的通断，使端口a、b 之间的输出电平Uab为UC或0，子模块运行状态与输出电压的关系见表1。

表1 子模块输出电平与运行状态关系Table 1 Relationship between output level and running status of submodule

MMC中每相有上、下两桥臂，不考虑冗余，每个桥臂设有N个SM，每相有2N个SM，则有2N个SM 在“投入”和“切除”状态切换，从而使相应桥臂中点输出电压阶梯波。施州换流站额定输送功率为2 500 MW，所选用的子模块额定电压Uc=1 680 V，直流母线电压UdC=2×420 kV，直流电压和交流电压共同决定了每个桥臂的子模块数量［24］，每个桥臂子模块数量应不少于m。

式（1）中，Uac为交流电压峰值，在柔直系统Uac=Udc/2，代入计算可得m为500，加上每个桥臂配置有40 个冗余，故每个桥臂的子模块数量合计540 个。施州站共有2个单元，每个单元整流侧及逆变侧合计12个桥臂，故全站共配置子模块12 960个。

2 故障概述

2021 年12 月06 日16：28：56，施州换流站OWS 发“单元I渝侧A相下桥臂2号阀塔2层2号组件2号子模块故障”，2 s 后阀厅紫外探测器告警，在接下来的22 min 内，相继报出“A 相下桥臂2 号阀塔漏水一级报警”，“A 相下桥臂2 号阀塔漏水二级报警”及7 个子模块故障告警。通过阀厅工业视频检查发现单元I渝侧A相下桥臂2号阀塔底部盛水盘内有大量积水，17：01，现场运维人员向国家电力调度通信中心申请将单元1手动闭锁，并停运转检修，该故障导致了施州直流单元Ⅰ非正常停运，现场OWS报警情况详见图2。

图2 现场OWS事件报文Fig.2 Onsite OWS event log

3 现场检查情况

对现场一次设备检查发现单元I 渝侧A 相下桥臂2号阀塔2层2号组件2号子模块（223号）炸裂，散热器水管外力破坏，严重漏水，现场阀塔底部积水盘内存在大量积水和IGBT 内部填充胶质残渣。进一步检查发现其散热器水管外力破坏，严重漏水，上管IGBT 外壳以及内部填充胶质已消失，仅剩底部基板及芯片，下管IGBT外壳及驱动也已碎裂四溅，高压电源及SCE板未见明显损伤，具体见图3。223 号子模块右侧相邻的224 号模块外壳存在一定量IGBT 炸裂残留物和水迹，另外还有6个相邻子模块故障受损。

图3 子模块现场检查情况Fig.3 Field check of submodule

对阀控后台进行检查，观察故障时子模块录波情况，发现223号故障子模块电压维持在1.377 V，其相邻的224 号子模块电压则由约1 720 V 陡降至104 V，电压变化曲线如图4所示。

图4 子模块电压波形图Fig.4 Voltage waveform of submodule

223 号及其相邻的224 号子模块的后台状态量也同时发生了相应变化［25-26］，具体如表2所示。

表2 子模块状态编码变化及其含义Table 2 Submodule state code changes and their meanings

4 故障原因分析

结合现场检查情况、电压波形及状态编码变化进行综合分析，223 号子模块电压在故障前后保持为1.377 V，状态编码513 指示其在炸裂发生前已出现上行通信故障［27］。炸裂发生后状态编码21837指示其已出现上行通信故障、驱动故障及电源故障。由于上行通信故障导致电压信号无法上送至阀控后台，故障录波电压不能准确反映真实电压情况。224号子模块在炸裂发生瞬间，电压由1 720 V陡降至104 V，其状态编码也同时发生了3 次变化，由无故障变为T11 驱动故障，同时被旁路，现场检查发现其外壳及直流电容等部件存在外力破坏痕迹。通过查看OWS 事件记录发现223号子模块在单元Ⅰ由冷备转为热备的不控充电过程中便已发故障告警，状态编码513 指示其出现上行通信故障，导致该子模块不可控，旁路开关无法合闸将其旁路，即该子模块已变为“黑模块”。

炸裂发生后，现场立即根据调度指令将施州直流单元Ⅰ转至检修状态，检修人员及厂家随即对相关故障子模块及水管进行了更换处理。为进一步查明子模块炸裂的根本原因，将223 号炸裂子模块返厂进行检查，发现该子模块驱动板整体烧损严重，有源钳位TVS管已烧穿，中控板除阀控通讯外壳翘起外，各功能正常，熔丝板缺少1 颗熔丝，连线受力脱落，端子受力倾斜，旁路开关外壳烧损，但X 光触头正常，分合功能正常，其接线检查情况如图5所示。

图5 子模块接线检查情况Fig.5 Inspection of submodule cables

高压电源220 V GND 输出接线松动虚接，导致本模块无法上电，确定本次导致该子模块变“黑模块”的原因是由于高压电源220 V GND 输出接线松动虚接，接线松动断开后，由于相邻模块交叉冗余电源与本模块电源输出线共用，导致该模块自身电源和交叉冗余供电电源均无法为223号子模块供电，造成“黑模块”。电源回路故障情况详见图6。

图6 子模块电源回路故障示意图Fig.6 Schematic diagram of submodule power supply circuit failure

223号子模块中控板无法供电，阀控下发投切指令该模块无法执行，导致其只能充电无法放电，直到电压达到驱动板下管有源钳位电压（约3 000 V），下管IGBT在有源钳位作用下导通，电容电压全部施加在上管IGBT，同时子模块电容电压被钳位在有源钳位动作值附近［28］。当IGBT两端电压达到有源钳位TVS管动作值，TVS管漏电流给IGBT门极电容充电，直至触发IGBT导通。若上管IGBT有源钳位值低于下管动作值，上管导通，造成上下管直通损坏，具体动作过程见图7。

图7 上管有源钳位值低于下管时动作示意图Fig.7 Action diagram when the active clamp value of upper tube is lower than that of lower tube

若上管IGBT有源钳位值高于下管动作值，在小电流情况下，TVS 管频繁触发下管IGBT 旁路子模块；在大电流情况下，由于TVS管产生的门极触发电压仅5 V左右，IGBT 在门极电压较低时通流能力较弱，达到退饱和状态，下管IGBT 持续发热直至损坏。高电压下，下管IGBT 损坏击穿瞬间导致上管二极管反向恢复电流超出安全工作区，造成上下管直通损坏，具体过程见图8。

图8 上管有源钳位值高于下管时动作示意图Fig.8 Action diagram when the active clamp value of upper tube is greater than that of lower tube

223号子模块在单元Ⅰ由冷备转为热备的不控充电过程中发生上行通信故障转为“黑模块”，导致其不可控，旁路开关无法合闸将其旁路［29］。解锁后，该子模块持续充电无法放电，在有源钳位的功能下，下管持续非正常导通发热损坏，最终引起了上、下管瞬时直通放电，导致子模块炸裂，散热器水管外力破坏，严重漏水，致使其相邻的224号子模块故障旁路。

5 改进建议

1）组织反措。柔性直流换流站在不控充电阶段时，当监控系统报“子模块故障”告警时，应立即查看阀控系统监视后台及内置故障录波判断子模块故障类型［30］，若子模块故障类型为“上行通讯故障”，则该子模块为“黑模块”，当出现“黑模块”时，直流系统禁止解锁。

2）技术反措。通过软件修改实现柔性直流换流站不控充电期间子模块上行通信故障禁止直流系统解锁［31］，同时实现“黑模块”故障告警，提醒现场运维人员及时采取措施。

6 结语

本次子模块故障炸裂是“黑模块”引起的持续充电导致，“黑模块”出现后，若直接解锁，可能导致子模块及其附属设备损坏或直流闭锁。针对背靠背柔性直流换流站“黑模块”引起的子模块炸裂问题，提出了相应的改进建议。本文所做工作对背靠背柔性直流系统不控充电期间子模块上行通信故障发生后的故障处置具有较好的借鉴意义，为子模块运维工作提供了新的思路。