強(qiáng)迫換流參數(shù)對(duì)晶閘管工作特性的影響分析

劉軼強(qiáng)

強(qiáng)迫換流參數(shù)對(duì)晶閘管工作特性的影響分析

劉軼強(qiáng)

（海軍駐武漢地區(qū)軍事代表局駐湘潭地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭 411101）

混合式斷路器電流轉(zhuǎn)移支路中晶閘管的反向恢復(fù)過電壓擊穿和重加正向電壓擊穿是導(dǎo)致短路分?jǐn)嗍〉闹匾蛩兀芯烤чl管器件在短路分?jǐn)噙^程中面臨的工況對(duì)于提高短路分?jǐn)嗫煽啃跃哂兄匾囊饬x。本文采用函數(shù)解析的方法對(duì)混合式斷路器的強(qiáng)迫換流過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，依次探究了強(qiáng)迫換流回路投入時(shí)間、強(qiáng)迫換流電容參數(shù)、強(qiáng)迫換流電感參數(shù)對(duì)晶閘管正向電流峰值、關(guān)斷di/dt和反向電壓時(shí)間的影響。所得結(jié)論對(duì)于混合式斷路器中晶閘管組件設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

混合式斷路器 反向過電壓 正向電壓 晶閘管 強(qiáng)迫換流

0 引言

混合式斷路器通常由主開關(guān)并聯(lián)輔助開關(guān)構(gòu)成，主開關(guān)一般指機(jī)械開關(guān)，輔助開關(guān)由半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)限壓耗能裝置組成，由于綜合了機(jī)械開關(guān)通態(tài)損耗低的靜態(tài)特性以及固態(tài)開關(guān)動(dòng)作迅速、壽命長(zhǎng)、無(wú)弧開斷的動(dòng)態(tài)特性，是直流電力系統(tǒng)向中、高壓大容量領(lǐng)域發(fā)展的理想保護(hù)拓?fù)浞桨?。為滿足中壓大容量電力系統(tǒng)快速、大電流分?jǐn)嗟囊?，提出的一種基于大功率晶閘管的混合式斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括機(jī)械開關(guān)S1構(gòu)成的主開關(guān)支路，晶閘管組件T1構(gòu)成的電流轉(zhuǎn)移支路，晶閘管組件T0、強(qiáng)迫換流電容C1、強(qiáng)迫換流電感L1構(gòu)成的強(qiáng)迫換流支路，壓敏電阻MOV構(gòu)成的限壓耗能支路。故障電流分?jǐn)噙^程中，混合式斷路器的工作過程主要包括自然換流過程和強(qiáng)迫換流過程。

作為混合式斷路器核心部件的晶閘管組件T1，在自然換流過程中要能實(shí)現(xiàn)短路電流的快速轉(zhuǎn)移，在強(qiáng)迫關(guān)斷過程中要能在反向脈沖電流的作用下實(shí)現(xiàn)過零關(guān)斷，在重加正向電壓后能恢復(fù)正向介質(zhì)阻斷能力，是短路分?jǐn)噙^程能夠成功的關(guān)鍵。正向?qū)ㄟ^程中載流子的儲(chǔ)存效應(yīng)導(dǎo)致晶閘管中電流過零后并不能立刻關(guān)斷，需要經(jīng)過反向恢復(fù)過程才能恢復(fù)反向阻斷能力。反向恢復(fù)過程的電流下降階段，由于流過晶閘管中的電流的反向，在電源電壓和回路電感的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用下，晶閘管兩端會(huì)形成過電壓尖峰，當(dāng)電壓峰值超過器件的反向最大耐壓值時(shí)將會(huì)導(dǎo)致器件擊穿。從晶閘管器件的角度出發(fā)，反向恢復(fù)過電壓峰值由反向恢復(fù)電流峰值和電流下降的速率決定。文獻(xiàn)[1]均指出晶閘管的反向恢復(fù)電流峰值隨著正向電流峰值以及關(guān)斷d/d的增加而增加。晶閘管的關(guān)斷時(shí)間指從晶閘管中電流過零到重加正向電壓，器件不發(fā)生正向擊穿的最小時(shí)間，是表征晶閘管關(guān)斷速度的物理量。在短路分?jǐn)噙^程中，只有當(dāng)施加在晶閘管兩端的反向電壓時(shí)間大于其關(guān)斷時(shí)間時(shí)，晶閘管才能恢復(fù)正向阻斷能力，實(shí)現(xiàn)短路電流的可靠關(guān)斷。

圖1 基于大功率晶閘管的混合式斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

短路分?jǐn)噙^程中，強(qiáng)迫換流回路投入時(shí)間、強(qiáng)迫換流電容參數(shù)C1、強(qiáng)迫換流電感參數(shù)L1是影響晶閘管T1中的正向電流峰值、晶閘管的關(guān)斷d/d、晶閘管兩端反向電壓時(shí)間的主要因素。對(duì)強(qiáng)迫換流過程進(jìn)行深入的分析，明確晶閘管的應(yīng)用工況，對(duì)晶閘管器件選型、保護(hù)電路設(shè)計(jì)等具有很大的工程實(shí)用價(jià)值。雖然目前很多文獻(xiàn)對(duì)混合式斷路器進(jìn)行了介紹，但大多側(cè)重于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)而缺少針對(duì)某一類型拓?fù)涔ぷ鬟^程進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[4]對(duì)自然換流過程的影響因素進(jìn)行了分析，但是并未對(duì)強(qiáng)迫換流過程進(jìn)行介紹。

針對(duì)上述問題，本文以10 kV直流配電網(wǎng)為例，采用函數(shù)解析的方法，依次分析了強(qiáng)迫換流回路投入時(shí)間，強(qiáng)迫換流電容參數(shù)，強(qiáng)迫換流電感參數(shù)對(duì)于強(qiáng)迫換流過程中晶閘管正向電流峰值、關(guān)斷d/d、反向電壓時(shí)間的影響。明確了在短路開斷過程中，電流轉(zhuǎn)移支路中大功率晶閘管T1面臨的工況，對(duì)于晶閘管組件設(shè)計(jì)，保護(hù)電路設(shè)計(jì)等具有一定了指導(dǎo)意義。

1 強(qiáng)迫換流過程理論分析

強(qiáng)迫換流回路等效電路如圖2所示，其中表示短路電流，T表示流過晶閘管T1中的電流，c表示強(qiáng)迫換流回路中的電流。強(qiáng)迫換流電容C1預(yù)充電壓Uc，假設(shè)1時(shí)刻觸發(fā)晶閘管組件T2，投入強(qiáng)迫換流回路，放電過程中C1兩端電壓用c（）表示。

圖2 晶閘管組件T1強(qiáng)迫關(guān)斷過程等效電路

在晶閘管中電流過零之前，由基爾霍夫電路定律得：

解得：

其中：

快速晶閘管的反向恢復(fù)過程很短，大概只有十幾微妙，為進(jìn)一步分析方便，在該過程中近似認(rèn)為C1兩端電壓=c（2）不變。當(dāng)短路電流完全由晶閘管組件T1轉(zhuǎn)移到強(qiáng)迫換流回路中時(shí)，等效電路如圖3所示。

圖3 晶閘管組件T1關(guān)斷后等效電路

根據(jù)基爾霍夫定律得：

邊界條件為：

2表示晶閘管中電流過零時(shí)刻，可得到晶閘管關(guān)斷d/d=d(2)/d，正向電流峰值F=（1）。3表示C1兩端電壓反向，即晶閘管開始承受正向電壓時(shí)刻，則晶閘管承受反壓時(shí)間a=3-2

2 強(qiáng)迫換流參數(shù)對(duì)短路分?jǐn)噙^程的影響

以10kV中壓直流配電系統(tǒng)為例，系統(tǒng)電壓，支路電感L，短路時(shí)間常數(shù)，回路負(fù)載L為已知常數(shù)。保持強(qiáng)迫換流電容值C1值和強(qiáng)迫換流電感值L1不變，將上述參數(shù)帶入式（2）和（4），得到各參數(shù)隨著晶閘管組件T0觸發(fā)時(shí)刻1變化情況圖4所示。

（a）晶閘管T1正向電流峰值變化曲線

（b）晶閘管T1關(guān)斷di/dt變化曲線

（c）反向恢復(fù)過程C1兩端電壓變化曲線

（d）晶閘管T1承受反向電壓時(shí)間變化曲線

圖4 各參數(shù)隨晶閘管組件T0觸發(fā)時(shí)刻t1變化情況表

上圖4表明，隨著晶閘管組件T0導(dǎo)通時(shí)間t1增加，即強(qiáng)迫換流支路投入時(shí)間的增大，晶閘管T1中流過的正向電流峰值快速增加，同時(shí)承受反向電壓的時(shí)間大幅降低。在強(qiáng)迫換流電容充電電壓和電容參數(shù)確定的情況下，強(qiáng)迫換流回路投入時(shí)間增大，投入時(shí)刻短路電流增加，將導(dǎo)致晶閘管T1電流過零時(shí)刻，C1中剩余能量減小。雖然能在一定程度上通過降低uc以及晶閘管T1的關(guān)斷di/dt來(lái)降低反向恢復(fù)過程中組件兩端的反向恢復(fù)過電壓，但是由于反向電壓時(shí)間的大幅降低，可能導(dǎo)致重加正向電壓時(shí)晶閘管的正向擊穿。因此，應(yīng)合理控制電流轉(zhuǎn)移時(shí)間，盡可能的減小強(qiáng)迫換流回路投入時(shí)間。

下圖5可以看出，隨著C1值增大，晶閘管組件T0的關(guān)斷di/dt以及反向恢復(fù)過程電容C1施加在組件兩端的電壓也會(huì)增大。當(dāng)關(guān)斷短路電流IF保持不變的情況下，增大C1值，電容儲(chǔ)存能量增加，雖然會(huì)導(dǎo)致反向恢復(fù)過程中組件T1反向恢復(fù)過電壓峰值增大，但是卻能為晶閘管提供長(zhǎng)的反向電壓時(shí)間，這對(duì)于組件T1恢復(fù)正向阻斷能力是有力的。

保持晶閘管組件T0觸發(fā)時(shí)刻t1，C1值不變，隨著L1值增大，各參數(shù)變化情況如圖5所示。

（a）晶閘管T0關(guān)斷di/dt變化曲線

（b）反向恢復(fù)過程C1兩端電壓變化曲線

（c）晶閘管T0承受反向電壓時(shí)間變化曲線 圖5 各參數(shù)隨著強(qiáng)迫換流電容C1增大變化情況表

強(qiáng)迫換流回路中電感增大，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)迫換流電流峰值降低，在關(guān)斷相同短路電流情況下，導(dǎo)致電容C1中剩余電壓uc降低。因此，隨著L1值增大，晶閘管組件T1的關(guān)斷di/dt和反向恢復(fù)過程中電容器電壓電壓uc（t2，）均減小，晶閘管組件T1在反向恢復(fù)過電壓減小的同時(shí)，兩端的反壓承受時(shí)間ta也會(huì)大幅降低，容易導(dǎo)致重加正向電壓時(shí)器件的正向擊穿。

（a）晶閘管T0關(guān)斷di/dt變化曲線

（b）反向恢復(fù)過程C1兩端電壓變化曲線

（c）晶閘管T0承受反向電壓時(shí)間變化曲線 圖6 各參數(shù)隨L1增大各變化情況表

3 結(jié)論

文中采用函數(shù)解析的方法依次分析了強(qiáng)迫換流支路投入時(shí)間、強(qiáng)迫換流電容值、強(qiáng)迫換流電感值對(duì)電流轉(zhuǎn)移支路中晶閘管組件T1正向電流峰值、關(guān)斷di/dt、反向電壓時(shí)間的影響，得出結(jié)論如下：

1）隨著強(qiáng)迫換流支路投入時(shí)間t1增加，晶閘管正向電流峰值呈直線上升，反向電壓時(shí)間ta大幅降低，無(wú)論對(duì)于電流轉(zhuǎn)移支路中晶閘管T1關(guān)斷，還是重加正向電壓恢復(fù)正向介質(zhì)阻斷能力均是不利的；

2）增大強(qiáng)迫換流電容C1會(huì)帶來(lái)晶閘管組件T1關(guān)斷di/dt以及反向恢復(fù)過程電容C1電壓增大，導(dǎo)致反向恢復(fù)過電壓升高。但是卻能使晶閘管T1承受反向電壓的時(shí)間增長(zhǎng)，有利于提高重加正向電壓時(shí)恢復(fù)正向介質(zhì)阻斷能力的速度，因此可以合理增大C1值，然后設(shè)計(jì)合理的晶閘管反向恢復(fù)過電壓保護(hù)電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)晶閘管反向恢復(fù)過程中的過電壓保護(hù)。

（1）讀開頭。誰(shuí)能把這幾個(gè)自然段讀成一句話？（寫媽媽告訴“我”真愛像茉莉，我不理解）指名讀。結(jié)合理解“嗔怪”的意思以及使用范圍，力求讀出不同人說話的語(yǔ)氣

據(jù)antconc統(tǒng)計(jì)，《魯迅小說》用詞總詞形數(shù)(tokens)為92066個(gè)，詞類(types)為9176個(gè)，其中單音節(jié)詞為2297個(gè)。總體語(yǔ)料中的詞性分布(見表3)與前100詞趨同，前5類依次為動(dòng)詞、名詞、副詞、助詞和代詞。

3）增大換流電感L1同樣會(huì)導(dǎo)致晶閘管承受反向電壓時(shí)間大幅降低，從而導(dǎo)致重加正向電壓時(shí)的器件正向擊穿。

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Analysis of the Influence for Forced Commutation Parameters on the Operating Characteristics of the Thyristors

Liu Yiqiang

（Xiangtan Representatives Office, Naval Wuhan Representatives Bureau, Xiangtan 411101, Hunan, China）

Abstract: Reverse recovery overvoltage breakdown and re-added forward voltage breakdown of thyristors in current-transfer branches of the hybrid circuit breaker are key factors leading to short-circuit breaking failure. Thus studying the working conditions of thyristor devices in the process of short-circuit breaking is of great significance for improving the reliability of short-circuit breaking. In this paper, the method of function analysis is used to analyze the forced commutation process of the hybrid circuit breaker in detail. The effects of forced commutation loop input time, forced commutation capacitor parameters, forced commutation inductance parameters on thyristor forward current peak, turn-off di/dt and reverse voltage time are investigated respectivly. The results obtained have certain guiding significance for the design of thyristor components in hybrid circuit breakers.

Keywords: hybrid circuit breaker; reverse overvoltage; forward Voltage; thyristor; forced commutation;

中圖分類號(hào)：TM612

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2019）11-0018-05

收稿日期：2019-09-27

作者簡(jiǎn)介：劉軼強(qiáng)（1974-），男，高級(jí)工程師。研究方向：電氣工程。Email: lytftiger@163.com