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(yàn)

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(yàn)是考核直流輸電晶閘管閥耐受短路電流能力的運(yùn)行型式試驗(yàn)項(xiàng)目，要求試驗(yàn)結(jié)果跟實(shí)際運(yùn)行工況具有等價(jià)性。本文使用LC振蕩回路對(duì)直流輸電晶閘管閥進(jìn)行短路電流試驗(yàn)進(jìn)行研究，并利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)其進(jìn)行仿真研究，以確定回路參數(shù)準(zhǔn)確性和試驗(yàn)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(jìn)行直流輸電晶閘管閥短路試驗(yàn)的有效方法。

晶閘管閥；閥短路電流試驗(yàn)；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(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)交直流電轉(zhuǎn)換的核心功能單元。為檢驗(yàn)晶閘管閥產(chǎn)品的性能，需要對(duì)晶閘管閥進(jìn)行一系列的型式試驗(yàn)，其中閥短路電流試驗(yàn)就是重要的型式運(yùn)行試驗(yàn)項(xiàng)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及要求

1.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

晶閘管閥運(yùn)行型式試驗(yàn)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(yàn)包括兩個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目：①帶后續(xù)閉鎖電壓的一個(gè)周波的短路電流試驗(yàn)；②不帶后續(xù)閉鎖電壓的三個(gè)周波的短路電流試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)要求

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

對(duì)于單周波短路電流試驗(yàn)，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(duì)于多周波短路電流試驗(yàn)，主要要求是跟隨多周波短路電流的倒數(shù)第二個(gè)波次后，反向恢復(fù)時(shí)，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(yàn)原理與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原理

為了降低試驗(yàn)設(shè)備容量，提高試驗(yàn)效率，減少投資，晶閘管閥運(yùn)行型式試驗(yàn)一般采用合成方式進(jìn)行，利用相對(duì)獨(dú)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(yàn)電流和試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

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

本文所介紹的就是在合成試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用LC振蕩回路提供短路電流進(jìn)行直流輸電晶閘管閥短路電流試驗(yàn)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(yùn)行工況下，晶閘管工作時(shí)會(huì)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(guò)規(guī)定值，否則晶閘管會(huì)因過(guò)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(huì)流經(jīng)幅值高，時(shí)間長(zhǎng)的單周波或三周波脈沖電流，該脈沖電流短時(shí)間內(nèi)在晶閘管內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的熱，由于熱量不能及時(shí)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(duì)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(yàn)回路能在要求時(shí)間內(nèi)，對(duì)晶閘管閥施加要求幅值和持續(xù)時(shí)間的短路電流，產(chǎn)生要求的熱應(yīng)力，就能達(dá)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(guò)要求峰值和持續(xù)時(shí)間的短路電流，并在正確時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管閥承受短路電流后對(duì)電壓應(yīng)力的考核要求。

4 用LC振蕩回路進(jìn)行閥短路電流試驗(yàn)

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(guò)調(diào)整LC回路的LC參數(shù)，使其振蕩產(chǎn)生所要求的試驗(yàn)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(kāi)關(guān)K閉合后，電容器將通過(guò)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(duì)該電路過(guò)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(jì)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(shí)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(jìn)行短路電流試驗(yàn)

1）晶閘管閥短路電流試驗(yàn)過(guò)程

晶閘管閥型式運(yùn)行試驗(yàn)回路等效電路如圖2所示，在進(jìn)行閥短路電流試驗(yàn)時(shí)，閥運(yùn)行型式試驗(yàn)合成回路首先投入運(yùn)行，按照閥工程運(yùn)行的實(shí)際參數(shù)提供電流和電壓。當(dāng)晶閘管閥 VT結(jié)溫達(dá)到短路電流試驗(yàn)要求的溫度時(shí)，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(yàn)電壓。

圖2 合成試驗(yàn)回路等效電路圖

2）LC振蕩回路參數(shù)計(jì)算

（1）短路電流周期頻率計(jì)算

由于晶閘管閥單周波短路電流試驗(yàn)和多周波短路電流試驗(yàn)的實(shí)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(yàn)為例進(jìn)行 LC振蕩回路參數(shù)計(jì)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(shí)間約 18ms，短路電流后承受 37kV正向電壓。因?yàn)榫чl管閥的單向?qū)щ娦?，所以?shí)際周期T=36ms，

（2）電感電容計(jì)算

令電容預(yù)充電電壓為2800V，根據(jù)計(jì)算式（4）和式（5）有

3）仿真驗(yàn)證

利用 LC振蕩回路產(chǎn)生短路電流，并配合合成試驗(yàn)回路電壓源的時(shí)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(gè)試驗(yàn)過(guò)程。

根據(jù)上述計(jì)算的 LC振蕩回路參數(shù)，使用PSCAD/EMTDC建立仿真模型對(duì)參數(shù)選擇的正確予以驗(yàn)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(yàn)波形

從圖 3所示波形看出，短路電流持續(xù)時(shí)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(jì)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(duì)晶閘管閥短路電流試驗(yàn)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(jī)回路試驗(yàn)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(duì)直流輸電晶閘管閥進(jìn)行短路電流試驗(yàn)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

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

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

3）利用LC振蕩回路，可以實(shí)現(xiàn)短路發(fā)電機(jī)系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到的最大短路電流值。

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胡永雄（1982-），男，湖南省郴州市人，工程師，本科，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娫囼?yàn)。