高压直流输电换流阀用高电位板卡测试仪研究设计

西安西电电力系统有限公司 张娟 刘飞超 王潇 崔斌

1 引言

目前，特高压直流输电工程晶闸管触发和监测板卡主要以TFM、TCU 和TVM 高电位板卡为主，板卡承担监测、触发、保护晶闸管以及VBE 通信的作用[1-3]。现行板卡测试方法以人工测试为主，需要多人配合完成波形的测量和记录。每个工程都需要测试数千快板卡，并且每块板卡都需要记录大量的数据，所以板卡的测试通常需要耗费几个月才能完成。这种长期单调重复的工作使工作人员疲劳，从而导致人工操作失误，存在人员安全和产品质量隐患。目前，换流阀所使用的高电位板卡种类较多，现有测试仪均针对一种板卡设计，兼容性差。为提高各类换流阀高电位板卡和晶闸管级测试的效率，同时保障高电位板卡和晶闸管级的功能和可靠性，需研制一种能够兼容多种高电位板卡并进行完整功能测试的板卡测试仪。

2 高电位板卡测试仪功能介绍

高电位板卡测试仪需要兼容TCU、TVM、TFM三种板卡。从结构上分析，三种板卡结构尺寸不同。TCU 板尺寸为185mm×72mm×27mm，TVM 板尺寸为270mm×49mm×25mm，TFM 板尺寸为300mm×200mm×25mm。从功能上分析，三种板卡的功能存在差异。TCU适配于小组件技术路线电控换流阀，TVM适配于大组件技术路线光控换流阀，TFM 适配于大组件技术路线电控换流阀，三种板卡与晶闸管连接的回路及参数也不同[4-7]。三种板卡功能与结构尺寸不同，电气连接方式及阻尼参数也不同。因此需要设置适配不同板卡的工装，对板卡进行固定并将工装上的探针固定在板卡相应的测试点上。高电位板卡测试仪功能如表1所示。

表1 高电位板卡测试仪功能

3 高电位板卡测试仪研究设计

3.1 高电位板卡测试仪架构

高电位板卡测试仪由工业控制计算机、四通道示波器、系统控制箱、三种测试工装、工频中压电源和直流高压电源等5 部分组成。高电位板卡测试仪设计架构如图1所示。根据所要测试的板卡，选择相对应的测试工装，在工控机上选择相应的测试项目，工控机根据测试项目将示波器相应通道档位，触发源设置好，同时将测试项目命令送至系统控制箱，系统控制箱接收控制命令后将相应的高压或者工频电源打开，并且切换测试通道，完成加载和触发过程。工控机读取示波器触发状态是否有效读取示波器数据，根据测试判据给出测试结果[8-9]。并将测试完成命令送给系统控制箱，系统控制箱断开测试激励，等待下次测试。高电位板卡测试仪结构图如图2所示。

图1 高电位板卡测试仪设计架构

图2 高电位板卡测试仪结构图

一是工业控制计算机。通过RS485 通信线缆将控制命令送至系统控制箱，通过USB线缆设置示波器通道参数和触发状态，同时通过USB线缆读取示波器采样数据，根据性能指标来判断被测试板卡是否合格[10]。

二是系统控制箱。系统控制箱具有实时性的控制能力，可以完成严格的时序和激励加载控制性能，这是上位机无法完成的。系统控制箱完成的主要功能包括板卡工装识别、三种测试工装被采样信号的通道切换，高压直流激励和中压工频激励源的加载时序控制，被测试板卡的测试时序信号产生，示波器的通道和给予外触发信号，以及与上位机进行通信，完成具体测试项目。

三是工频中压电源。三种板卡的激励源根据测试项目不同可能为中压工频或高压直流，一定上升斜率的高压前沿信号。工频功率满足220～1500V电压范围的激励加载，最大加载功率2000W。

四是直流高压电源。直流高压电源最高输出电压12kV，加载最大平均电流50mA，额定功率600W，瞬间峰值加载功率2000W，前沿输出能力可以到达100V/μs以上，前沿上升率可以选择。满足晶闸管导通和高压极限加载需求。

五是测试工装。TCU，TVM，TFM 三种板卡测试工装。三种测试工装均可以方便安装，并且与测试机柜兼容，具有工装区分开关，测试机柜可以自动识别工装。

测试完成后用户可对本次测试数据进行保存，为了增强数据的溯源性和易查找性，该系统采用MySQL 数据库，所有的测试数据实时存入数据库中，用户可通过软件界面的查询功能查看任意时间段的历史数据，通过对数据的对比，从元器件的选择和测试等方面进行改进，以降低导弹的故障率。

3.2 高电位板卡测试仪关键技术研究

高电位板卡测试仪研究的关键技术主要包括以下三点。

3.2.1 高压激励源的加载切换

由于板卡测试项目很多，不同的测试项目需要施加不同的激励，且激励源需使用高压激励，正向过电压保护测试中所加的激励源甚至高达8000V。因此，高压激励源在加载切换过程中，易出现接触电流过大甚至打火损坏的现象[11]。

因此需使用性能可靠的继电器，并需要使用工频同步信号获取最佳切换时间点，已达到较好的切换效果。在切换过程中，测试板卡取能电源有可能电压下降到无法正常维系工作，所以还需要单独处理电源时序，保证测试板卡可以正常工作。

3.2.2 高压激励源的上升沿时间的程序化控制

根据板卡测试项目的需求，激励源上升速率需要较快，反向恢复期保护过程中电压上升率甚至高达100V/μs。而一般的开关电源的前沿上升沿比较缓慢，从0V上升到满电压的时间在10ms以上，远远低于100V/μs。

上升时间慢的原因有两个：一是输出电容太大，充电时间过长；二是开关电源为防止开启冲击电流过大，损坏功率管，一般都进行软启动。为达到较高的上升沿斜率，通过调整电容参数及采用直接高压输出电路的方式，以满足快速的电压上升沿要求。同时为了提高系统抗冲击性能，提高功率器件裕度耐受能力，裕度在3倍以上。

高电压冲击加载下的电磁兼容和抗干扰由于板卡的高压测试项目较多，高压功率电路部分就有很强的电磁干扰，容易串扰到低压电路中，轻者导致系统不稳定，严重的话会伤害到人身安全。

这些问题往往很难形成规范解决的办法，需要工程设计人员有丰富的工程经验，能够在实际中可以找到问题根源，根据经验提出相应可行方案。常见的处理办法是良好的接地，屏蔽罩，良好的电路PCB 布局布线，机箱内高压和低压部分合理的机箱内部分布，以及低压控制电路与接口信号电路的电器隔离。

4 高电位板卡功能试验

根据所要测试的板卡选择相应的工装，在高电位板卡测试仪显示器界面上选择相应板卡类型及测试项目，点击测试，即可得出板卡的测试结果。板卡测试合格，则相应的测试项目显示“PASS”，若板卡某项功能测试不合格，则相应测试项目显示“FAIL”。高电位板卡测试仪TCU 测试结果如图3所示。

图3 高电位板卡测试仪TCU测试结果

高电位板卡测试仪TVM 测试结果如图4所示。高电位板卡测试仪TFM板测试结果如图5所示。

图4 高电位板卡测试仪TVM测试结果

图5 高电位板卡测试仪TFM板测试结果

5 结论

本文针对目前换流阀板卡测试方面的缺陷和隐患，通过分析不同技术路线换流阀板卡的功能参数、电气连接及结构设计，设计一种可兼容多种板卡的高效可靠的高电位板卡测试仪。针对高电位板卡测试仪关键技术进行攻关，解决高压激励电源切换、快速电压上升率及电磁兼容方面的难题，完成测试仪的样机研制并通过试验验证该测试仪的功能，提高换流阀高电位板卡的测试效率及可靠性。