高压直流可控硅触发阻尼研究范文

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摘要：

葛南直流输电工程采用的是BBC高压直流技术，随着设备国产化与改造，原有的实验仪器已经不能满足需要，本文针对葛洲坝换流站改造后的阀控及阀本体设备所使用的新式可控硅实验研发进行阐述，通过该研究换流阀的工作原理及结构特点设计适合本站使用的试验仪器，介绍该仪器的结构特点，为相关的试验研究起到抛砖引玉的作用。

关键词：

高压直流；阀控系统；可控硅；测试仪

在葛南直流输电工程是国内第一个500kV直流输电工程，相关设备是由BBC公司生产。1986年投入使用至今已运行近三十周年。由于葛洲坝换流站阀塔经过多次改造，可控硅已经跟换为株洲南车生产，阀控系统更换为许继生产。虽然阀结构未变，但原有试验仪已经无法使用[1-4]。

1葛洲坝换流站阀工作原理

葛洲坝换流站的换流器所采用的可控硅换流阀是由瑞士原BBC和德国西门子公司制造的水冷，空气绝缘换流阀。组成阀的可控硅型号为CS1104。换流阀为悬挂式四重结构[5]。是由12个单阀串并联组成的，在每个桥壁上有120个可控硅元件构成。每个四重阀有四个阀臂，其中两个与换流变压器Y绕组相连，两个与换流变压器D绕组相连，这种连接方式可以减小波纹系数。换流阀的结构如图1.1所示。它在正常情况下，只能从阳极向阴极单方面导通。串连可提高换流阀的电压，并联则可提高换流阀的电流。换流阀的原理电路如图：这是由120只可控硅串联，两只阀并联组成的可控硅换流阀。一个半层阀有两个阀单元，及一个阀的单元数是八个，每个阀单元的两端还并有2个串联的避雷器，每个阀单元由15个可控硅与非线性的电感串联，再与一个均压电容并联。换流阀电气图如图1.2所示。图1.2中240只可控硅元件串并联对触发系统要求更为严格，因为它要求这240只可控硅同时被触发。如果有一个阀中的可控硅不同时触发，则串联连接支路中未触发的可控硅将会承受过压而损毁；同样，有并联支路的可控硅除了有过电压危险外，如果并联支路中有可控硅未导通，则已导通支路还会产生过流，使元件发热以致损坏。由此看来，阀运行除可控硅元件运行所需的要求外，由于有可控硅串并联，还需要有均压，均流措施以及一套完全同步的触发装置。该触发装置同时向阀中所有可控硅元件发出触发脉冲使阀同时导通。因此，一个实际的换流阀并不像图1.3所示的那样只有可控硅元件。图1.4表示出了葛-上直流工程换流阀的实际电路图。电路中除可控硅外，还有对应于每只可控硅的触发电路板（TE)、RC阻尼回路（在图中为R1、C1）和跨在15只可控硅上的均压电容器C。阀的关断靠外部电路的交流电压反向实现。

2葛洲坝换流站阀试验仪现状与新试验仪研制可行性分析

2.1阀试验仪现状

原有的可控硅测试仪已经不能满足新设备的要求。新仪器的研制，使得可控硅级试验项目更加完善、流程更为简洁方便，对提高可控阀的可靠性有着十分重要的意义。目前葛站试验仪存在以下三个主要问题：(1)阀试验装置简陋；(2)阀试验装置功能单一；(3)脉冲不同步造成试验偶发性失败。

2.2新试验仪研制可行性分析

通过对葛洲坝站换流阀结构以及可控硅触发原理，即在换流阀正常带电运行时阀控系统收到来自极控系统发出的控制脉冲信号时，若其他系统允许信号均正常，此时，在可控硅两端加上同步电压，可触发可控硅。通过技术手段模拟与可控硅低压触发试验装置加在可控硅阴阳极间电压同步的控制脉冲信号，并利用该控制脉冲信号与阀控系统通信，完成可控硅低压试验。具体即利用同步电压采集板卡采集与可控硅低压触发试验装置同步的电压信号，将控制脉冲发生与该电压信号进行同步，模拟正常运行状态下可控硅触发所需要的同步控制脉冲信号；利用控制脉冲发生模块与光电转换模块将控制脉冲电信号转换成为阀控系统可以识别的光信号，并与阀控系统所要求的光信号传输模式相匹配，实现正常运行状态下控制脉冲光信号与阀控系统的通信，从而可以顺利进行可控硅低压触发试验。

3同步脉冲阀试验仪设计

3.1可控硅触发测量设计

系统构成如图3.1所示，分为3个部分：主控CPU、高压大信号测试电路、测试电源。以MSP430F437为核心构建测试平台，可测量可控硅的正/反向重复峰值电压、门极触发电压、触发导通电流、维持导通电流等参数。

3.1.1芯片选型

MSP430F437是一款混合信号处理器采用100脚封装。采用16位RISC结构，具有丰富的片内外设和大容量的片内工作寄存器和存储器，它的特点有：超低的功耗：能够在1.8V~3.6V的电压下工作；具有工作模式和5种低功耗模式。在低功耗模式下，CPU可以被中断唤醒，响应时间小于6ps。较强的运算能力：16位的RISC结构，丰富的寻址方式；具有16个中断源，可以任意嵌套；在8MHz时钟驱动下指令周期可达125ns；内部包含硬件乘法器和大量寄存器，以及多达64kB的Flash程序空间和2kB的RAM.丰富的片上外设：包括看门狗定时器，基本定时器，比较器，16为定时器，串口0、1，液晶显示驱动器，6个8位I/O，12位ADC等。

3.1.2Boost可调电压电源设计

测试可控硅正/反重复峰值电压需要可调电压电源。基于简单可靠的原则，设计电源如图3.2所示。这是一个简单的增进单端逆变升压电路。该电路工作在高频开关状态，变压器原、副边变比为1：300，从副边输出的高压经整流滤波获得350V直流测试电压。由CPU的PWM硬件模块产生40kHz左右矩形波，经过光耦隔离后驱动Q1，Q4，Q3，使T1工作于高频换能状态。

3.1.3大信号测量设计

可控硅的正/反重复峰值电压属于大信号，其测量原理为：在可控硅A、K两端加载一个高压VH。测试时VH逐渐线性增加，当超过可控硅的正/反重复峰值电压时其被齐纳击穿，在A-K支路有较大电流产生。该电流在采样电阻上产生电压降，该电压降触发CPU开始采样VH值，此时VH值即为可控硅的正/反重复峰值电压。测量反向峰值重复电压时仪器会自动反转高压电源极性。照此原理设计的实际测量电路如图3.3所示。当CPU开始测量时，CPU首先输出1%~90%的脉冲到图4.2的PWM端，驱动高压电路工作，图3.2电路线性输出100V~350V电压。图3.3中R25为保护电阻，在可控硅齐纳击穿时避免电源短路，R26为采样电阻，采样A-K回路电流。当可控硅齐纳击穿后在R26两端产生的压降送入U6放大后经过U7A电压比较器输出由高到低的负跳变信号，触发CPU中断。CPU采样VH端电压即可求得正/反重复峰值电压。

3.2回路阻抗测量设计

在可控硅不导通的情况下，施加不同频率的交流电压后测量，计算阻尼回路的阻抗值，其阻抗值不应超过额定的5%。根据可控硅级的结构，可以将阻尼回路等效为一个标准的串联RC回路。对于RC回路的阻抗值测量，根据阻尼回路特点，设计为矢量电压电流测量法。其原理如图3.4所示。系统分为三个部分：主控CPU，正弦波发生器，电压电流测量回路如图3.5所示。

3.2.1主控CPU选型

主控CPU依然使用MSP430F437与可控硅触发测量系统分时复用。详见3.1.1芯片选型。

3.2.2正弦波发生器

时钟振荡器产生19.2MHz频率的信号，经受主CPU控制的分频键后得到1kHz或100Hz的方波，此方波经基准相位发生器电路产生0o和90o相位的参考电压信号供相敏检波分离被测电压的虚、实部用。0o相位的方波，经低通滤波器变为正弦信号，该正弦信号经缓冲级和一只20Ω的限流电阻去激励被测元件。在缓冲放大器A1上可加2V的偏置电压，用于偏置电解电容器。

3.2.3电压与电流测量回路

输入级是差分放大器，为测量流过的被测元件的电流必须将其转换为电压，由运放构成的变换器完成这一功能，变换标准电阻R5可用来改变量程（有三个量程）。这样被测元件上的I/V电压和电流（被I/V变换器换为电压）在开关S3的控制下分别送入输入级A2。开关S5接地时，可测出测量电路（包括相敏检波和双积分A/D变换器）的总漂移，以修正测量结果。放大器A3的增益可控，随被测电压的大小被置为1或8倍的增益。该增益控制开关由过载检测电路控制。相敏检波器（PSD）用于分离被测信号中的虚实部。双积分式A/D变换器将相敏检波器输出的直流电压变换为数字量，要进行两次电压和两次电流测量（一次加至PSD参考输入端的是同相方波，另一次用正交方波）。因此，连同零漂测量，共要进行五次测量，对信号的积分时间（正向积分时间）为20ms。

4试验

4.1实验室试验

实验室主要进行如下试验项目：1）装置上电，测量装置各电压测点，测试装置复位功能；2）测试软件下载，检测串口通信；3）检查通信协议软件功能，根据协议逐条修改定值，并检查设置是否正确；4）检查开入开出功能；5）检查10-350V信号采集功能，测试PWM管脚输出功能；6）检查电压电流测量功能；7）可控硅控制功能测试；8）功能综合测试；9）环境参数测试。上述试验均达到设计要求。

4.2平台试验

用阀组件搭建了一个简易测试平台进行检测：1）可控硅触发检测；2）回路阻抗检测。检测结果达到预期设计要求。

5结语

经以上测试，在试验环境下同步脉冲可控硅实验装置功能正确、反应迅速、测量进度达到设计要求。试验装置整体满足设计目标要求。

参考文献：

[1]高压直流输电岗位培训教材.换流阀及直流控制保护设备[M].北京:中国电力出版社,2009.

[2]赵婉君.高压直流输电工程技术(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2011.

[3]王官杰,任震.高压直流输电技术[M].重庆:重庆大学出版社,1997.

[4]郑宏婕.电力电子技术[M].北京:科学普及出版社,1994.

[5]袁清云.特高压直流输电技术现状及在我国的应用前景[J].电网技术,2005,29(14):1-3.

作者:张贵德 成川 刘浔 戴迪 郑华 单位:国网湖北省电力公司检修公司特高压交直流运检中心