便携式现场测试仪设计与研制

便携式现场测试仪设计与研制

张娟，王潇，杨山河

西安西电电力系统有限公司，陕西省西安市 710075

摘要：直流输电工程以直流电的形式完成电能的远距离传输，送端将交流电变为直流电，为整流站；受端将直流电变为交流电，为逆变站。换流阀即为实现整流与逆变的设备。为保证直流输电工程的可靠稳定运行，每年均需要对换流阀设备进行检修。为避免早期检修设备功能少，需多人测量、需拆卸测量、测量数据需人工抄录等问题，针对便携式现场测试仪进行设计研制，实现对设备的不脱线闭环测试，检测数据就地显示及分析存储，快速显示测量结果，单人操作即可完成，大大提高检修效率。

关键词：换流阀，测试仪，便携式

1 引言

换流阀为直流输电工程的核心设备，其可靠稳定运行至关重要。换流阀中重要的部件是晶闸管级，这些部件对于换流阀设备运行的安全与稳定具有决定意义，因此晶闸管级的功能测试显得尤为重要[1]。换流站检修时，需对站内的晶闸管级进行检测，而每个换流站内的晶闸管级数量庞大，现行的测试方法操作步骤繁琐，存在人员及设备安全隐患，效率低下。

为提高换流阀测试的效率，同时能够保障功能和可靠性，需研制能够进行完整功能测试和快速测试晶闸管级功能的仪器。

2 换流阀介绍

直流输电工程依据技术路线的不同分为大组件换流阀和小组件换流阀，同时大组件换流阀又分为光控换流阀和电控换流阀。光控换流阀的触发方式为光触发，即触发信号为光信号，发送至光控晶闸管门极使其触发导通。电控换流阀的触发方式为电触发，即触发信号为电信号，发送至晶闸管级的触发监测板卡，再由触发监测板卡将光信号转换成电信号发送至晶闸管门极使其触发导通[2]。

换流阀利用晶闸管的导通与关断，实现整流与逆变。由于晶闸管在导通时基区存在大量的过剩载流子，晶闸管两端的电压由正向变为负向时，基区的载流子通过扩散、迁移、复合等方式浓度逐渐降低，从而恢复高阻状态，该过程称为反向恢复期过程。如果在此过程中，晶闸管承受冲击，则很容易损坏。因此需设置反向恢复期保护功能[3]。电控换流阀的反向恢复期保护功能集成在触发监测板卡内，当检测到冲击电压时触发监测板卡发送电触发脉冲使电控晶闸管导通。光控换流阀需单独配置反向恢复期保护板卡，当检测到冲击电压时反向恢复期保护板卡发送光脉冲信号，使光控晶闸管触发导通。

3 测试仪功能介绍

3.1 测试仪组成

便携式现场测试仪主要针对大组件换流阀设计，可适配电控换流阀及光控换流阀。与大组件电控换流阀相比，在大组件光控换流阀中，需增加反向恢复期保护板卡触发功能。完善这一功能后，整个换流阀所有电气部件均能被测试，在故障排查和例行试验中将大大提高效率，节约成本。

测试仪由阀控测试箱和阀侧测试箱两部分组成。其中阀控测试箱用来控制阀控设备发出对应晶闸管级的触发信号；阀侧测试箱用来检测晶闸管的阻抗及触发状态。需要两部分之间配合完成晶闸管通断，高电位板触发，光纤回路通断和VBE触发回报功能的测试。

同时测试仪还包含一个特制的测试手柄，测试手柄搭接在晶闸管两侧散热器上，实现对晶闸管级的上电测试。

图 1 便携式现场测试仪图片

3.2 测试模式

测试仪的测试模式分为本地模式和远程模式。

本地模式使用阀侧测试箱和测试手柄，本地模式用来测量晶闸管级的功能，测试项目包括晶闸管触发测试、晶闸管阻断测试、阻尼电阻测试、阻尼电容测试。

远程模式使用阀控侧测试箱、阀侧测试箱和测试手柄，远程模式用来进行全链路测试，测试项目包括触发光纤通路和回报光纤通路测试、阀控触发和回报功能测试。

测试过程中操作人员使用特制测试手柄，测试手柄可延伸至阀塔内部，无需进入阀塔内部接线，便可完成晶闸管级功能测试，大大节省了晶闸管级测试的时间，提高了晶闸管级功能的测试效率。

图 2 便携式现场测试仪测试流程

3.3 测试仪参数

1）环境参数

工作温度：−20℃～+85℃

相对湿度：10%～85%

使用环境：室内

2）输入电源

额定电压：115VAC～230VAC±10%

额定频率：50-60Hz

3）阻抗测试参数

电阻测试范围：0.1-100Ω

电阻测试精度：0.5Ω

电容测试范围：0.8-5uF

电容测试精度：0.05uF

4 测试仪设计

测试仪阀侧测试箱由波形发生单元，波形采集单元，控制单元和显示单元等组成。控制单元控制波形发生单元产生合适的激励，施加在待测晶闸管级上，通过波形采集单元收集相关信号，经过控制单元的分析，判断和处理，将测试结果传输到显示单元中[4-5]。

阀控测试箱包括信号发生单元和控制单元，控制单元模拟极控通过信号发生单元向阀控系统发送触发指令，以配合换流阀端完成晶闸管级的测试功能。

测试手柄结合测试过程的便利性，电气绝缘及生产工艺，如全部使用环氧树脂绝缘材料，则手柄重量较大，操作笨重，不利于操作人员在不同晶闸管级间进行测试。综合考虑，测试手柄除少许部分采用环氧树脂绝缘材料外，其余均使用不锈钢材料。经过上述处理后，不仅大幅度减少测试手柄的本身重量，方便操作，同时保证测试手柄与晶闸管级之间的电气绝缘。

测试仪采用便携式安全箱结构，适用于不同环境下的晶闸管级测试，便于携带和运输。

5 测试仪使用方法

5.1 测试仪使用准备工作

测试仪阀控测试箱接口主要包括供电电源接口和阀控实时通信接口。

测试仪阀侧测试箱接口主要包括极性选择接口、SD存储卡接口、测试输入接口、电源接口。

为减少上电过程中异常事件的发生，有效的上电前准备工作是必不可少的过程之一。上电前将对下面所列方面进行准备和检查。

设备外观检查，观察设备外观是否有异常，确保设备内部无物品存放。

电源线及连接线检查，为防止电源线、连接线缆等未连接，初次上电前应检查设备中连接端子间是否连接完整、紧密。

设备上电，接通220V交流电源后，观察装置中的指示灯是否为正常状态，若是设备工作不正常，关闭电源，重新上电检查，若问题依旧，则全部断电检修。

5.2 测试仪测试项目

1）阻尼电阻阻值和电容容值测试，操作人员将测试手柄接触至晶闸管级两端散热器上，打开电源开关。通过按钮选择“本地模式”和“开始测试”，测试结果将通过测试仪中LED显示屏显示出来。其中Rs和Cs分别代表阻尼回路中电阻值和电容值。

2）晶闸管触发、阻断及光分配器功能测试，操作人员将测试手柄接触至晶闸管级两端散热器上，打开电源开关，通过按钮选择“本地模式”和“开始测试”，测试结果将通过测试仪中LED显示屏显示出来。其中Vf代表晶闸管触发和光分配器功能测试结果，而Vb代表晶闸管阻断能力测试结果。

3 触发和回报光缆通断测试及阀控光接收和发射功能测试，将阀控设备中接口板两根主用线缆拆下，并装上换流阀现场测试仪阀控测试箱线缆。打开电源开关，将CB_ON，SYS_ACT及被测晶闸管级单阀相对应的FCS信号开关打开，等待阀控光接收板回报指示灯亮。将换流阀端测试手柄置于被测晶闸管级两端散热器上，打开电源开关。同时，选择远程模式，并通过面板上按钮选择“开始测试”。在换流阀现场测试仪阀控测试箱端，如果阀控光接收板中回报指示灯亮起时，打开“FPEN”开关。在换流阀现场测试仪阀侧测试箱端，查看晶闸管触发指示灯是否点亮。

6 总结

本文设计研制便携式现场检测仪，单次试验即可完成晶闸管级、光纤及阀控设备触发回报功能的测试。测试仪可以实现全自动数据采集、分析和记录，大大提高测试效率，还可以避免人工操作失误导致试验数据错误，节省大量的人力。与之前设备相比，该测试仪功能测试项目更为全面。该测试仪在提高测试效率的同时，也保证了换流阀运行的稳定性和可靠性。

参考文献

[1]赵畹君． 高压直流输电工程技术[M]． 北京 ：中国电力出版社，2004．

[2]任小静，王潇，刘飞超，等.两种特高压直流输电用晶闸管控制单元[J].高压电器，2015，51（7）：74-77.

[3]杨勇，石岩，操国宏，晁阳.特高压晶闸管反向恢复期失效机理及解决方案[J].电力电子技术，2019，53（9）：121-124.

[4]周鹏飞,李国林,谢鑫.某型装备测试数据自动采集技术研究[J].现代电子技术,2015,38(20):117-120.

[5]周立峰. 触摸屏功能测试系统的设计与实现[D].苏州大学,2015.