一种换流阀用晶闸管承受最严酷电流应力的试验设计与分析方法

摘要

本发明提出了一种换流阀用晶闸管承受最严酷电流应力的试验设计与分析方法。在换流阀开通电流工况中，最严酷的为非周期触发下晶闸管的开通电流应力。为了验证换流阀用晶闸管能够承受此开通应力，本发明设计了专门的试验，采用冲击电容、饱和电抗器、晶闸管串联，冲击电容放电的形式产生放电电流流过晶闸管，设计试验参数以确保施加在晶闸管上的电流应力与换流阀在非周期触发工况下的电流应力等效。本发明设计的试验实现简单，易调节，等效性强。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统器件领域，尤其涉及一种换流阀用晶闸管承受最严酷电流应力的试验设计与分析方法。

背景技术

直流输电换流阀用晶闸管是换流阀中最关键最核心的器件。在换流阀运行中，晶闸管所承受的电压和电流应力都需要在其安全运行范围内方能保证晶闸管正常工作。在晶闸管应能承受的电流应力中，最严酷的暂态电流应力为换流阀在非周期触发(根据IEC和GB执行)情况下避雷器能量和阀端间杂散电容的能量通过晶闸管转移导致的电流应力。

一般换流阀桥臂由数十只晶闸管构成，如果晶闸管不能承受该电流应力，那么过强且恶劣的电流应力通过晶闸管会在扩散转移过程中产生局部过热现象导致损坏晶闸管。因此，每只晶闸管都应该有试验验证表明其耐受最严酷电流应力。由于是破坏性试验，现有晶闸管开展此试验时，都是固定试验回路，固定的试验参数，即使能够调节也是有限的档位，而且其中限流器件和换流阀回路中的限流器件特性有所不同。而针对不同的换流阀工程，晶闸管应能承受的最严酷电流应力有所不同，因此现有试验存在较多弊端。

国标《GB/T 20992-2007》晶闸管性能参数中关于开通电流耐受特性方面的参数只有通态电流临界上升率、不重复通态电流临界上升率以及这两个参数的测试条件，但是晶闸管开通期间，流过晶闸管的电流为一条随时间变化的曲线，仅仅用电流变化率以及测试条件不能完整地揭示晶闸管开通初期的电流限值，而且晶闸管在换流阀中所承受的最严酷电流应力也是随时间变化的强度曲线。国标《GB/T 20992-2007》中描述晶闸管开通电流应力的试验波形时采用了复合的方法，分阶段产生晶闸管所应承受的电流强度波形最终再整合，但是这样的方式与晶闸管在换流阀实际工况中应承受的电流波形不吻合，因此按照国标的试验方法考核晶闸管存在过苛刻和不满足要求的风险。

本发明以晶闸管在换流阀中应承受的最严酷电流波形为等效依据，设计了产生此电流波形的试验回路，并结合仿真分析验证了试验回路和原理的正确性。为晶闸管在试验阶段就能够经受其在换流阀中最严酷的电流应力提供了全面的试验验证，比现在国标中的考核要完整全面。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种换流阀用晶闸管承受最严酷电流应力的试验设计与分析方法。在换流阀开通电流工况中，最严酷的为非周期触发下晶闸管的开通电流应力。为了验证换流阀用晶闸管能够承受此开通应力，本发明设计了专门的试验，采用冲击电容、饱和电抗器、晶闸管串联，冲击电容放电的形式产生放电电流流过晶闸管，设计试验参数以确保施加在晶闸管上的电流应力与换流阀在非周期触发工况下的电流应力等效。本发明设计的试验实现简单，易调节，等效性强，物理概念清晰。

本发明的一种换流阀用晶闸管承受最严酷电流应力的试验设计与分析方法，包括以下步骤：

(1)分析最严酷的电流应力工况；

晶闸管在换流阀中的开通过程包括以下工况：非周期触发、最大暂态运行触发工况，正常触发和过电压保护触发、大角度运行触发工况，正常触发和过电压保护触发、周期触发，正常触发和过电压保护触发、低电压触发工况；

晶闸管开通时，流过晶闸管的电流有三部分源，一部分来自避雷器上的能量，第二部分来自换流阀端间杂散电容上的能量，第三部分来自晶闸管两端阻尼电容通过阻尼电阻的放电电流；非周期触发工况时，避雷器上的电压最高，避雷器中建立的电流最大，换流阀端间杂散电容上的电压最高，晶闸管两端阻尼电容通过阻尼电阻的放电电流最大，因此开通电流应力最严酷的工况为非周期触发工况；

(2)搭建晶闸管电流应力试验回路；

晶闸管承受最严酷电流应力的非周期工况下流过晶闸管电流的典型波形为随时间变化的电流强度波形，在晶闸管开通初期，电流有一个显著的阶跃值，随着开通时间延长，晶闸管所允许电流以一定的上升率开始增大，称为第一阶段的电流上升率，随时间继续延长，所允许电流的上升速度可进一步增大，称为第二阶段的电流上升率，由于晶闸管在开通初期的电流有明显的振荡特性，因此晶闸管所允许的电流峰值时刻过后，晶闸管电流的振荡特性还体现为晶闸管的波谷电流不能太小，尤其严重的是晶闸管电流不能过零；

搭建晶闸管电流应力试验回路的目标则是通过实验回路能够产生这样的电流波形，由于晶闸管电流的上升率分为明显的两段，实际工况中是由于饱和电抗器的饱和特性导致的，因此试验回路的主要器件也采用了饱和电抗器，采用了在饱和电抗器和晶闸管及并联的阻尼电阻和阻尼电容器件串联后的一个放电电容，饱和电抗器、放电电容、晶闸管阻尼电阻和晶闸管阻尼电容的参数设置也是以试验回路产生等效的电流强度为依据；

(3)试验回路原理分析

试验回路中能量源则为放电电容C_stray上的能量，采用预充电的方法将放电电容C_stray预先充电至电压U_o后，此时晶闸管级两端的阻尼电容上也需预先充电至U_o，连接此放电电容与饱和电抗器和晶闸管回路，试验回路中会产生一个等效的电流应力波形流过及国内闸管；

1)由于晶闸管两端的阻尼电容通过阻尼电容和晶闸管回路放电会有一个台阶阶跃电流，而饱和电抗器的线性铁损电阻也产生一个台阶阶跃电流，因此这两部分电流叠加后流过晶闸管以等效晶闸管在最严酷电流应力波形中的台阶阶跃电流值；

2)随着放电时间延长，饱和电抗器的铁心电感选择数值未进入非线性段时，由于铁心电感的数值选择会降低试验回路中电流的上升速度与晶闸管在最严酷电流应力波形中的电流上升速度，也即第一阶段的电流上升率等效；

3)随着放电时间进一步延长，饱和电抗器的铁心电感和铁损电阻分别进入非线性段，此时铁心电感和铁损电阻从量值上进一步下降，晶闸管试验回路中的电流上升速度会有显著增加，这一显著增加的上升速度与晶闸管在最严酷电流应力波形中的电流上升速度，也即第二阶段的电流上升率等效；

4)随着放电时间继续延长，流过晶闸管的电流振荡特性会使得电流出现波峰和波谷值，波峰和波谷值与晶闸管在最严酷电流应力波形中的波峰和波谷电流等效；

(4)试验回路仿真分析

根据搭建的试验回路和试验回路原理分析，通过软件建立试验回路的仿真电路。换流阀端间冲击电容C_{s_V}为电源端，连接一个控制开关R_th后，再与饱和电抗器以及晶闸管部件电路串联形成闭合的试验回路。其中饱和电抗器的仿真电路包括其线圈电阻R_{cu_v}、空心电感L_{air_v}串联后再与模拟饱和电抗器铁磁特性的铁心电感L_{d_value_v}、铁损电阻R_{sat_v}并联部分串联，最终与饱和电抗器的端间电容C_s并联；而晶闸管部件电路包括晶闸管模型与并联在晶闸管两端的阻尼电阻R_{d_v}和阻尼电容C_{d_v}，当充电电容C_{s_v}上预先充电至U_o后，阻尼电容C_{d_v}上也需充电至U_o，合上控制开关，仿真即可得到晶闸管上的电流波形。

本发明的有益效果是：

1.规范化、系统化的等效开通电流过程；

2.晶闸管试验回路实现简单；

3.晶闸管试验回路仿真简单；

4.晶闸管试验回路调节简易。

附图说明

图1为非周期触发的典型电流波形，横轴为时间(单位微秒)，纵轴为电流(单位千安)，两条曲线分别以”下限”和”上限”示意。其中”下限”曲线表征典型电流波形的一个下限曲线，而”上限”曲线表征典型电流波形的一个上限曲线。

图2为晶闸管试验回路，其中①为换流阀端间等效杂散电容，②为饱和电抗器，③为晶闸管阻尼电容，④为晶闸管阻尼电阻，⑤为晶闸管直流均压电阻。

图3示出了晶闸管试验仿真模型，其中①为换流阀端间等效杂散电容，②为控制开关，③为饱和电抗器的端间电容，④为饱和电抗器的线圈电阻，⑤为饱和电抗器的空心电感，⑥为饱和电抗器的铁心电感，⑦为饱和电抗器的铁损电阻，⑧为晶闸管，⑨为晶闸管的阻尼电阻，⑩为晶闸管的阻尼电容。

图4示出了晶闸管试验仿真电流波形，横轴为时间(单位为秒)，纵轴为电流(单位为千安)。

图5是依据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

本发明采用以下顺序实现换流阀用晶闸管承受最严酷电流应力的试验设计与过程：

(1)换流阀非周期触发工况；

换流阀在承受非周期触发工况下，流过晶闸管的典型电流波形如图一所示。

(2)晶闸管电流试验回路；

本发明命名此试验为非重复触发电流试验，目的是产生与图一等效的电流应力，而且试验回路的参数调节应简单方便，试验对象为单只晶闸管。

试验回路示意图如图二所示。其中放电电容C_stray上预先充电至Uo，饱和电抗器L_sat为等效至与单只晶闸管连接的饱和电抗器，其中绕组匝数、铁心对数等都可以方便调节，晶闸管T为被试对象，其两端并联有阻尼电容C_d和阻尼电阻R_d，电气参数和换流阀中施加并联在晶闸管级两端的电容和电阻参数相同，C_d上预先充电至U_o。当冲击电容C_stray和阻尼电容C_d上均充电至U_o时，触发晶闸管，此时流过晶闸管上的电流应力即等效图一所示。

(3)晶闸管电流试验分析；

非重复触发试验回路中没有避雷器，从物理器件上和换流阀在非周期触发工况中有所不同。但是此试验回路的本质目的是能够等效流经晶闸管上的暂态电流应力，同时为了能够适应不同换流阀工程中不同强度的开通暂态电流应力。

为本试验建立了基于PSCAD软件的仿真电路，如图三所示。仿真结果如图四所示。可以看到，图四所示的电流应力和图一所示趋势和强度相当。

因此根据不同换流阀工程中非周期触发情况下晶闸管上应承受的电流应力，调整饱和电抗器的铁心数量、绕组匝数，冲击电容的容值和预充电电压都可以很容易的调整晶闸管上流过的电流波形。

以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。