特高压直流换流阀异常导通原因分析及对策

金明辉，张 一

（国网河南省电力公司 直流运检分公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

特高压直流换流阀在单极由备用状态转闭锁过程中，如果出现换流阀的异常导通问题就会直接影响到换流站的稳定运行。为了能够更好地处理换流阀的异常导通问题，需要分析换流阀的相关组件与结构。根据研究，换流阀晶闸管能够影响到换流阀的导通，对此本文着重分析特高压直流换流阀异常导通问题。

1 换流阀的拓扑结构

常规直流换流站的换流阀以晶闸管作为核心器件，采用模块化多级结构，根据可控硅换流阀的组成和功能，将其直接分为主电路、触发和监控系统、冷却系统以及机械和绝缘结构等部分。

1.1 主电路

换流阀主电路如图1所示，主要由晶闸管、吸收电路以及均压电阻等部分构成。每个换流阀中都存在着数十个或者百个晶闸管，其中均压吸收电路的形式多种多样，而主电路的构造趋势目前是尽量采用最少的电气元件来满足设计和生产要求，并逐渐变成一种工业标准，从而保证高可靠性和低损耗。

图1 换流阀主电路图

1.2 触发和监控系统

如图2所示的晶闸管控制单元具有对晶闸管进行触发、监视以及向阀控设备反馈的功能。由晶闸管控制单元接收阀控设备触发脉冲，转换成电信号控制晶闸管触发[1]。

图2 晶闸管控制单元

1.3 冷却系统

换流阀在运行中产生的损耗转化为热能，会导致元器件的温度逐步升高。在这种情况下，冷却系统需要具备相应的散热能力，使得元器件处于正常工作温度范围之内。目前，常规的冷却方式为去离子水，而为保证冷却系统具有较高的可靠性，冷却系统为冗余配置。换流阀冷却系统如图3所示。

图3 换流阀冷却系统

1.4 机械和绝缘结构

换流阀的机械和绝缘结构由模块框架、绝缘子以及屏蔽罩等安装而成，有支持式和悬挂式两种。阀塔采用玻璃纤维增强树脂绝缘螺杆作为阀结构的内部悬吊件[2]。保护阀塔光纤束的光纤槽由SMC材料压制而成，与绝缘螺杆、阀塔悬挂、支撑绝缘子、光纤表皮等材料均满足UL94-V0级阻燃要求。在光纤槽分段处，使用防火包沿光缆放置在光纤槽中。防火包放置在每个光纤槽的底部，可以有效阻止火势蔓延。机械和绝缘结构如图4所示。

图4 机械和绝缘结构

2 换流阀主电路基本情况

阀组件是换流阀的核心部分，电气回路如图5所示。

图5 阀组件电气回路

相关研究表明，电子元器件的寿命大多数呈现一种指数分布的趋势，晶闸管故障发生的原因跟温度和晶闸管承受电压应力的函数都有一定关系，而换流阀晶闸管温度和电压应力都是不断变化的，主要表现在以下几个层面[3]。

一是系统内各种开关动作、故障等引起的电压变化和系统外雷电侵入等引起的电压变化。该种情况引起的电压变化较大，但实际所确定的时间并不长，经常会出现一些潜在的风险点，需要被有效处理掉。

二是冗余元器件损坏，导致其余元器件电压应力增加。对该种情况进行分析和考虑，但由于缺乏相应可靠度参数，无法进行详细计算[4]。同时，换流阀的主电路在参数不确定的情况下潜在一些安全隐患，不可随意更改。

三是在故障率和冗余数相同的情况下，冗余数值小的系统使用时间往往更长，所使用的额定高压晶闸管可靠性更高[5]。

四是若想提高晶闸管耐压水平，硅晶片的厚度和电阻率也要随着提高，此时晶闸管的通态压降和通态损耗也会升高[6]。在设计过程中，要保证晶闸管通态电压和恢复电荷平衡，使得整体的损耗量得到降低。

3 阀控系统设备内容

阀控系统设备内容如图6所示，豫南站阀控制单元是阀控CCP和晶闸管控制单元的接口，它将来自CCP阀控主机的触发控制脉冲，转换为触发相连阀上单个晶闸管的触发脉冲，向阀塔中的TCE发送晶闸管触发信号，收集TCE反馈的晶闸管状态信息并向CCP主机发送FP阀控触发反馈信号，监视避雷器动作和阀塔漏水情况等，实现对换流阀的控制与状态检测。

图6 阀控系统设备内容图

VCE阀控系统主要设备包括电源系统、FCK机箱、光纤及晶闸管监视单元等。VCE柜的电源采用冗余设计，VCE阀控系统的直流电源带有辅助接点，辅助接点能够监视电源的工作状态，采用常开接点[7]。VCE阀控系统将电源的辅助接点引入FCK221阀控接口装置，当其中一路电源发生故障时，FCK221机箱通过通信方式发送电源故障事件到后台监视系统。

在控制系统“换流阀充电”信号有效、“解锁”信号有效，阀控系统处于解锁模式，该模式下主动系统控制VCE到阀的脉冲发送，根据晶闸管触发控制信号CP实现晶闸管触发控制和阀控系统触发功能。

4 案例分析

2018年7月14日以及2019年5月18日、21日、27日，广东天广直流线路发生了4次换流阀误导通事件，4次事件换流阀异常导通均是发生在直流极1由备用状态操作至闭锁状态过程中。事件发生后，针对换流阀出现异常误导通的可能性，从极控系统和阀厅温湿度等方面开展研究找出导致换流阀出现异常误导通的根本原因。异常导通时所有直流电流测量点电流基本一致，且与天生桥站阀侧交流线电流包络线一致，故判断测量系统无故障，异常导通的故障状态真实存在。

阀基电子设备（Valve Based Electronic Equipment，VBE）由6个晶闸管控制电容器（Thyristor Control Capacitor，TCC）、1个国产可控硅监视、1个电源单元及相关继电器组成[8]。主要功能为接收极控触发信号，同步触发每个阀内各晶闸管，监视阀及相应TE板的运行，并与TE板进行信息交换，监测阀避雷器。晶闸管控制单元模块可接收来自极控的触发信号，触发晶闸管，实现与TE板通信，监视晶闸管级的运行状态。换流阀作为将交流电转换为直流电的核心元件，对运行环境的要求非常严格，不仅对运行的环境温度和湿度有严格说明，且阀厅的洁净度对换流阀及其附属控制单元影响十分巨大[9]。在此次停电检修期间，换流站内均为阴雨天气，空气湿度比较大，加上检修过程中需要多次开启阀厅大门，致使外面粉尘大量进入阀厅，阀厅空气环境恶化，不满足运行环境的要求，造成BTC回路动作电压降低，以至于在换流变充电过程中出现换流阀误导通现象。

5 处理措施

为了能够较好地处理换流阀异常导通的问题，将空气湿度降低在60%以下，并且确保双极换流阀能够一次性充电成功，在复电的过程中可以有效地减小换流阀异常导通的问题[10]。

6 结 论

本文探讨了关于直流输电系统中特高压直流换流阀异常导通的问题。在经过全面分析可知，明确各项因素对换流阀异常导通现象的影响极为重要。为了提高换流阀运行状态的稳定性，要对设备元器件进行有机保养，加强对湿度的控制，以确保换流阀的运行效果正常。