特高压直流换流阀TFM板发热原因分析及改造

2021-04-07李晨光

云南民族大学学报（自然科学版） 2021年2期

李晨光，范菁

(云南民族大学电气信息工程学院，云南昆明 650504)

特高压锦屏换流站是锦苏直流输电工程的送端站，电压等级± 800 kV，额定输送容量 7 200 MW，额定电流 4 500 A，其极1高、低端阀厅和极2高端阀厅换流阀由西电供货.锦屏换流站自2012年投运以来，曾发生一次TFM板发热着火事件，2次TFM板过热停运事件.随后，多次组织专家对西电TFM板过热原因进行分析和试验，确认均压电阻是导致过热的原因，经科学比选和试验，提出了在阻值不变的情况下，增大电阻体积的整改方案.该方案可以相应的增加均压电阻与空气的接触面积，使热量的辐射速率加快，同时由于均压电阻的体积增大，也可以减小均压电阻的温升系数，最终使电阻表面温度得到降低，从而彻底解决板卡发热问题，为锦屏站安全稳定运行排除了隐患.

1 西电TFM板发热故障分析

锦屏换流站自2012年12月12日投运以来，于2013年5月25日发生一次TFM板发热着火事件；于2016年7月17日、9月28日发生2次TFM板过热停运事件.

1.1 TFM板简介

TFM板(thyristor firing monitoring)，即晶闸管触发监测板，为换流站阀塔内重要的器件，它由9个功能模块组成(图1)：①均压及电压检测；②du/dt检测；③过电压保护；④供电；⑤取能；⑥门极脉冲放大器；⑦ 逻辑；⑧光接收；⑨光发射.作为接口，TFM板的主要功能是将阀基电子设备的信号进行光电转换，从而实现高、低压电路之间的光隔离，并对晶闸管进行触发、监测和保护.

图1 TFM 功能框图

1.2 西电TFM板结构缺陷

1.2.1 PCB板发热与电阻的关系

已有研究成果表明，埋入式电阻在PCB 板中是主要的无源器件发热源，在板中的位置不同，其温升不同，并对其邻近的器件有明显的温度影响，且埋入式电阻在 PCB 中的温升与其表面积、位置和PCB板的形状有很大关系，其关系式可表示为：Δt=βPS-α.

式中：α和β是与PCB板的热导率、电阻的形状、电阻在PCB板中的位置有关的常数；P为电阻的功率；S为电阻的表面积.

由上式可知，PCB 板的温升Δt与电阻的功率P成正比关系，与电阻表面积S成反比关系.在相同的功率下，电阻的表面积越大，温升越小；表面积越小，温升则越大.

1.2.2 西电TFM板结构设计缺陷

锦屏换流站西门子技术换流阀均压电阻设计思路与其它换流阀厂家不同，其它厂家均压电阻均安装在可控硅散热器上(例如许继换流阀)，利用金属良好的导热性能进行散热，因此散热效果较好，触发板运行温度均低于 60 ℃；而西门子技术路线换流阀均压电阻安装在TFM板上，主要依靠空气对流来进行散热，散热效果相对较差，TFM板运行温度一般保持在95-110 ℃ 的范围内(图2).

图2 西门子(左) 和许继(右)均压电阻位置对比图

1.3 TFM板温升试验

根据西电TFM板元件布局的特性及前述PCB板发热的理论分析，初步判断过热源为板卡上的均压电阻引起，为了验证判断的正确性，进行了模拟现场运行时元件温升试验(图3)，试验重点对TFM板上的均压电阻的温度进行测量，同时和其它元件在同一时刻下的温度进行对比，从而确定可能引发过热故障的根源所在.

图3 温升试验

试验对3级串联的TFM板施加电压，直至直流均压电阻表面温度到达 106 ℃，并对电路板上其它共8个温度检测点放置了温度传感器.检测点为对温度比较敏感的电压较高(如du/dt支路、BOD支路)和电流较高(如取能支路)的半导体器件及电容、均压电阻和其它元件的温度测量点如图4所示：

图4 板卡器件温度检测点布置图

在 2 500 VRMS 的试验电压下，运行 12 min，记录均压电阻R38和R40的温度，并根据厂家出具的允许温度值，计算其耐温裕度，结果如图5所示：

图5 均压电阻试验结果和耐温裕度表(环境温度为 24 ℃)

在 2 500 VRMS 的试验电压下，运行 60 min，测试除均压电阻外的其它测温点，记录温度，并根据厂家出具的允许温度值，计算其耐温裕度，结果如图6所示：

图6 其它器件温度测试结果和设计裕度表(环境温度 24 ℃)

经计算，PCB R38只有不到28%的耐温裕度，长期运行可能损坏PCB基材.

在模拟现场运行试验中，直流均压电阻的测试温度为 106 ℃，虽然对均压电阻自身的稳定运行影响不大，但确实是TFM板上最为明显的发热点.锦屏站TFM板发热停运事件时，红外测量的最高温度曾达到 158.7 ℃，可以确定为均压电阻引起.另外，均压电阻运行时的最高温度，超过了PCB基材的温度耐受范围，会加速基材损耗，造成焊接松动或过热起火等重大安全隐患.

2 TFM板改造

根据温升试验结果，考虑对TFM板上的均压电阻进行改造，从根本上降低TFM板上发热源的温度，以消除发热对换流阀安全稳定运行的隐患，改造主要为TFM板均压电阻换型；同时，介于西电TFM板运行时，局部温度过高，可能引发板卡着火，对板卡自身甚至邻近板卡造成严重影响，还增加了端子锁紧装置并加装阻燃板.

2.1 均压电阻换型

2.1.1 改造方案的原理性分析

介于西电TFM板上的均压电阻的散热方式为空气对流散热，因此，在阻值不变且功率相同的情况下，增大电阻的体积，一方面可以相应的增加与空气的接触面积，使热量的辐射速率加快，从而降低均压电阻表面的温度；另一方面，由于均压电阻的体积增大，也可以减小均压电阻的温升系数，使得电阻表面温度得到降低.

为了验证方案的正确性，通过试验观察体积大小对温升的影响，分别选取SSP52电阻样品(直径D= 8.2 mm,长度L=52.1 mm)与SSP70电阻样品(直径D=11 mm,长度L=70 mm)，在同一密闭箱环境中，2只电阻样品阻值均为 500 kΩ，对其施加相同的功率，待温度稳定后记录数据.

最终测量结果如图7所示(在室温下测量).

图7 不同电阻体积对运行温度的影响

经计算：

SSP52电阻的温升为：ΔT/P=22.3 ℃/W.

SSP70电阻的温升为：ΔT/P=16.3 ℃/W.

从试验结果及分析可以看出，SSP70电阻温升比SSP52电阻温升有明显减小，因此证明了在相同的功率和环境下，增大电阻体积可以有效降低温度.

2.1.2 改造方案的可行性分析

换流阀阀厅实际运行时情况复杂，理论分析并不足以说明方案的有效可行性，为了证明在实际工况下，换型后的均压电阻运行温度要更低，进行了换型TFM板和未换型TFM板的对比试验，模拟板卡在现场的环境温度、工作电压与触发角度下的温升情况：

试验将锦屏站两次因TFM板发热换下的板卡、均压电阻换型TFM板(一块均压电阻为蓝色、一块均压电阻为黑色)并联加压，使TFM板均压电阻温度依次达到 80 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃(以未换型TFM，热电偶测温方式为基准)，用红外测温仪和热电偶仪测量并记录TFM板上均压电阻温度(见图8).

图8 TMF板卡并联加压温升试验图

横向对比温度，观察换下TFM板有无异常温升，并验证均压电阻换型TFM板改进效果.试验结果如图9所示：

图9 TFM板卡温升图

由图对比分析可知，当原均压电阻温度到达 100 ℃ 时，换型均压电阻温度低约 20 ℃；同时，温度越高，两者温度差异越明显，运行过程中未发生任何异常.

因此，在实际运行中时，增大体积的换型均压电阻能有效减小均压电阻温升，并且能保证安全稳定运行.

2.2 TFM板加装端子锁紧装置

由于TFM板端子松动，加之TFM板高温运行时对电气绝缘性产生较大影响，锦屏站2013年5月25日发生过TFM板着火事件，为了防止类似的问题，设计并加装了端子锁紧装置，如图(10-12)所示.

图10 TFM板卡端子锁紧装置示意图

图11 TFM板卡端子锁紧装置实物图

图12 TFM板支架接线锁紧装置成品图(左边未安装，右边已安装)

锁紧装置功能：

1) 所有端子在正确的位置时，锁紧装置才能安装，从而保证了端子与发热部位保持一定距离，保证了端子处的连接可靠性不会因为元件过热而受到影响.

(2)所有端子被同时固定，因此不会因为外力作用使得单个端子发生脱落，防止了端子自身短路发热而引起类似的事故.

2.3 TFM板换型实施

2017年2月对极1低端YD-A相阀塔第二层30块TFM板进行了换型.旧板卡(橙色均压电阻)如图13左；新板卡(浅蓝色均压电阻)如图13右.将四只均压电阻换型为体积更大的电阻，但电阻值未变.

图13 新旧TFM板对比图

图14 新板卡安装到位

3 TFM板改造后效果分析

为了验证TFM板卡换型后，其运行情况得到显著的改善，在2017年2月更换板卡之后，对极1低端阀厅TFM板进行持续测温，并对YD-A相阀塔第2层TFM板(换型图15)、YD-B相阀塔第2层TFM板(未换图16)的测温数据进行了对比分析(图中双极功率单位均为100 MW).

图15 YD-A第2层TFM板温升图(换型)

图16 YD-B第二层TFM板温升图(未换)

YD-A第2层(换型)

根据图中趋势，TFM板温度有一定波动，总体稳定在70℃以内，阀厅环境温度随运行时长而增加，功率到最高时TFM板最高达 69.8 ℃，功率下降后，TFM板温度也随之降低一些.

YD-B第2层(未换)

根据图中趋势，TFM板温度有一定波动，总体稳定在 100 ℃ 以内，阀厅环境温度随运行时长而增加，功率到最高时TFM板最高达 99.1 ℃，功率下降后，TFM板温度也随之降低一些.

由测温数据对比可发现，在相同运行功率下，换型后的TFM板，较未换型的TFM板温度下降约 30 ℃，可见，改造后降温效果明显.因此，2017年4月对极1低端剩余TFM板进行了换型，2018年3月完成极2高端TFM板换型，5月完成极1高端TFM板换型，至此，锦屏站西电供货的 2 160 块TFM板全部完成了改造换型.

下表为2015年至2018年迎峰度夏期间双极功率、TFM板故障数及温度、阀厅温度统计表：