换流阀EOC信号延迟原因分析及解决措施

苏云东

（云南电网有限责任公司文山供电局，云南 文山 663000）

0 前言

换流阀电流过零信号简称EOC（Extinction Of Current）。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（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，就会导致换相失败，严重的将发生直流闭锁。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、26日，由于电流过零故障曾引发直流闭锁。本文就针对换流阀TVM板的问题引起EOC信号延迟的原因进行分析，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

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，TVM原理框图如图1。

图1 TVM原理框图

每个晶闸管级有一块TVM板，保证串联的晶闸管之间的直流电压分布均匀，同时从以下几个方面来监控光触发晶闸管两端的电压：

1）检测晶闸管的阻断能力；

2）检查晶闸管是否可以触发导通（建立正向电压）；

3）检查晶闸管电流过零（建立负向电压）；

4）检查晶闸管是否由内部的正向过电压保护触发导通（BOD）。

TVM与阻尼电路并联连接。因此电流通过阻尼电路时不通过TVM板。TVM不包括任何集成逻辑器件，电磁兼容性强。

阀运行中，由阀上每个晶闸管级的TVM板在线监测晶闸管两端的电压，产生相关的回检信号，TVM产生的回检信号如图2。

图2 TVM产生的回检信号

当晶闸管两端的电压达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；当晶闸管两端电压达-150~-170 V时，TVM会发送2 μs宽的负电压建立回报信号；如果监测到晶闸管两端电压达6500~7500 V时，TVM会发送12 μs宽的BOD动作回报信号。

该换流站的TVM板设计回报信号参数如下：

1）正电压建立回报信号光脉冲宽度：6~8 μs，发送回报光脉冲时，晶闸管两端的电压：130±20 V；

2）负电压建立回报信号光脉冲宽度：2~3 μs，发送回报光脉冲时，晶闸管两端的电压：-160±20 V；

3）正向过电压回报信号光脉冲宽度：12~15 μs，发送回报光脉冲时，晶闸管两端的电压：7200±300 V。

1.2 TVM的参数测试方法

将交流可调电源电压调制到Us=1500 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。

图3 TVM参数测试接线图

其测试结果如图4、图5、图6所示。

图4 正向电压建立回报信号试验波形图

图5 负向电压建立回报信号试验波形图

图6 正向过电压回报信号试验波形图

2016年8月-10月，通过对运行中的TVM板的正向电压建立回报信号、负向电压建立回报信号、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，回报脉宽的改变是由于TVM脉宽控制回路中的X7R型电容的固有工作特性导致。

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上，分析引起光脉冲宽度发生变化的因素，对其电路上电阻，电容，稳压二极管等主要元器件进行测量和分析，逐一排查，最后发现电容容值会随测试频率的增大而减小。测量情况见表1所示。

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。

多层陶瓷电容（Multi-Layer Ceramic Capacitor，MLCC）是由陶瓷介质层和内电极相互交叠烧制而成的片式电容元件，其结构主要包括：陶瓷介质、内电极和外电极3部分。TVM板卡内使用的电容为标称1nF的X7R型MLCC电容。其MLCC电容分类及特性如表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。其变化情况如图7。

图7 BaTiO3基料介电常数和X7R电容容值 随频率的变化情况

为进一步验证工作频率对电容容值和脉宽的影响，2016年10月，将换流站极II-Y1和D4单阀上的TVM板拆下带回厂里测量了相应晶闸管级的负电压回报脉宽。其中，闭锁状态下为2.1~2.6 μs，而解锁状态下为1.6~2.18 μs。其测量结果如表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情况。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。其性能如图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，进行如下功能（例行）试验：

1）负电压建立回报光脉冲宽度；

2）负向电压建立电压值；

3）正电压建立回报光脉冲宽度；

4）正向电压建立电压值；

5）正向过电压保护回报光脉冲宽度；

6）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试品每级施加1500 V peak工频交流电压，于环境温度70℃进行96 h连续高温运行试验，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，导致脉宽缩短，同此前现场测试结果相一致，而新TVM板的脉宽则几乎无变化。

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板中随机抽取6块，安装于背靠背阀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和有效性，新TVM板能够满足该换流站VBE设备的接口要求。

2017年，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之间，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 结束语

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，从而导致负向脉冲宽度减小，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型电容更换为C0G型电容后，通过功能（例行）试验、高温老化试验、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板反厂维修，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。