高壓直流可控硅觸發阻尼研究范文

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摘要：

葛南直流輸電工程采用的是BBC高壓直流技術，隨著設備國產化與改造，原有的實驗儀器已經不能滿足需要，本文針對葛洲壩換流站改造后的閥控及閥本體設備所使用的新式可控硅實驗研發進行闡述，通過該研究換流閥的工作原理及結構特點設計適合本站使用的試驗儀器，介紹該儀器的結構特點，為相關的試驗研究起到拋磚引玉的作用。

關鍵詞：

高壓直流；閥控系統；可控硅；測試儀

在葛南直流輸電工程是國內第一個500kV直流輸電工程，相關設備是由BBC公司生產。1986年投入使用至今已運行近三十周年。由于葛洲壩換流站閥塔經過多次改造，可控硅已經跟換為株洲南車生產，閥控系統更換為許繼生產。雖然閥結構未變，但原有試驗儀已經無法使用[1-4]。

1葛洲壩換流站閥工作原理

葛洲壩換流站的換流器所采用的可控硅換流閥是由瑞士原BBC和德國西門子公司制造的水冷，空氣絕緣換流閥。組成閥的可控硅型號為CS1104。換流閥為懸掛式四重結構[5]。是由12個單閥串并聯組成的，在每個橋壁上有120個可控硅元件構成。每個四重閥有四個閥臂，其中兩個與換流變壓器Y繞組相連，兩個與換流變壓器D繞組相連，這種連接方式可以減小波紋系數。換流閥的結構如圖1.1所示。它在正常情況下，只能從陽極向陰極單方面導通。串連可提高換流閥的電壓，并聯則可提高換流閥的電流。換流閥的原理電路如圖：這是由120只可控硅串聯，兩只閥并聯組成的可控硅換流閥。一個半層閥有兩個閥單元，及一個閥的單元數是八個，每個閥單元的兩端還并有2個串聯的避雷器，每個閥單元由15個可控硅與非線性的電感串聯，再與一個均壓電容并聯。換流閥電氣圖如圖1.2所示。圖1.2中240只可控硅元件串并聯對觸發系統要求更為嚴格，因為它要求這240只可控硅同時被觸發。如果有一個閥中的可控硅不同時觸發，則串聯連接支路中未觸發的可控硅將會承受過壓而損毀；同樣，有并聯支路的可控硅除了有過電壓危險外，如果并聯支路中有可控硅未導通，則已導通支路還會產生過流，使元件發熱以致損壞。由此看來，閥運行除可控硅元件運行所需的要求外，由于有可控硅串并聯，還需要有均壓，均流措施以及一套完全同步的觸發裝置。該觸發裝置同時向閥中所有可控硅元件發出觸發脈沖使閥同時導通。因此，一個實際的換流閥并不像圖1.3所示的那樣只有可控硅元件。圖1.4表示出了葛-上直流工程換流閥的實際電路圖。電路中除可控硅外，還有對應于每只可控硅的觸發電路板（TE)、RC阻尼回路（在圖中為R1、C1）和跨在15只可控硅上的均壓電容器C。閥的關斷靠外部電路的交流電壓反向實現。

2葛洲壩換流站閥試驗儀現狀與新試驗儀研制可行性分析

2.1閥試驗儀現狀

原有的可控硅測試儀已經不能滿足新設備的要求。新儀器的研制，使得可控硅級試驗項目更加完善、流程更為簡潔方便，對提高可控閥的可靠性有著十分重要的意義。目前葛站試驗儀存在以下三個主要問題：(1)閥試驗裝置簡陋；(2)閥試驗裝置功能單一；(3)脈沖不同步造成試驗偶發性失敗。

2.2新試驗儀研制可行性分析

通過對葛洲壩站換流閥結構以及可控硅觸發原理，即在換流閥正常帶電運行時閥控系統收到來自極控系統發出的控制脈沖信號時，若其他系統允許信號均正常，此時，在可控硅兩端加上同步電壓，可觸發可控硅。通過技術手段模擬與可控硅低壓觸發試驗裝置加在可控硅陰陽極間電壓同步的控制脈沖信號，并利用該控制脈沖信號與閥控系統通信，完成可控硅低壓試驗。具體即利用同步電壓采集板卡采集與可控硅低壓觸發試驗裝置同步的電壓信號，將控制脈沖發生與該電壓信號進行同步，模擬正常運行狀態下可控硅觸發所需要的同步控制脈沖信號；利用控制脈沖發生模塊與光電轉換模塊將控制脈沖電信號轉換成為閥控系統可以識別的光信號，并與閥控系統所要求的光信號傳輸模式相匹配，實現正常運行狀態下控制脈沖光信號與閥控系統的通信，從而可以順利進行可控硅低壓觸發試驗。

3同步脈沖閥試驗儀設計

3.1可控硅觸發測量設計

系統構成如圖3.1所示，分為3個部分：主控CPU、高壓大信號測試電路、測試電源。以MSP430F437為核心構建測試平臺，可測量可控硅的正/反向重復峰值電壓、門極觸發電壓、觸發導通電流、維持導通電流等參數。

3.1.1芯片選型

MSP430F437是一款混合信號處理器采用100腳封裝。采用16位RISC結構，具有豐富的片內外設和大容量的片內工作寄存器和存儲器，它的特點有：超低的功耗：能夠在1.8V~3.6V的電壓下工作；具有工作模式和5種低功耗模式。在低功耗模式下，CPU可以被中斷喚醒，響應時間小于6ps。較強的運算能力：16位的RISC結構，豐富的尋址方式；具有16個中斷源，可以任意嵌套；在8MHz時鐘驅動下指令周期可達125ns；內部包含硬件乘法器和大量寄存器，以及多達64kB的Flash程序空間和2kB的RAM.豐富的片上外設：包括看門狗定時器，基本定時器，比較器，16為定時器，串口0、1，液晶顯示驅動器，6個8位I/O，12位ADC等。

3.1.2Boost可調電壓電源設計

測試可控硅正/反重復峰值電壓需要可調電壓電源。基于簡單可靠的原則，設計電源如圖3.2所示。這是一個簡單的增進單端逆變升壓電路。該電路工作在高頻開關狀態，變壓器原、副邊變比為1：300，從副邊輸出的高壓經整流濾波獲得350V直流測試電壓。由CPU的PWM硬件模塊產生40kHz左右矩形波，經過光耦隔離后驅動Q1，Q4，Q3，使T1工作于高頻換能狀態。

3.1.3大信號測量設計

可控硅的正/反重復峰值電壓屬于大信號，其測量原理為：在可控硅A、K兩端加載一個高壓VH。測試時VH逐漸線性增加，當超過可控硅的正/反重復峰值電壓時其被齊納擊穿，在A-K支路有較大電流產生。該電流在采樣電阻上產生電壓降，該電壓降觸發CPU開始采樣VH值，此時VH值即為可控硅的正/反重復峰值電壓。測量反向峰值重復電壓時儀器會自動反轉高壓電源極性。照此原理設計的實際測量電路如圖3.3所示。當CPU開始測量時，CPU首先輸出1%~90%的脈沖到圖4.2的PWM端，驅動高壓電路工作，圖3.2電路線性輸出100V~350V電壓。圖3.3中R25為保護電阻，在可控硅齊納擊穿時避免電源短路，R26為采樣電阻，采樣A-K回路電流。當可控硅齊納擊穿后在R26兩端產生的壓降送入U6放大后經過U7A電壓比較器輸出由高到低的負跳變信號，觸發CPU中斷。CPU采樣VH端電壓即可求得正/反重復峰值電壓。

3.2回路阻抗測量設計

在可控硅不導通的情況下，施加不同頻率的交流電壓后測量，計算阻尼回路的阻抗值，其阻抗值不應超過額定的5%。根據可控硅級的結構，可以將阻尼回路等效為一個標準的串聯RC回路。對于RC回路的阻抗值測量，根據阻尼回路特點，設計為矢量電壓電流測量法。其原理如圖3.4所示。系統分為三個部分：主控CPU，正弦波發生器，電壓電流測量回路如圖3.5所示。

3.2.1主控CPU選型

主控CPU依然使用MSP430F437與可控硅觸發測量系統分時復用。詳見3.1.1芯片選型。

3.2.2正弦波發生器

時鐘振蕩器產生19.2MHz頻率的信號，經受主CPU控制的分頻鍵后得到1kHz或100Hz的方波，此方波經基準相位發生器電路產生0o和90o相位的參考電壓信號供相敏檢波分離被測電壓的虛、實部用。0o相位的方波，經低通濾波器變為正弦信號，該正弦信號經緩沖級和一只20Ω的限流電阻去激勵被測元件。在緩沖放大器A1上可加2V的偏置電壓，用于偏置電解電容器。

3.2.3電壓與電流測量回路

輸入級是差分放大器，為測量流過的被測元件的電流必須將其轉換為電壓，由運放構成的變換器完成這一功能，變換標準電阻R5可用來改變量程（有三個量程）。這樣被測元件上的I/V電壓和電流（被I/V變換器換為電壓）在開關S3的控制下分別送入輸入級A2。開關S5接地時，可測出測量電路（包括相敏檢波和雙積分A/D變換器）的總漂移，以修正測量結果。放大器A3的增益可控，隨被測電壓的大小被置為1或8倍的增益。該增益控制開關由過載檢測電路控制。相敏檢波器（PSD）用于分離被測信號中的虛實部。雙積分式A/D變換器將相敏檢波器輸出的直流電壓變換為數字量，要進行兩次電壓和兩次電流測量（一次加至PSD參考輸入端的是同相方波，另一次用正交方波）。因此，連同零漂測量，共要進行五次測量，對信號的積分時間（正向積分時間）為20ms。

4試驗

4.1實驗室試驗

實驗室主要進行如下試驗項目：1）裝置上電，測量裝置各電壓測點，測試裝置復位功能；2）測試軟件下載，檢測串口通信；3）檢查通信協議軟件功能，根據協議逐條修改定值，并檢查設置是否正確；4）檢查開入開出功能；5）檢查10-350V信號采集功能，測試PWM管腳輸出功能；6）檢查電壓電流測量功能；7）可控硅控制功能測試；8）功能綜合測試；9）環境參數測試。上述試驗均達到設計要求。

4.2平臺試驗

用閥組件搭建了一個簡易測試平臺進行檢測：1）可控硅觸發檢測；2）回路阻抗檢測。檢測結果達到預期設計要求。

5結語

經以上測試，在試驗環境下同步脈沖可控硅實驗裝置功能正確、反應迅速、測量進度達到設計要求。試驗裝置整體滿足設計目標要求。

參考文獻：

[1]高壓直流輸電崗位培訓教材.換流閥及直流控制保護設備[M].北京:中國電力出版社,2009.

[2]趙婉君.高壓直流輸電工程技術(第二版)[M].北京:中國電力出版社,2011.

[3]王官杰,任震.高壓直流輸電技術[M].重慶:重慶大學出版社,1997.

[4]鄭宏婕.電力電子技術[M].北京:科學普及出版社,1994.

[5]袁清云.特高壓直流輸電技術現狀及在我國的應用前景[J].電網技術,2005,29(14):1-3.

作者:張貴德 成川 劉潯 戴迪 鄭華 單位:國網湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運檢中心