特高壓直流換流閥的運(yùn)行性能及其失效機(jī)制

魯成棟 肖登明 秦松林

（上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200030）

隨著我國特高壓骨干電網(wǎng)的建設(shè)，特高壓直流輸電的相關(guān)技術(shù)有了快速的發(fā)展[1-3]。特高壓換流閥是特高壓直流輸電工程的核心器件，主要由晶閘管和其他輔助元件構(gòu)成。特高壓換流閥單閥由若干個(gè)閥段組成，一個(gè)閥段與一個(gè)完整閥的電氣特性相同，是能夠代表單閥電氣特性的最小單元，通常將兩個(gè)閥段組成一個(gè)閥組件。每個(gè)閥段由數(shù)個(gè)晶閘管級、閥飽和電抗器和均壓電容組成。而每一個(gè)晶閘管級又由一個(gè)晶閘管、阻尼回路和晶閘管觸發(fā)和檢測電子單元組成[4-5]。

國內(nèi)對直流換流閥失效機(jī)制的研究還較少，文獻(xiàn)[6]對TSC晶閘管閥的失效機(jī)制作了研究，可為直流換流閥失效機(jī)制的研究作一定的參考。文獻(xiàn)[7-8]分別對換流閥開通的電流應(yīng)力和關(guān)斷的電壓應(yīng)力進(jìn)行了探索研究，奠定了一定的理論依據(jù)。文獻(xiàn)[9]深入研究了換流閥在故障過電流下的失效機(jī)制，但未能考慮其他運(yùn)行工況，不夠全面。

換流閥在運(yùn)行中根據(jù)實(shí)際情況的變化，會處于各種復(fù)雜的運(yùn)行工況，換流閥上承受的電壓、電流以及熱應(yīng)力都各不相同，其運(yùn)行性能也有所不同。本文將討論換流閥各個(gè)運(yùn)行工況的特征及其運(yùn)行性能，并分析閥在不同工作周期下的失效機(jī)制，為提高換流閥的可靠性以及試驗(yàn)方法的研究提供一定的理論參考。

1 換流閥的運(yùn)行工況

以6脈動(dòng)換流器為例，如圖1所示，分析換流閥在不同運(yùn)行條件下的狀態(tài)。12脈動(dòng)換流器時(shí)由兩個(gè)6脈動(dòng)換流器串聯(lián)而成，其運(yùn)行工況與6脈動(dòng)換流器近似[10]。

圖1 六脈動(dòng)換流器

1.1 最大暫時(shí)運(yùn)行工況

特高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行中，有時(shí)候根據(jù)需要將整流器的觸發(fā)角α 調(diào)制至90°，使整流器輸出的平均電壓為零，停止功率輸出。同時(shí)，如果交流側(cè)線電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)最大值，換流閥就處于最大暫時(shí)運(yùn)行工況。該工況下，換流閥將承受嚴(yán)酷的電壓條件，電壓波形在一個(gè)周期內(nèi)存在兩次反轉(zhuǎn)，正反向電壓峰值均達(dá)到了交流線電壓峰值，該工況下，換流閥的損耗最大，電壓裕度最小，被擊穿的可能性很大。圖2為換流閥在最大暫時(shí)運(yùn)行工況時(shí)的仿真電壓波形，仿真時(shí)將交流電源有效值設(shè)為 100kV，直流側(cè)平波電抗器設(shè)置為足夠大。

圖2 最大暫時(shí)運(yùn)行工況時(shí)換流閥承受的電壓

1.2 故障過電流工況

直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，換流器主回路故障往往造成較為嚴(yán)重的后果整流器閥短路（橋臂短路）故障是最為嚴(yán)重的一種故障。

觸發(fā)角α=0°、Id=0時(shí)，閥短路將產(chǎn)生最大的短路故障電流。當(dāng)閥VT1向閥VT3換相結(jié)束后閥VT1立即發(fā)生短路，電流向著兩相短路的方向發(fā)展，此后換流閥將交替的發(fā)生三相和兩相短路，直流側(cè)輸出電壓幾乎為零。換流閥通過的短路電流如圖3所示，經(jīng)理論計(jì)算[11]，閥 VT3的電流 i3在 150°附近時(shí)達(dá)到最大值 1.433Is3，至 265.7°時(shí)降為 0，此時(shí)閥VT5的電流達(dá)到最大值1.863Is3。而閥VT1的電流i1= -(i3＋i5)，在210°左右達(dá)到最大值2.299 Is3。兩相短路電流幅值及三相短路電流幅值分別由下式求得

式中，E為換相線電壓有效值，Lr為換相電抗電感值，ω為角頻率。

圖3 六脈動(dòng)整流器閥短路時(shí)的短路電流

1.3 斷續(xù)直流運(yùn)行工況

直流整流器的輸出電流存在著紋波，紋波的大小與直流電壓、線路負(fù)載參數(shù)及其平波電抗器有關(guān)。由于某種原因，直流電流可能會出現(xiàn)間斷，這就是斷續(xù)直流現(xiàn)象。產(chǎn)生斷續(xù)直流的現(xiàn)象的原因有：①直流系統(tǒng)的控制角α 較大時(shí)，若平均電流小于某值，則電流可能出現(xiàn)間斷現(xiàn)象；②直流系統(tǒng)在啟動(dòng)停運(yùn)的過程中，由于直流電流很小，造成斷續(xù)直流現(xiàn)象；③觸發(fā)晶閘管時(shí)，雜散電容產(chǎn)生的反向浪涌進(jìn)入正在導(dǎo)通的晶閘管，使之提前過零關(guān)斷，產(chǎn)生斷續(xù)直流現(xiàn)象。圖4（a）表示了6脈動(dòng)整流器在斷續(xù)直流工況下?lián)Q流閥兩端的電壓、電流仿真波形，對于6脈動(dòng)整流器，一個(gè)周期會產(chǎn)生兩個(gè)半波斷續(xù)電流。12脈動(dòng)整流器由兩個(gè)6脈動(dòng)整流器串聯(lián)而成，在斷續(xù)直流工況下與 6脈動(dòng)整流器的情況有所不同，會在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生4個(gè)半波斷續(xù)電流，如圖4（b）所示。

圖4 斷續(xù)電流工況下?lián)Q流閥承受的電壓電流

1.4 最小觸發(fā)角和暫態(tài)欠電壓工況

最小觸發(fā)角工況指的是當(dāng)交流側(cè)線電壓為穩(wěn)態(tài)最小值且換流閥運(yùn)行在整流器最小觸發(fā)角時(shí)經(jīng)歷的工況。當(dāng)交流側(cè)線電壓為穩(wěn)態(tài)最小值時(shí)，閥的觸發(fā)電壓最小，最不利于閥觸發(fā)檢測的電子電路的取能，而觸發(fā)角處于最小值時(shí)，閥兩側(cè)的正向電壓最小。這兩個(gè)條件同時(shí)滿足的情況下很不利于換流閥的可靠觸發(fā)。

由于交流系統(tǒng)故障引起換流站交流母線電壓降低，換流閥將處于暫態(tài)過電壓工況。換流閥處于暫態(tài)欠電壓下，閥端子間電壓降低，換流閥的觸發(fā)電壓降低，若換流閥此時(shí)又運(yùn)行在最小觸發(fā)角狀態(tài)，則對閥的觸發(fā)要求最為苛刻。

1.5 最小關(guān)斷角工況

換流閥從關(guān)斷到閥承受的電壓由負(fù)變正的過零點(diǎn)之間的時(shí)間用電角度角γ 表示，稱為逆變器的關(guān)斷角。晶閘管關(guān)斷后必須承受足夠時(shí)間的反向恢復(fù)電壓，將其內(nèi)部的存儲電荷移走，才能恢復(fù)其正向阻斷能力。因此逆變器關(guān)斷角不能過小，否則將引起換相失敗[12]。

最小關(guān)斷角工況指的是當(dāng)交流側(cè)線電壓為穩(wěn)態(tài)最小值且換流閥運(yùn)行在逆變器最小關(guān)斷角時(shí)經(jīng)歷的工況。在最小關(guān)斷角工況下，直流系統(tǒng)向換流閥提供的反向恢復(fù)電壓最小，對閥的關(guān)斷要求最為苛刻。

圖5 最小關(guān)斷角工況下?lián)Q流閥承受的電壓

1.6 恢復(fù)期瞬態(tài)正向電壓

恢復(fù)期瞬態(tài)正向電壓指的是逆變器換流閥在關(guān)斷的反向恢復(fù)期間承受瞬態(tài)的正向電壓，該工況對換流閥關(guān)斷能力的考驗(yàn)非常嚴(yán)酷，并考驗(yàn)換流閥承受瞬態(tài)電壓的能力。瞬態(tài)正向電壓產(chǎn)生時(shí)，換流閥可能還沒有完全恢復(fù)正向阻斷能力或者只有部分晶閘管恢復(fù)正向阻斷能力，造成晶閘管的損耗，可能引起晶閘管的損壞。

恢復(fù)期瞬態(tài)正向電壓產(chǎn)生的原因舉例分析如下。在逆變器中閥 VT2關(guān)斷后的區(qū)間內(nèi)，尤其是閥反向恢復(fù)期間，處于同一相的另一個(gè)換流閥VT5若發(fā)生誤觸發(fā)開通或者由于絕緣損壞而開通，則會在閥上產(chǎn)生很陡的正向沖擊電壓，引起閥恢復(fù)期間瞬態(tài)正向電壓現(xiàn)象。圖6表示閥VT2在反向恢復(fù)期間（t=0.08s左右）由于閥VT5的誤觸發(fā)開通而導(dǎo)致的瞬態(tài)正向電壓。

圖6 恢復(fù)期間瞬態(tài)正向電壓

2 換流閥的失效機(jī)制

直流換流閥的工作周期可以分為四個(gè)狀態(tài)（運(yùn)行區(qū)間）：開通、關(guān)斷、通態(tài)和斷態(tài)。在這四種狀態(tài)下，換流閥的運(yùn)行性能和失效機(jī)制各不相同，下面予以分析。

2.1 換流閥的開通

換流閥在開通時(shí)，受到門極電流的觸發(fā)，晶閘管僅在門極附近區(qū)域?qū)?，?jīng)過導(dǎo)通區(qū)等離子體的擴(kuò)展過程，晶閘管的其余部分才完全轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)。等離子體的擴(kuò)展過程主要機(jī)理是擴(kuò)散作用和漂移作用。等離子體的擴(kuò)散過程會產(chǎn)生熱量，并導(dǎo)致局部結(jié)溫的上升。若晶閘管開通時(shí)電流上升率di/dt很大，導(dǎo)致導(dǎo)通區(qū)域的局部電流密度和局部溫升很大，由于硅的比熱容和熱傳導(dǎo)率很小，則晶閘管的溫度將迅速上升，最終導(dǎo)致晶閘管的損壞和失效。

換流閥開通瞬間的電流上升率di/dt是衡量換流閥在開通時(shí)是否會因?yàn)榫植窟^熱而損壞失效的重要指標(biāo)。換流閥開通瞬間時(shí)的電流上升率主要由外電路決定，包括閥的串聯(lián)電抗、閥端電壓和其他外電路參數(shù)等影響因素。換流閥在開通時(shí)的等效電路圖如圖7所示，其中L為主回路電感，Lsat和Rsat分別為飽和電抗和電阻，Cd和 Rd分別為阻尼電容和電阻，Cs為雜散電容，Ra為避雷器電阻。

圖7 換流閥開通時(shí)的等效電路圖

換流閥開通瞬間的電流上升率di/dt主要包括兩部分：主電路的電流上升率和阻尼回路放電帶來的電流上升率。此外，雜散電容也會帶來電流上升率。

故障過電流工況的主回路電流上升率最大，根據(jù)1.2節(jié)的分析，閥VT5的開通電流的表達(dá)式如下：

閥VT5在ωt=120°+α?xí)r導(dǎo)通，故其瞬間開通的電流上升率為

阻尼回路放電過程帶來的電流上升率是由于換流閥在觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電容器上所充的高電壓迅速通過晶閘管放電導(dǎo)致的。設(shè)換流閥開通前電容器上的電壓為U0，則開通時(shí)阻尼回路帶來的電流上升率為

換流閥開通時(shí)阻尼回路放電過程產(chǎn)生的di/dt如果過大，不僅增大了通過晶閘管的di/dt，還可能導(dǎo)致阻尼電阻上瞬時(shí)功率過大，損壞阻尼電阻，從而使換流閥失效[13]。

另外，雜散電容的存在不僅能產(chǎn)生開通電流上升率，而且會和陽極的飽和電抗器作用，使閥的開通電流產(chǎn)生振蕩。

對過電流故障工況和最大暫時(shí)運(yùn)行工況等高電壓運(yùn)行工況，換流閥在開通時(shí)可能由于電流上升率di/dt過大而失效；對于最小觸發(fā)角和暫時(shí)欠電壓工況等低電壓運(yùn)行工況，換流閥可能無法可靠觸發(fā)，導(dǎo)致斷續(xù)直流現(xiàn)象。以上是換流閥在開通時(shí)需要注意的問題。

2.2 換流閥的通態(tài)

換流閥在通態(tài)時(shí)通過的電流會在晶閘管內(nèi)部產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致晶閘管結(jié)溫上升。如果晶閘管結(jié)溫繼續(xù)上升至一定的溫度，將形成兩類內(nèi)部“自加熱”的正反饋物理過程，進(jìn)一步導(dǎo)致晶閘管溫度上升。

1）在過電流情況下，最初晶閘管基區(qū)載流子密度隨電流密度J的增大而增大，隨著晶閘管結(jié)溫的上升，載流子的有效壽命τ和雙極擴(kuò)散系數(shù)迅速降低，基區(qū)載流子的濃度開始下降，晶閘管開始從復(fù)合型熱擴(kuò)散向歐姆型熱擴(kuò)散轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致結(jié)溫迅速上升，進(jìn)一步促使上述轉(zhuǎn)變，形成了正反饋的過程，從而造成晶閘管內(nèi)部的自加熱。

2）當(dāng)基區(qū)載流子濃度降低到一定濃度值時(shí)（≤1017cm-3），高溫激發(fā)的本征載流子濃度開始增大，本征載流子的濃度相對較高的點(diǎn)會形成“自加熱”的正反饋過程。結(jié)溫的上升會在高溫點(diǎn)形成“微—等離子體”，當(dāng)溫度繼續(xù)上升至絲化溫度時(shí)，晶閘管內(nèi)部將形成“中—等離子體”，中—等離子體的形成將使器件的耐壓耐電流能力大大降低，最終導(dǎo)致晶閘管失效[14]。

由上述分析可見，換流閥通態(tài)下特性的決定性因素是晶閘管的結(jié)溫。故對換流閥通態(tài)電流強(qiáng)度的校核主要考慮換流閥在各運(yùn)行工況下的溫升。根據(jù)通過晶閘管電流的時(shí)間長短，換流閥的溫升分為三種：穩(wěn)態(tài)溫升、暫態(tài)溫升和瞬態(tài)溫升，在分析時(shí)也分別采用穩(wěn)態(tài)熱阻Rth、暫態(tài)熱阻Rth和瞬態(tài)熱阻Rs來計(jì)算溫升。晶閘管的溫升ΔT(t)可由下式計(jì)算：

式中，R表示晶閘管在不同情況下的熱阻，Pd(t)為通態(tài)損耗，Ud(t)為晶閘管在導(dǎo)通過程中的通態(tài)壓降，i(t)為通態(tài)電流。

此外值得一提的是，換流閥通態(tài)時(shí)電流過大，還可能造成阻尼回路功率損耗過大，燒壞阻尼電阻，這也是通態(tài)換流閥失效的一個(gè)原因。

換流閥通態(tài)的另一個(gè)重要參數(shù)為晶閘管的維持電流 IH，維持電流指的是使晶閘管保持導(dǎo)通的最小電流。在低電壓運(yùn)行工況下，若晶閘管通態(tài)電流低于維持電流IH，導(dǎo)致晶閘管非正常關(guān)斷，直流電流不再連續(xù)。這種斷續(xù)直流狀態(tài)，存在兩方面的危害，一是在換流變壓器和平波電抗器等電感性元件上產(chǎn)生很高的過電壓，危害絕緣；二是在關(guān)斷時(shí)晶閘管的n基區(qū)內(nèi)仍存在大量過剩載流子，其復(fù)合過程很緩慢，若此期間剩余載流子的濃度高于臨界值，晶閘管兩端施加的正向電壓將因傳導(dǎo)引起晶閘管的非門極導(dǎo)通，非常容易在局部形成過熱點(diǎn)，從而損壞晶閘管。

2.3 換流閥的關(guān)斷

晶閘管兩端并聯(lián)有阻容電路，在晶閘管的關(guān)斷過程中可起到抑制過沖的作用，其等效電路如圖 8所示。以晶閘管反向電流達(dá)到最大值Irr時(shí)作為開始時(shí)間，則串聯(lián)電感L上的初始電流為Irr，電容上的初始電壓為 0。由于關(guān)斷過程的時(shí)間較短，作用在晶閘管兩端的反向外部電壓可認(rèn)為是不變的，設(shè)為E。

圖8 晶閘管關(guān)斷過程的簡化等效電路圖

晶閘管反向恢復(fù)電流ith可采用指數(shù)函數(shù)模型或者雙曲正割函數(shù)模型，本文采用指數(shù)函數(shù)模型，由下式所示[15]：

得到晶閘管兩端的電壓uth的表達(dá)式：

換流閥在關(guān)斷過程中可能出現(xiàn)3種失效機(jī)制：①反向電壓過高導(dǎo)致的反向擊穿；②晶閘管缺陷點(diǎn)的本征載流子激發(fā)失效；③晶閘管的反向電壓上升率du/dt過大導(dǎo)致的誤導(dǎo)通失效。

晶閘管的反向擊穿機(jī)理可分為兩種：雪崩擊穿和穿通效應(yīng)。雪崩擊穿指的晶閘管內(nèi)空間電荷區(qū)的電子和空穴在反向電壓的作用下，不斷與晶體原子發(fā)生碰撞，碰撞后產(chǎn)生新的自由電子和空穴對，如此連鎖反應(yīng)使得載流子數(shù)量呈雪崩式地增長，流過PN結(jié)的電流急劇增大，導(dǎo)致PN結(jié)被擊穿。穿通效應(yīng)指的是在反向電壓的作用下，若空間電荷的展寬等于N基區(qū)的寬度，集電結(jié)未達(dá)到雪崩擊穿時(shí)就會出現(xiàn)電流突然增大的現(xiàn)象，使J2結(jié)穿通，從而導(dǎo)致晶閘管的擊穿。

晶閘管缺陷點(diǎn)的本征載流子激發(fā)失效與晶閘管通態(tài)時(shí)結(jié)溫過高導(dǎo)致“自加熱”過程的原理相似。晶閘管在制造過程中會存在有低密度的缺陷點(diǎn)，這些點(diǎn)的電流密度高于晶閘管的其他部分。晶閘管關(guān)斷時(shí)的反向電流可能導(dǎo)致結(jié)溫過高，會在局部高溫缺陷點(diǎn)形成“微—等離子體”，若電流密度繼續(xù)上升，高溫激發(fā)的本征載流子濃度不斷增大，超過臨界值后，“微—等離子體”將轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸小入x子體”，造成晶閘管的“自加熱”，最終導(dǎo)致晶閘管器件的失效。

晶閘管在關(guān)斷時(shí)，其反向電壓具有很大的上升率du/dt，由于結(jié)電容CJ的存在，J2結(jié)會有充電電流流過，稱為位移電流Idis。位移電流經(jīng)過J3結(jié)時(shí)，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果正向電壓上升率過大，會導(dǎo)致晶閘管的誤導(dǎo)通。晶閘管在該狀態(tài)下誤導(dǎo)通，其導(dǎo)通區(qū)域往往不在門極結(jié)構(gòu)的限制范圍內(nèi)，屬于非門極導(dǎo)通，非常容易在局部形成過熱點(diǎn)，最終導(dǎo)致晶閘管的失效。反向電壓上升率du/dt的計(jì)算公式如下式所示：

故障過電流等高電壓工況下，換流閥在關(guān)斷時(shí)有可能由于上述三個(gè)原因造成關(guān)斷失效。換流閥在最小關(guān)斷角工況下，直流系統(tǒng)提供的反向電壓較低，而且反向電壓的施加時(shí)間最短，對閥的關(guān)斷要求苛刻，有可能無法可靠關(guān)斷而發(fā)生誤導(dǎo)通，導(dǎo)致?lián)Q相失敗，影響逆變器的正常運(yùn)行，并損壞換流閥。

2.4 換流閥的斷態(tài)

換流閥經(jīng)過關(guān)斷過程，就進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，稱為斷態(tài)。換流閥在斷態(tài)期間可能會經(jīng)受復(fù)雜的電壓波形，包括工頻分量、高頻電壓跳變以及直流分量。

換流閥兩端電壓的變化會導(dǎo)致阻尼回路和串聯(lián)飽和電抗器上產(chǎn)生損耗，電壓中的直流分量還會在換流閥的直流均壓電阻上產(chǎn)生很大的功率損耗，造成局部過熱，熔斷或擊穿均壓電阻的連接件，從而進(jìn)一步引發(fā)各個(gè)晶閘管電壓的分布不均，可能導(dǎo)致承受高電壓的晶閘管擊穿，最終損壞整個(gè)換流閥。

換流閥斷態(tài)時(shí)如果其正向電壓上升率 du/dt過高，會在晶閘管內(nèi)部產(chǎn)生位移電流Idis，導(dǎo)致晶閘管的誤導(dǎo)通，容易在局部產(chǎn)生過熱點(diǎn)而損壞晶閘管。換流閥通過故障過電流后阻斷并承受正向電壓，以及逆變器換流閥關(guān)斷后的恢復(fù)期間承受瞬態(tài)正向電壓這兩種情況下，換流閥承受的正向電壓上升率du/dt很高，極有可能使換流閥發(fā)生誤導(dǎo)通，從而造成換流閥的損壞。

3 結(jié)論

本文針對特高壓直流換流閥運(yùn)行工況的特點(diǎn)，根據(jù)換流閥的不同工作周期運(yùn)行性能的分析，得出其失效機(jī)制：

1）換流閥的開通

（1）電流上升率 di/dt的過大，載流子來不及擴(kuò)散造成局部溫升失效。

（2）開通沖擊電流導(dǎo)致阻尼電阻失效。

2）換流閥的通態(tài)

（1）通態(tài)電流過大導(dǎo)致的溫升失效。

（2）阻尼電阻損耗過大導(dǎo)致的失效。

（3）通態(tài)電流過低形成直流斷續(xù)導(dǎo)致晶閘管的損壞。

3）換流閥的關(guān)斷

（1）關(guān)斷反向電壓過高導(dǎo)致的反向擊穿。

（2）晶閘管缺陷點(diǎn)的高溫本征載流子激發(fā)失效。

（3）關(guān)斷反向電壓變化率du/dt過大導(dǎo)致晶閘管誤導(dǎo)通失效。

（4）晶閘管未能可靠關(guān)斷導(dǎo)致?lián)Q相失敗，引起晶閘管失效。

4）換流閥的斷態(tài)

（1）直流過電壓導(dǎo)致均壓電阻失效。

（2）斷態(tài)正向電壓上升率du/dt過大形成誤導(dǎo)通失效。

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