特高压直流换流阀TFM板发热原因分析及改造

郭冬青

摘要：针对TFM板发热原因进行了分析，重点讨论了改造实施情况，并提出改进建议。

关键词：特高压直流；换流阀；TFM板

换流阀是特高压直流输电系统中的关键设备，是换流站的“心脏”，其作用是把交流电变换成直流电(称为整流)，或者把直流电变换成交流电(称为逆变)。TFM板是特高压用晶闸管换流阀的核心器件，其主要功能是实现阀控和换流阀之间信号的光电转换，完成对换流阀的触发、保护、状态检测等功能．而TFM板故障将直接影响直流系统的安全稳定运行。

1. 西电TFM板发热故障分析

锦屏换流站自2012年12月12日投运以来，于2013年5月25日发生一次TFM板发热着火事件;于2016年7月17日、9月28日发生2次TFM板过热停运事件。

1.1TFM板简介

TFM板(thyristor firing monitoring)，即晶闸管触发监测板，为换流站阀塔内重要的器件，它由9个功能模块组成(图1):①均压及电压检测；②du/dt检测；③过电压保护；④供电；⑤取能；⑥门极脉冲放大器；⑦逻辑；⑧光接收；⑨光发射。作为接口，TFM板的主要功能是将阀基电子设备的信号进行光电转换，从而实现高、低压电路之间的光隔离，并对晶闸管进行触发、监测和保护。

1.2西电TFM板结构缺陷

锦屏换流站西门子技术换流阀均压电阻设计思路与其它换流阀厂家不同，其它厂家均压电阻均安装在可控硅散热器上(例如许继换流阀)，利用金属良好的导热性能进行散热，因此散热效果较好，触发板运行温度均低于60℃;而西门子技术路线换流阀均压电阻安装在TFM板上，主要依靠空气对流来进行散热，散热效果相对较差，TFM板运行温度一般保持在95－110℃的范围内(图2)。

1.3TFM板温升试验

根据西电TFM板元件布局的特性及前述PCB板发热的理论分析，初步判断过热源为板卡上的均压电阻引起，为了验证判断的正确性，进行了模拟现场运行时元件温升试验(图3)，试验重点对TFM板上的均压电阻的温度进行测量，同时和其它元件在同一时刻下的温度进行对比，从而确定可能引发过热故障的根源所在。

经计算，PCBＲ38只有不到28%的耐温裕度，长期运行可能损坏PCB基材。在模拟现场运行试验中，直流均压电阻的测试温度为106℃，虽然对均压电阻自身的稳定运行影响不大，但确实是TFM板上最为明显的发热点．锦屏站TFM板发热停运事件时，红外测量的最高温度曾达到158.7℃，可以确定为均压电阻引起．另外，均压电阻运行时的最高温度，超过了PCB基材的温度耐受范围，会加速基材损耗，造成焊接松动或过热起火等重大安全隐患。

2. TFM板改造

2.1改造方案的可行性分析

换流阀阀厅实际运行时情况复杂，理论分析并不足以说明方案的有效可行性，为了证明在实际工况下，换型后的均压电阻运行温度要更低，进行了换型TFM板和未换型TFM板的对比试验，模拟板卡在现场的环境温度、工作电压与触发角度下的温升情况:试验将锦屏站两次因TFM板发热换下的板卡、均压电阻换型TFM板(一块均压电阻为蓝色、一块均压电阻为黑色)并联加压，使TFM板均压电阻温度依次达到80℃、100℃、120℃、140℃、160℃(以未换型TFM，热电偶测温方式为基准)，用红外测温仪和热电偶仪测量并记录TFM板上均压电阻温度。

2.2TFM板加装端子锁紧装置

由于TFM板端子松动，加之TFM板高温运行时对电气绝缘性产生较大影响，锦屏站2013年5月25日发生过TFM板着火事件，为了防止类似的问题，设计并加装了端子锁紧装置。锁紧装置功能:1)所有端子在正确的位置时，锁紧装置才能安装，从而保证了端子与发热部位保持一定距离，保证了端子处的连接可靠性不会因为元件过热而受到影响；(2)所有端子被同时固定，因此不会因为外力作用使得单个端子发生脱落，防止了端子自身短路发热而引起类似的事故。

3. TFM板改造后效果分析

为了验证TFM板卡换型后，其运行情况得到显著的改善，在2017年2月更换板卡之后，对极1低端阀厅TFM板进行持续测温，并对YD－A相阀塔第2层TFM板、YD－B相阀塔第2层TFM板的测温数据进行了对比分析(图中双极功率单位均为100MW)。

根据图中趋势，TFM板温度有一定波动，总体稳定在100℃以内，阀厅环境温度随运行时长而增加，功率到最高时TFM板最高达99.1℃，功率下降后，TFM板温度也随之降低一些。

结 语：

综上所述，TFM板运行温度在很大程度上影响其故障率，即运行温度降低，其故障率也会随之降低，甚至不发生故障。锦屏换流站TFM板改造换型后至今，还未发生过TFM板故障，改造换型效果明显。建议在有条件的情况下，对采用同类型西电供货的特高压换流站(如复龙换流站)的换流阀TFM板全部改造，以彻底消除其发热及火灾隐患，提高特高压换流站安全稳定运行的可靠性。

参考文献：

[1]刘振亚．特高压直流输电技术研究成果专辑［M］．北京:中国电力出版社，2008．

[2]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．