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最大正向转折电压峰值
通态电流
3.0KA
通态电压
1.8V
维持电流
0.2A
持续断态电流
0.4Ma
持续反向关断电流
16Ma
持续导通电流
4260A
过负荷导通电流
4500A
重复通态电流峰值
3700A
每个可控硅元件直径
5英吋
分压电阻
R41
36KΩ(±
5%)
R42
阻尼电阻
R11、R12、R13、R14
40Ω(±
2%)
阻尼电容
C11
2.5µ
F(±
C12
3.75µ
F(±
充电电容
C3
0.68µ
充电电阻
R3
精度要求不高
电抗器
L
1-3阀结构
阀装在阀厅中一般采用悬挂式,使用的悬挂杆为环氧玻璃钢棒,强度为:
200KN/根,一个阀塔共使用24根悬挂杆,拉力强度共计4800KN,而一个阀塔只有15000kg(约150KN),所以悬挂杆足够承受阀它的拉力。
在物理连接上,一个十二脉冲阀可根据电气、绝缘和现场实际等要求采用四重阀或双重阀结构。
比如:
在龙泉换流站,由于在电气和物理上连接的换流变较多(6台双绕阻变压器)以及串联的可控硅数较多(电压等级较高,一个阀串90个可控硅),因此,在物理连接上ABB设计采用双重阀。
在物理上,无论采用何种接线方式,但电气接线图都是十二脉动阀结构,其连接图如下:
双重阀由两个单阀串联而成,一个单阀又是由多个可控硅模块(6个可控级组成一个可控硅模块)和电抗器模块串联而成。
阀塔中一层一般放4个可控硅模块和4个电抗器模块,一个阀的电气连接图如下:
1-4可控硅级
一个可控硅模块串联有6个可控硅级,每个可控硅夹在两个冷却器之间,可控硅级电气连接如下:
可控硅级主要包括4部分:
阻尼回路、分压回路、可控硅控制单元TCU和可控硅等。
阻尼回路
阻尼回路为电容、电阻组合回路,其主要作用:
(1)当阀在熄灭过程中,阻尼电压的震荡;
(2)给可控硅控制单元提供暂态充电,充电时间常数为100μS,这样保证在阀触发前TCU能获得可靠的工作电源。
暂态充电电容和电阻
C3和R3分别为暂态充电电容和电阻,可在可控硅阀刚承受正向电压时,加速可控硅控制单元的电源充电。
分压测量回路
分压回路为存电阻回路,电阻值较大且精确度很高,一般一个电阻电阻值的误差允许范围±
5%,在两个电阻串联后,按正负偏差相抵,其误差不超过±
2%。
分压测量回路的主要作用:
(1)测量可控硅两端电压,用于形成IP(可控硅回报脉冲)、PF(可控硅保护性触发)和RP(恢复性保护)逻辑的输入电压;
(2)给可控硅控制单元TCU提供稳态时的工作电源。
可控控制单元TCU
可控控制单元主要作用是给可控硅提供触发和监视,同时TCU包括两个保护回路:
保护性触发(PF)回路和恢复性保护(RP)回路。
可用如下功能块来描述TCU:
●回报信号IP的形成及作用
IP是可控硅在承受大约30V的正向电压且取能充电电容达到22V后(即UDI>
30V和UPS>
20V),由可控硅控制单元TCU送给可控硅监视THM的回报信号,一般可控硅正常时,只会向THM发出一个IP,只有在可控硅两侧出现断续的短脉冲电压或TCU故障引起振荡时,会向THM发出多个IP。
IP可用来计算触发脉冲FP,同时,它还可通过计算丢失IP的数量来指示那些可控硅级发生故障。
●触发脉冲FP的形成及作用
在阀控单元VCU,有一逻辑根据极控PCP送来的控制脉冲CP(宽度120°
)信号和TCU送来的回报信号IP计算出宽度1μs的触发脉冲FP,一方面,FP会送到TCU,经触发电路形成8A的门极触发脉冲去触发可控硅;
另一方面,FP会送到极控PCP中的控制脉冲发生器CPG中和相应的CP进行比较,来确定是否发生误触发(FF:
错误触发,即FP在CP的120°
宽度之外;
NF:
没有触发,既没有FP送到CPG)。
●保护性触发
保护性触发PF是指可控硅承受过电压(即UPF>
6.8V)后,而还没有被触发导通,为了避免可控硅遭受过电压的破坏,则TCU利用就地的保护触发功能及时触发可控硅。
同时,会有一PF指示信号送到THM。
●恢复性触发
恢复性触发RP是指可控硅在熄灭过程中,承受的反向电压低于30V(即UN〈-30V)后,若在1毫秒内出现幅值大于1.2KV(即UPS>
1.2KV,20%的PF参考值)的正向电压时,为了避免可控硅由于局部导通产生局部过热遭受破坏,这时由TCU中的恢复性触发功能向可控硅发一触发脉冲使之均匀导通。
1-5阳极电抗器
在一个可控硅模块中要串联一个电抗器模块,此电抗器的作用是:
在阀刚触发导通或出现电流突变时,为了限制电流的变化速率,使阀免受于不均匀导通产生局部过热而引起的破坏,当阀导通稳定,流过阀的电流很大时,电抗器饱和,呈现出低阻抗。
电抗器主要由线圈(绕4圈)、带空隙的铁芯(11个)、有固定及散热作用的填充物(环氧树脂)和外壳组成。
线圈结构:
1-6冷却器
冷却器主要用于吸收可控硅及阻尼电阻损耗产生的热量,保证可控硅结温在允许范围内,使可控硅承受正向和反向阻断电压的能力不下降。
在一个可控硅模块中冷却器的连接采用交叉串联的方式,其特点为:
(1)与并联方式相比减少了接头;
(2)使一个阀组件中每个可控硅的平均温度相同,T平均=1/2(T阴极+T阳极);
(3)第一个可控硅V1两侧的温差最大,但最大温差不能超过设计值8-9度。
一个可控硅模块中冷却器的连接图如下:
2阀控系统
2-1概述
阀控设备,也称作阀基电子设备,可以看作是换流器触发系统的远方I/O接口。
3GC和3GG工程中的阀控系统为每个双重阀设有两个中央单元(冗余设计),即PS900板,和一系列光分配单元,即PS906板。
正常运行时,冗余的换流器触发系统计算并发送竖琴脉冲(CP)至PS900板,再由PS900板转换成触发脉冲(FP)并送至PS906板,最后由PS906板将触发脉冲分配到各个可控硅。
可控硅监视功能设在PCP柜中,由PS830板实现,同样是冗余设计,一块PS830用于PCPA,另一块用于PCPB系统。
对应每一个可控硅都设有一个可控硅控制单元(TCU),TCU检测可控硅状态并以指示脉冲(IP)的形式将可控硅状态通过光纤传至VC柜,再通过CAN网,将可控硅状态传至PCP柜并储存在PS830中。
下面从硬件、软件两个方面详细介绍阀控功能。
2-2硬件
如图,I/O架两端是冗余配置的中央单元PS900板,通过板上的指示灯,很容易判断阀控系统是在ACTIVE状态或STANDBY状态以及阀控系统工作是否正常。
中间是一系列光分配板PS906,每块板上都有32个光通道连至16个TCU,其中16个光通道用于发FP,16个光通道用于收IP。
PS900板与PS906板之间通过背板交换数据。
1.PS900板
阀控中央单元PS900板是阀触发系统(PCP柜)和PS906之间的接口板
-CPU:
80C167CR
-512KBFLASH
-32KBRAM
-1个CAN通道
PS900板主要功能如下:
-电源转换24VDC/5VDC
-提供触发脉冲参考电压
-提供通信和监视用的串行接口
-隔离的CAN总线,带120Ω总线终端电阻
-提供CP脉冲的输出缓存,该缓存由ACTIVE/STANDBY信号控制
-提供FP脉冲的输入缓存
-24V保护用数字量输出
-为外部的控制信号提供双向的数字I/O接口
-提供两个浮点型的光隔离数字量输入
-为控制信号提供四个光纤输入接口
-为控制信号提供两个光纤输出接口
-为手动设置ACTIVE/STANDBY,TEST/SERVICE位置提供切换开关(实际上在3GC和3GG工程中不用这两个切换开关)
-为指示电路板状态和运行模式的发光二极管
与可控硅触发和监视有关的逻辑功能封装在XINITFPGA中,也就是说无法用HIDRAW对其实施编程控制。
CPU和FPGA之间的通信通过一个地址寄存器实现。
CP和FP脉冲都是由FPGA控制,CP是一个5V的电信号,通过输出缓存被送至背板。
PS900板最多能处理12个不同的CP脉冲和6个不同的FP脉冲。
背板向PS900提供24V电压,后者将其转换成5V电压供内部使用,并同时向I/O架上的PS906板供电。
FP脉冲的12V参考电压由板上的模拟电压调节器提供,如果系统不是ACTIVE状态,该电压会被置零。
关于PS900板的应用程序存储在板上的FLASHMEMORY中,通过RS232口载入。
PS900布置图如下:
PS900实物照片如下:
2.PS906板
PS906板是阀控系统和可控硅元件之间的接口板,主要有两个功能:
发送FP、接收IP。
PS906板上有两套完全相互独立的CPU系统分别连至PS900A和PS900B,这两套系统功能完全一样,也是一种冗余设计。
-电源:
5VDC,两套CPU系统的电源分别从PS900A和PS900B取,负载为50mA/系统
-CPU:
每套系统包括AT89C51和AT89C52两个处理器,内建4KB闪存和128B数据缓存
-PROM:
16KB
-FP光通道:
16
-IP光通道:
PS906板布置图如下:
PS906板实物照片如下:
2-3软件
下面从阀触发和阀监视两方面详细介绍阀控系统。
1.阀触发系统:
阀触发系统的主要目的就是将CPG(控制脉冲发生器)产生的CP脉冲(对应各个单阀)转换成FP(对应各个可控硅)
从上图可以看出阀控系统的设计完全是冗余的,从PCP到PS900再到PS906板CP和FP都有独立的A通道和B通道。
下面是阀控系统逻辑框图(包括阀触发和阀监视):
正常触发系统:
当可控硅上正向电压超过32V时,TCU产生一个IP脉冲并通过光纤送至PS906板,通过或门和一个单稳态触发器将各个可控硅产生的分散的IP脉冲转换为连续的高电平,同时120度CP脉冲从CPG(控制脉冲发生器)被送至阀控系统,OR和CP通过一个与门输出一个1微秒的FP脉冲,单稳态触发器被复归,OR返回至低电平等待下一个周期的IP脉冲,从上图可以看出上述过程是在PS906的A系统和B系统中分别进行的,即同时产生了FPA和FPB两个触发脉冲,再结合PCP送过来的ACTIVE信号,通过一个与门区分工作系统和备用系统,最终取工作系统的FP并将其分配至16个光通道,送至16个TCU。
上图是整流侧阀控系统各脉冲的时序图
短脉冲系统:
在开路试验和低负荷工况下运行时,会出现电流断续情况,也就是说,可控硅在120度的CP间隔内会重新阻断,在阻断电压超过32V时TCU就会发IP脉冲给阀控,所以在CP间隔内,阀控会发送数次FP脉冲以保证可控硅在CP间隔内连续导通。
如果新的IP在发出上一个FP的100微秒之内到达,则立即发送新的FP,否则延时20微秒再发送新的FP。
在触发逻辑故障时,有可能IP脉冲连续为高电平,这时如果不采用新的触发机制,会导致FP也一直为高电平,为避免光纤加速老化,采用如下机制:
CP间隔内,前面10个FP每隔10微秒发一次,以后的FP每隔100微秒发一次。
下图是短脉冲系统的逻辑图:
短脉冲系统时序图:
2.阀监视系统:
内部监视:
为了取得较高的可靠性,阀控系统可以进行自检,并在下列故障时自动从ACTIVE系统切换至STANDBY系统,不会对直流功率的输送产生任何影响。
-电源故障
-短脉冲系统故障
-CPG和VCU之间通信故障
-THM系统故障
-故障可控硅数量达到系统切换水平
THM:
当可控硅上正向阻断电压超过32V,说明可控硅正常,未被击穿,所以TCU发一个IP给PS906板,并使单稳态触发器置1,需要说明的是,上图中的单稳态触发器与可控硅是一一对应的关系,其功能在FPGA中用软件实现。
所以80C51处理器可以得知所有可控硅的状态。
80C51处理器再将可控硅状态通过背板的串行总线送至PS900板的80C167处理器中。
PS900板根据故障严重程度执行报警或跳闸(报警和跳闸的级别存在PS830中,并在VCU启动时传至PS900板)。
而所有的可控硅状态,包括报警和跳闸指令均通过CAN总线送至PCP柜,并将可控硅状态信息存在PS830中。
PS830板上的处理器装门用于收集可控硅状信息,VCU状态信息,并将事件送入SCM,对于可控硅故障,OWS上会显示“Newthyristorfailure”并提示故障可控硅在哪一个单阀内,若要查找具体是哪一个可控硅,可以用电脑连至PS830板的串口,运行“超级终端”选择“choice02”。
PS830中所有选项如下:
01systeminformation
02printoptoboarddataforoneVCU
03listfailurethyristors
04watchdataforoneoptoboard
05testmenu
06spare
07printIPandPFalarmstatus
08printfailingVCUs
09printtripandalarminfoforoneVCU
10printVCUinformationsummary
11resetVCUfilp-flop
12resetVCUs
13listfaultinoptoboarddata
14listfaultinVCUdata
15printVCUstatusinformation
16printstatusofsupervisionalarm
17resetsupervisionandVCUalarms
18scansupervisionalarms
19listoscillatingpositions
20listPFthyristors
根据不同需要,选择合适的选项查看信息或复归报警。
阀不(误)触发保护:
阀不(误)触发保护作为CPG的一部分,除了其保护功能外,实际上可以监视CPG和阀控之间的通信是否正常。
所以这里把它当作阀监视系统的一部分加以说明,但需要指出VMP本身并不包括在阀控系统之中。
VMP判断阀不触发的原理是:
VMP收到CPG送来的CP,但是没收到VCU送来的FP。
VMP判断阀误触发的原理是:
VMP收到的FP在CP间隔之外。
VMP逻辑图如下:
3阀水冷系统
可控硅及其阻尼回路在运行中发热量相当大,为使可控硅阀能在额定工况下,甚至是过负荷状态下运行,必须对其进行冷却。
整个阀冷却系统分为外冷水和内冷水两部分
3-1内冷水系统
内冷水系统是一个封闭的循环系统,由主循环泵建立水压,迫使冷却水在管道中循环并和可控硅阀交换热量使其冷却。
下面对内冷水系统的主要部件进行说明:
-主循环泵P1/P2:
主循环泵有一主一备两台,冗余配置。
CCP(水冷控制和保护系统)可以检测到故障并自动切换至备用泵运行。
主循环泵有高速低速两档,正常运行时高速运行,阀闭锁时低速运行以节约能源,减少损耗。
-机械过滤器Z1/Z2:
安装在每台主泵之后,阀进水管之前,滤网孔径0.6mm。
-旁通回路:
环境温度过低时,冷却水温也很低,为防止在阀厅中的水管上产生凝结水,所以在主回路中设置旁通管,使一部分内冷水不经过冷却塔,不和外冷水交换热量。
-加热器E1/E2/E3/E4:
在环境温度极低,而且在投入旁通管后仍然不能避免冷却水温度过低时,投入加热器,防止阀厅中的水管上产生凝结。
-水处理装置:
在水处理回路中有两个离子交换器Z3/Z4,通过树脂吸附水中的离子,以降低内冷水的电导率,在这部分回路中装有两个电导率测量传感器,向CCP提供内冷水电导率。
在在离子交换器之后装有3个机械过滤器Z5/Z6/Z7,两个运行,一个备用。
滤网孔径3微米,用以防止树脂微粒和其他细小物质进入水循环系统。
-除氧系统:
经水处理装置输出的水被导入膨胀箱C2,通过向C2中吹入一定压力的氮气来降低水中的含氧量。
-膨胀箱C1/C2/C3:
安装在主循环泵的进水侧,用于补偿水由于热胀冷缩而产生的体积变化,以及排除水中气体,平衡整个内冷水系统的压力,根据水位变化而检测内冷水系统有无泄漏。
-补水泵:
补水泵是一个可移动的水箱,用于补偿主循环泵运行中消耗的很少量的水。
3-2外冷水系统
外冷水在使用前必须先经过软化(除钙),和反渗透(除盐)。
通过冷却塔,喷淋泵,和内冷水交换热量,使内冷水温度降低。
同时通过风扇使外冷水温度不致过高。
-冷却器:
3台冷却器,其中一台备用。
每台冷却器都配有3台风扇,风扇转速可以通过频率调节。
3-3阀水冷控制和保护系统(CCP)
CCP是智能化的分布式I/O系统,没有主机,所有的控制保护功能通过PS830板上的处理器来实现。
当然整个CCP系统是冗余设计,从传感器导控制柜,全部是双重化布置。
CCPA与CCPB之间的通信和切换通过其内部的CAN总线,即CAN4来实现,CAN4在两个CCP柜间用PS832板连接起来。
CCP系统的切换是完全独立的,与PCP系统没有关系,故障信息和报警跳闸指令是通过PS831板传至PCP。
CCP功能:
-监视并限制冷却水水温
-监视并限制冷却水电导率
-监视膨胀箱水位,检测水系统泄漏
-监视冷却器风扇是否正常
-监视加热器是否正常
-监视所有I/O板的运行情况
CCP保护配置:
水冷系统的保护设置在两块保护板上
板1:
-温度保护:
测量阀进水温度
-流量保护:
测量主回路的流量
-泄漏保护:
有两个部分,微分部分可以检测较严重的泄漏情况,24h部分测量24小时内总的泄露量,可以检测到轻微的泄漏情况。
板2:
测量阀出水温度
通过测量阀进水处、出水处和膨胀箱之间的压力差来检测流量是否正常
-压力保护:
测量膨胀箱压力
-水位保护:
测量膨胀箱水位
4可控硅模块的组装
可控硅阀是以模块组件的形式运到现场,所以在工厂,工人们要把元件组装成可控硅模块。
在技术人员的指导下,ABB安排了我们亲自组装可控硅模块。
简单的组装过程如下:
(1)准备好所有的元器件(包括可控硅、电容器、电阻、TCU板、冷却器、水管和屏蔽照等)、支撑及固定架构、紧固材料(包括各规格的螺丝、螺帽、平垫、弹垫等)、各规格连接线、消耗材料(包括清洗用酒精、砂纸,散热剂、硅油、干净的棉纸等)、工器具(包括各规格板手、力矩板手、手动螺丝刀、电动螺丝刀、剪刀等);
(2)把C11、C12、C3三个电容固定在同一底板上组成电容器组件,一个可控硅模块需6个电容器组件;
(3)把6个电容器组件等距离依次排列固定在支撑的框架上,紧固电容器组件的力矩为22N.M;
(4)检查支撑框架的所有连接螺钉是否都已紧固;
(5)安装、固定支撑可控硅、冷却器的底架;
(6)安装压缩螺杆、嵌位螺母、弹簧垫;
(7)在工作台上按顺序摆好7个冷却器,并安装上下方的固定块;
(8)用砂纸和酒精清洗干净电阻R41、R42、R3与冷却器的接触面,然后在电阻接触面均匀涂上不含硅的高效散热剂;
(9)用砂纸和酒精清洗冷却器与电阻R41、R42、R3的接触面,然后将电阻R41、R42、R3安装在冷却器上,安装电阻时,应用力均匀地紧固两颗螺丝;
(10)用酒精和砂纸洗清冷却器与可控硅的接触面,并在冷却器的接触面均匀涂上硅油;
(11)当完成了以上工作后,可把了冷却器等距离依次排列在支撑的底架上,并在冷却器之间放置可控硅托钳;
(12)在工作台上用酒精和砂纸洗清可控硅与冷却器的接触面,并在可控硅的接触面均匀涂上硅油;
注意用砂纸清洗可控硅的表面时,不要损伤其表面。
(13)将可控硅依次放到冷却器之间的托钳上;
(14)安装可控硅模块的上方固定框架;
(15)使用液压工具,加压135KN的力顶紧压缩螺杆,再拧紧嵌位螺母,然后泄压;
(16)安装R11、R12、R13和R14电阻;
(17)连接水管;
(18)安装可控硅控制单元TCU;
(19)连接各连接导线;
(20)安装屏蔽罩。
5可控硅阀试验
在可控硅模块组装完成后,该做如下的例行试验:
(1)测量分压电阻;
检查分压电阻是否正确连接及阻值误差是否在允许范围内;
(2)水压试验:
水压为1.5bar,加压时间为10分钟,检查是否有漏水现象;
(3)机械压力试验;
(4)温度循环试验:
不充冷却水,加电流使阀的温度升至90度,再充冷却水,使温度降至环境温度,求冷却时间,重复3次执行温度循环试验;
(5)局放试验:
在相邻三个冷却器上分别加A、B、C三相交流电压,检查可控级内部硅是否存在局部放电;
(6)利用阀试验仪(VTU)做“LVT+HVT”试验:
i.可控硅级短路试验:
加大约465V低压检查可控硅的阻断能力及检查TCU回路;
ii.阻抗试验:
求可控硅两端的各种频率阻抗(12000HZ、6000HZ、1100HZ),检查分压器的电容、电阻是否发生短路或开路;
iii.正常触发试验:
可控硅有触发脉冲时,检查可控硅应在承受大约31V的正向电压时可靠导通;
iv.保护性触发试验:
可控硅无触发脉冲时,检查可控硅在承受大约6866V的正向过电压时应被TCU的保护性触发功能触发;
v.恢复性保护试验:
RP-LOWTEST:
使用试验装置模拟可控硅在承受低于-17V反向电压的时间为850µ
S,在可控硅两端加(大于1200V)1362V正向脉冲电压,恢复性保护应能可靠动作;
RP-HIGHTEST:
若可控硅承受低于-17V反向电压的时间为1000µ
S,即使在可控硅两端加高于保护性触发参考值的正向脉冲电压(6872V),恢复性保护也不动作。
通过以上两步试验,验证了恢复性保护必须可控硅承受低于-17V反向电压的时间在1000µ
S内,出现高于1200V的正向脉冲电压时,恢复性保护才有效。
vi.反向耐压试验:
检查可控硅反向耐压水平;
根据规范书和IEC60700-1标准,可控硅阀还应在STRI试验
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- 关 键 词:
- 可控硅