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可控硅阀
可控硅阀
1可控硅阀结构及组成元件
可控硅阀是直流输电工程的“心脏”，实现交流和直流的变换。
在大多数工程中可控硅阀安装于室内，采用空气绝缘和水冷却。
1-1阀设计要求
为了满足阀换流和可靠运行的要求，阀应具有如下基本性能：
（1）阀应该只具有单向导通的性能，在一个周波中阀导通时间为三分之一周波。
（2）在阀不导通时，能够承受正向和反向的阻断电压。
（3）阀的最大阻断电压一般设计为3倍的六脉动阀桥额定直流电压，最大阻断电压应由并联避雷器的电压保护水平决定。
（4）若阀承受正向电压，同时有触发电流（大约8A）给门极时，则阀应导通。
只有流过阀的电流降为零时才关断。
（5）阀具有承受过流的能力，阀承受的最大短路电流主要根据换流变的阻抗大小来设计。
阀除了满足以上的性能要求外，在设计中还应满足如下要求：
●很高的可靠性
●足够的机械强度
●较低的损耗
●最少的安装和维护费用
●整体最优的价格
●完善的自动监视系统
●可靠的防火系统
1-2阀元件参数
为了满足以上的阀设计要求，选择合适的阀元件参数起到决定性的作用。
龙泉换流站阀元件参数：
元件
参数名称
参数值
可控硅
型号
YST90
最大重复反向峰值电压
7.2KV
最大不重复反向峰值电压（操作冲击）
8.1KV
最大不重复反向峰值电压（雷电冲击）
8.2kv
最大重复正向峰值电压
7.0KV
最大正向转折电压峰值
7.2KV
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
36KΩ（±5%）
阻尼电阻
R11、R12、R13、R14
40Ω（±2%）
阻尼电容
C11
2.5µF（±2%）
C12
3.75µF（±2%）
充电电容
C3
0.68µF（±5%）
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：
16
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：
－温度保护：
测量阀出水温度
－流量保护：
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850µS，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1000µS，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1000µS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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