高压直流输电换流阀TCU单元故障测试方法研究

杨厚建

（苏州中材建设有限公司，江苏 苏州 215300）

研究发现，换流阀作用显著，是输电工程的核心，应用领域比较广泛。在现实应用中，换流阀想要发挥作用，需要多个核心构件密切配合，其中TCU单元最为关键。作为重要的控制单元，TCU单元运行质量，将决定着换流阀整体性能和功能发挥。为了确保换流阀性能稳定，加强TCU单元故障测试是较为稳妥、可行的方法，不容忽视。

1 TCU单元故障测试的技术原理

目前，在科技的引领下，基于TCU结构的具有优化性质的晶闸管换流阀使用价值逐年提升，功效越来越显著，在输电工程中（本文重点论述的是高压直流输电）地位提升，得到广泛应用。通过研究发现，换流阀作用显著，在整体工作中是高压直流输电系统优质保障的核心设备，在整个控制环节，TCU作为控制单元（最基础的），不容忽视，起着重要支撑作用，其可靠性直接决定系统运行平稳度，应该高度重视。通过研究发现，电力电子器件性能至关重要，属于弱电器件，具有弱电器件特征，其耐压能力较低，与此同时兼具高负载运行的性能，但实际的整体表现较差。在现实工作中，换流阀回检信号丢失情况需要充分考虑，一般情况下，信号丢失数目大于7就应引起关注。除此之外，若保护性触发信号数目在整个流程中大于8，直流闭锁可能性将提升，这是总结实操经验得出的，所以换流阀回检信号丢失程度是重要的参考。通过实际应用发现，换流阀众多元件中，TCU控制单元是基础保障，起到支撑的作用，在该控制单元影响作用期间，一旦出现IP丢失或者又发生了严重的IP震荡，需要高度警惕。因为不出意外，将会导致保护性触发发生。结合现实工作可知，上述种种现象的发生，会影响系统服役时的状态，导致输电系统有隐患存在。针对这种异常现象，此时需要提供非常专业的TCU控制单元测试，只有科学完成专项测试，才能顺利找出异常的根源，借此将隐患消除。从现状了解到，国内还没有专门重点围绕TCU控制单元打造的测试系统，基于此，寻求一种有效、稳妥的测试方法，是当前首要任务，工程应用十分迫切[1]。在这样的前提下，本文将结合实际，借助先进测试理念，根据TCU控制单元整体表现，从不同侧面、层次、角度呈现出电气结构，在技术的加持下，细致剖析其工作原理。在此基础上，设计测试电路。现实表明，借助这样可行措施，发现储能回路故障。经实践证实，储能回路故障影响较大，将导致TCU控制单元整体出现功能失效情况，甚至频繁出现IP丢失，这些均属于故障主要根源。通过上述检验方法，可有效验证TCU工作性能，保障其有效性。

2 TCU控制单元结构分析

想要优化TCU控制单元测试方法，首先需了解TCU控制单元结构，在此基础上对测试方法优化设计，才能保证设计方法的合理性。TCU控制单元构成以及运维情况较复杂，存在多个构件和晶闸管，每个晶闸管都至关重要，均有显著作用，缺一不可。具体的作用是可携带晶闸管控制单元（也就是TCU），通过这样的结构设计，实现控制和保护。通过细致研究发现，TCU位于散热器上，而该散热器的位置较为关键，处于晶闸管阴极侧，这也体现出了TCU的重要性。同时，在设计期间，TCU被封装在一个空间独立且高度封闭的金属壳内，这样的放置是为了保护电子器件在正常服役期间，免受电磁干扰影响，在有效措施保护下，确保其主要功能发挥[2]。主体结构如图1所示。

在现实使用中，可以发现TCU主要功能较为突出，是触发和监控晶闸管的关键，另外还要凭借其触发命令，在工作期间正确传递监控信号。但需要注意的是，完成关键信息输送，还需要在光纤传输辅助下。除了保护触发之外，TCU控制单元的存在，还可以反向恢复触发电路，优势非常突出。在现实应用阶段，其本身所有效携带的功能（控制保护功能）想要发挥作用，需综合多种有利条件，然后通过电子元件实现。此外，TCU的供电集作用鲜明，在均压电路中，起着非常关键的作用。从图1可以看出，TCU功能发挥时主要是借助C3、R3通道，从晶闸管两端的电压（重要位置电压）获取电源，在安全运行机制保障下，使得换流阀无限制、无延时地运行（在无限制条件下），一旦储能就可不受限属于重要特征，也是较核心的保障。在此阶段，TCU会有回报脉冲（IP）生成，这一现象发生后可以从不同侧面说明，晶闸管处于临界状态。在具体操作中，若回报脉冲持续、平稳被阀控单元（VCU）接收，那么就意味着晶闸管状态稳定，处于可触发状态。与此同时，若此时VCU也不同程度接收到触发信号（CP），该CP主要来自极控，则VCU会本能发送触发脉冲，并将该脉冲送至TCU，完成一系列操作后，晶闸管将导通。在整个环节中，一旦有一处存在疏漏，晶闸管都将无法导通。同时还需要特别强调的是，在换流阀晶闸管开始作业期间，需要承受较强的且高度平稳的换流变阀侧电压，经论证得出，可以将该电压性质归类到工频交流电压中[3]。在本次测试中，测试线路拓扑结构如图2所示。

图1 TCU控制单元主体结构

图2 测试线路拓扑结构

3 TCU单元故障测试方法实践

3.1 IP信号检查

通过前文分析可知，TCU单元故障影响较大，会接连出现IP丢失或者是严重的IP震荡，同时导致保护性触发等。所以IP信号检查较关键，是基础性工作，不容忽视。如果IP信号检查出现问题，就可以判定TCU单元故障。通过依据IP信号的不同表现，可以对TCU单元故障进行评估，借此保障控制单元应用水平。在IP信号检查中，需要考虑的内容较多。为了保障效果，需选取工程故障TCU板卡，该故障TCU板卡较为特殊，IP丢失能自动复归。

3.2 测试结果分析

3.2.1 工程备品TCU性能分析

研究发现，因TCU板卡构造特殊，在应用中注意事项较多，通过剖析其结构发现，该结构中含有电子元器件，例如：二极管等。故在现实应用中，TCU板卡YN接线端至关重要，呈现出的是交流波形。基于这样的特性，需高度重视交流波形形态，将其作为重要依据。为了保证测试效果，在测试前，需对工程备品TCU性能综合分析，掌握参数、状态等，确保测试效果理想。

3.2.2 故障TCU控制单元性能分析

通过对比试验发现，11 V储能回路的状态较难把握，轨迹较为自由，在现实应用中，储能自保持现象很难见到，发生概率低。除此之外，在TCU板卡YN接线端（关键端口）建立后，可以发现22 V储能电路（重要电路）储能过程仍未完成，储能滞缓严重。通过观察波形图可以发现，在科学的波形周期内，始终难以保障较高效率，可以看到TCU板卡性能降低，反应变慢。在此前提下，始终无法发出脉冲，导致IP信号脉冲接收失败，这是试验电源提供电压的主要特征，需高度重视[4]。TCU控制单元性能分析中，需要注意的事项较多，因故障TCU板卡特殊，本身的自动复归特性较突出，所以在现实应用中，如果测试电压未发生作用，可以提高试验电压，将其调整到2 kV，在此前提下继续完成观察。通过观察卡板波形图可以知道，随着试验电压的提高，会促使电压幅值提升，并出现逐渐提高的趋势，但在实际应用中，22 V储能回路的电压对应的建立速度（也可以称其为储能速度），在服役期间仍具有延迟现象。正是因为如此，当能量瞬时到达预期，接近理想设定的电压值后，在无限制条件下，会有IP信号脉冲发出（主要由卡板发出）。在实际应用中，当22 V储能电压波形达到某种峰值高度，就会在压力差作用下较大程度释放，在这样的情况下，想要从外部电压中较为稳定地吸收能量，难度将会较大。但IP信号脉冲发出后，在某种机制保护下，储能回路可以开启自保护功能，确保换流阀持续发挥效应。

3.2.3 电子元器件性能检查

在现实工作中，还需要完成电子元器件性能检查，借此综合评估电子元器件工作状态，通过观察TCU板卡内的构件配合程度，掌握TCU板卡性能，在此基础上找出22 V储能回路异常的根本性原因，从源头加以规避和解决。借助红外测温图可知，在系统运行期间，稳压二极管的温度是重要指标，如果已达到60℃，此时可以完全证明稳压二极管性能不稳，处于异常工作状态。在具体操作中，当更换位于故障TCU板卡上的重要部件稳压二极管后，按照规范操作要求，可重新加压试验，在此基础上，获得清晰的波形图。实践表明，更换电子元器件后，需要深度了解工作波形实际情况（故障TCU板卡的），在有效措施保障下，确保其与工程备品工作波形高度匹配，借此证明TCU板卡的运行状态与故障形成机理。通过深入了解发现，形成该故障的原因是，在系统应用期间，出现了三极管损坏的特殊问题，造成稳压二极管状态不佳，长期处于异常状态，由此严重影响了储能特性，造成了储能特性的降低（这里特指储能回路的储能特性）。结合实际电路图可知，在具体工作中，需要让三极管与稳压二极管始终保持连接状态，同时与22 V储能回路并联。只有满足上述条件，才能开展有效的测试。在试验过程中，为了确保试验精准，得到可靠信息数据，需要严格控制22 V储能回路的电压，只有确保实际电压长期低于60 V，后续的应用效果才会理想。具体来说，就是三级管的工作电压，始终保持在极限电压（60 V）以下。基于这样的前提，造成IP丢失或者发生严重保护性触发告警，最直接的诱因，就是TCU控制单元内出现了严重的三极管质量不良问题，造成了三极管严重损坏。

通过细致分析波形图可以发现，在实践环节22 V储能电压建立，需要满足特定条件，整个过程相对缓慢，同时存在较严重的IP信号紊乱情况。经过对比可知，在应用期间，当单阀性能不稳，承受较大正向电压，在被动情况下发生导通时，需要综合考量多项因素，以免电路出现隐患[5]。结合实际情况可知，故障TCU板卡在高效完成储能电压建立阶段，流程是比较慢的，整体节奏较缓。故在单阀内，需要保证其他正常晶闸管持续发挥功能，在晶闸管陆续开通后，需要注意条件改变，通过观察可以看到，在此期间的故障晶闸管形态改变，承受的正向电压在没有限制情况下会不断攀升，导致其压力越来越大。当压力持续增长，达到保护性触发水平时，需要借助监控后台监控IP丢失情况以及保护性触发的故障表象，借此采取有效应对策略。

通过上述分析可知，换流阀作用显著，在整体工作中是高压直流输电系统优质保障的核心设备，在整个控制环节，TCU作为控制单元（最基础的），支撑和保障作用较强，其可靠性直接决定系统运行平稳度，应该高度重视。在现实工作中，换流阀回检信号丢失情况需要充分考虑，一般情况下，信号丢失数目大于7就应引起关注。通过研究发现，电力电子器件性能至关重要，属于弱电器件，具有弱电器件特征，其耐压能力较低，与此同时兼具高负载运行的性能，但实际的整体表现较差。TCU控制单元应用，需要依托科学测试手段作为保障，借此优化TCU控制单元性能，提高其整体应用水平。

4 结束语

随着科技进步，换流阀的使用频次不断增长，换流阀的性能受到关注。特别是在高压直流输电体系中，换流阀的作用显著。而关乎换流阀综合性能的指标众多，其中TCU控制单元较为关键。为了维持TCU控制单元较为稳定的状态，降低其故障发生率，需要借助故障测试，持续优化TCU控制单元的性能，确保系统整体效率达标。本文主要借助剖析换流阀TCU控制单元运行机制，研究其系统结构，设计出了性能完备的，主要对象是TCU控制单元的高品质测试电路，同时也增加了测试方法的可行性，在此基础上，将其应用于TCU检测，取得的效果较为理想。通过实践证明，全新的测试电路适应性有所提升，可以从源头成功将故障定位，并细致分析出故障原因。针对限幅三极管（TCU内部的）精准完成测试，掌握其整体性能。通过测试表明，在正式工作中，该测试电路应用效率高，使用性能稳定，搭配的测试方式较合理，可极大程度贴合工程应用需求。在该测试方法保障下，高压直流输电工程的科学投建可以顺畅完成，并确保输电工程后期运行及检修达到质量要求。