基于LC振蕩回路的晶閘管閥短路電流試驗

胡永雄 常忠廷 董意鋒 王永康

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

基于LC振蕩回路的晶閘管閥短路電流試驗

胡永雄 常忠廷 董意鋒 王永康

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

晶閘管閥短路電流試驗是考核直流輸電晶閘管閥耐受短路電流能力的運行型式試驗項目，要求試驗結(jié)果跟實際運行工況具有等價性。本文使用LC振蕩回路對直流輸電晶閘管閥進行短路電流試驗進行研究，并利用計算機仿真技術(shù)對其進行仿真研究，以確定回路參數(shù)準(zhǔn)確性和試驗方法的有效性。結(jié)果表明以LC振蕩回路產(chǎn)生的短路電流，滿足直流輸電晶閘管閥短路電流標(biāo)準(zhǔn)要求，可做為進行直流輸電晶閘管閥短路試驗的有效方法。

晶閘管閥；閥短路電流試驗；LC振蕩回路；仿真

晶閘管閥是直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備，具有技術(shù)難度大、集成度大、跨學(xué)科領(lǐng)域多、可靠性要求高等特點，是實現(xiàn)交直流電轉(zhuǎn)換的核心功能單元。為檢驗晶閘管閥產(chǎn)品的性能，需要對晶閘管閥進行一系列的型式試驗，其中閥短路電流試驗就是重要的型式運行試驗項目，目的是考核晶閘管閥承受短路工況下電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力和熱應(yīng)力的能力。

1 試驗標(biāo)準(zhǔn)及要求

1.1 試驗標(biāo)準(zhǔn)

晶閘管閥運行型式試驗現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主要有 GB/T 20990.1—2007和IEC 60700-1：2008。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，閥短路電流試驗包括兩個試驗項目：①帶后續(xù)閉鎖電壓的一個周波的短路電流試驗；②不帶后續(xù)閉鎖電壓的三個周波的短路電流試驗。

1.2 試驗要求

根據(jù)GB/T 20990.1—2007，晶閘管閥短路電流試驗要求在晶閘管最大持續(xù)運行結(jié)溫條件下進行。

對于單周波短路電流試驗，主要的要求是跟隨單周波短路電流后，再現(xiàn)最嚴(yán)重的正向電壓與晶閘管結(jié)溫的聯(lián)合作用。

對于多周波短路電流試驗，主要要求是跟隨多周波短路電流的倒數(shù)第二個波次后，反向恢復(fù)時，再現(xiàn)最嚴(yán)重的反向電壓與晶閘管結(jié)溫的聯(lián)合作用。

2 試驗原理與試驗方法

2.1 試驗原理

為了降低試驗設(shè)備容量，提高試驗效率，減少投資，晶閘管閥運行型式試驗一般采用合成方式進行，利用相對獨立的電流源系統(tǒng)和電壓源系統(tǒng)，分別提供滿足要求的試驗電流和試驗電壓，利用電流引入或電壓引入的方法，按標(biāo)準(zhǔn)的要求進行試驗。

2.2 試驗方法

晶閘管閥短路電流試驗按短路電流的獲得方式可分為直接試驗方式和合成試驗方式。在運行參數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下，直接試驗方式利用短路發(fā)電機系統(tǒng)提供短路電流和預(yù)期恢復(fù)電壓，直接進行閥短路電流試驗；合成試驗方式是幾個獨立的電壓、電流系統(tǒng)通過控制系統(tǒng)控制作用配合施加至試品閥的一種試驗方式。

本文所介紹的就是在合成試驗基礎(chǔ)上，利用LC振蕩回路提供短路電流進行直流輸電晶閘管閥短路電流試驗的一種方式。

3 參數(shù)特性

3.1 晶閘管結(jié)溫特性

在穩(wěn)態(tài)運行工況下，晶閘管工作時會因消耗電功率而產(chǎn)生熱量，集中在晶閘管的 PN結(jié)中。晶閘管結(jié)溫由其總的功率損耗和散散熱量共同決定。其結(jié)溫不能超過規(guī)定值，否則晶閘管會因過熱而使發(fā)生不可恢復(fù)的熱擊穿。

在暫態(tài)工況下，晶閘管閥會流經(jīng)幅值高，時間長的單周波或三周波脈沖電流，該脈沖電流短時間內(nèi)在晶閘管內(nèi)部會產(chǎn)生大量的熱，由于熱量不能及時帶走，大部分積聚在硅片中使得結(jié)溫急劇上升。最高允許溫度可查晶閘管特性參數(shù)表。

3.2 應(yīng)力要求

1）電流及其熱應(yīng)力

從上述晶閘管結(jié)溫特性考慮，對晶閘管的性能參數(shù)造成致命影響的因素就是熱量，即短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)。只要試驗回路能在要求時間內(nèi)，對晶閘管閥施加要求幅值和持續(xù)時間的短路電流，產(chǎn)生要求的熱應(yīng)力，就能達到考核目的。

2）電壓應(yīng)力

按照GB/T 20990.1—2007要求，晶閘管閥通過要求峰值和持續(xù)時間的短路電流，并在正確時刻承受規(guī)定幅值的正反向電壓。要求晶閘管閥承受短路電流后，能夠承受規(guī)定幅值的電壓應(yīng)力，就可以實現(xiàn)對晶閘管閥承受短路電流后對電壓應(yīng)力的考核要求。

4 用LC振蕩回路進行閥短路電流試驗

4.1 LC振蕩回路基本原理分析

LC振蕩回路產(chǎn)生短路電流的基本原理是通過調(diào)整LC回路的LC參數(shù)，使其振蕩產(chǎn)生所要求的試驗電流，LC等效電路圖如圖1所示。

圖1 LC振蕩回路

將電容C預(yù)先充滿電，假設(shè)電容C預(yù)先充電至U0，電感初始電流為I0，開關(guān)K閉合后，電容器將通過電阻R和電感L放電，在回路中將產(chǎn)生一定頻率的振蕩電流。對該電路過程列微分方程如下式（1）。

解微分方程（1），得下式（2）和式（3）：

從上述計算式看出，電流峰值大小跟電容預(yù)充電電壓、電容值和電感值有關(guān)，電流周期時間取決于電感值和電容值得乘積，而電感大小又決定了電流的上升率。

4.2 用LC振蕩回路進行短路電流試驗

1）晶閘管閥短路電流試驗過程

晶閘管閥型式運行試驗回路等效電路如圖2所示，在進行閥短路電流試驗時，閥運行型式試驗合成回路首先投入運行，按照閥工程運行的實際參數(shù)提供電流和電壓。當(dāng)晶閘管閥 VT結(jié)溫達到短路電流試驗要求的溫度時，利用 LC振蕩回路給晶閘管閥VT提供短路電流，電壓源提供預(yù)期試驗電壓。

圖2 合成試驗回路等效電路圖

2）LC振蕩回路參數(shù)計算

（1）短路電流周期頻率計算

由于晶閘管閥單周波短路電流試驗和多周波短路電流試驗的實現(xiàn)方式相同，下面以某直流輸電工程晶閘管閥單周波短路電流試驗為例進行 LC振蕩回路參數(shù)計算。

該直流工程要求晶閘管閥承受短路電流36kA，短路電流持續(xù)時間約 18ms，短路電流后承受 37kV正向電壓。因為晶閘管閥的單向?qū)щ娦?，所以實際周期T=36ms，

（2）電感電容計算

令電容預(yù)充電電壓為2800V，根據(jù)計算式（4）和式（5）有

3）仿真驗證

利用 LC振蕩回路產(chǎn)生短路電流，并配合合成試驗回路電壓源的時序控制給晶閘管閥施加短路后的恢復(fù)電壓，并用仿真軟件仿真這個試驗過程。

根據(jù)上述計算的 LC振蕩回路參數(shù)，使用PSCAD/EMTDC建立仿真模型對參數(shù)選擇的正確予以驗證，得出如圖3所示波形。

圖3 晶閘管閥單周波短路電流試驗波形

從圖 3所示波形看出，短路電流持續(xù)時間17.9ms，短路電流幅值36.5kA，短路電流后正向電壓37.8kV。結(jié)果表明LC振蕩回路主要參數(shù)計算正確，其產(chǎn)生的短路電流可較好滿足標(biāo)準(zhǔn) GB/T 20990.1—2007和IEC 60700-1：2008對晶閘管閥短路電流試驗的要求。

5 結(jié)論

一般情況，晶閘管閥短路電流的主要方法有短路發(fā)電機回路試驗法和 LC振蕩回路法。在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的條件下，比較而言，使用 LC振蕩回路對直流輸電晶閘管閥進行短路電流試驗，具有如下優(yōu)點：

1）通過合理設(shè)計和選擇 LC參數(shù)，LC振蕩回路就能產(chǎn)生與短路發(fā)電機系統(tǒng)產(chǎn)生基本一致的短路電流。

2）利用LC振蕩回路進行直流輸電晶閘管閥短路電流試驗，具有投資少，控制靈活。

3）利用LC振蕩回路，可以實現(xiàn)短路發(fā)電機系統(tǒng)無法達到的最大短路電流值。

［1］邱關(guān)源.電路［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［3］王兆安.電力電子技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［4］錢家驪，關(guān)永剛.振蕩回路應(yīng)用的擴展［J］.高壓電器，2004，40（2）：142-143.

［5］賀恒鑫，何俊佳.用于高壓直流輸電的晶閘管換流閥運行試驗回路等價性比較［J］.高壓電器，2006，42（3）：201-204.

［6］郭思君.高壓限流熔斷器組合保護裝置作發(fā)電機短路保護的探討［J］.四川水力發(fā)電，2000，19（S1）：60-61，69.

［7］李梅，王朝暉，孫宏偉，等.一種晶閘管閥的合成試驗回路研究［J］.高壓電器，2004，40（3）：205-207.

胡永雄（1982-），男，湖南省郴州市人，工程師，本科，研究方向為高壓直流輸電試驗。