一種換流閥用晶閘管承受最嚴酷電流應力的試驗設計與分析方法
2023-05-20 03:34:26 2
專利名稱：一種換流閥用晶閘管承受最嚴酷電流應力的試驗設計與分析方法
技術領域：
本發明涉及電力系統器件領域，尤其涉及一種換流閥用晶閘管承受最嚴酷電流應 力的試驗設計與分析方法。
背景技術：
直流輸電換流閥用晶閘管是換流閥中最關鍵最核心的器件。在換流閥運行中，晶 閘管所承受的電壓和電流應力都需要在其安全運行範圍內方能保證晶閘管正常工作。在晶 閘管應能承受的電流應力中，最嚴酷的暫態電流應力為換流閥在非周期觸發(根據IEC和 GB執行)情況下避雷器能量和閥端間雜散電容的能量通過晶閘管轉移導致的電流應力。一般換流閥橋臂由數十隻晶閘管構成，如果晶閘管不能承受該電流應力，那麼過 強且惡劣的電流應力通過晶間管會在擴散轉移過程中產生局部過熱現象導致損壞晶閘管。 因此，每隻晶間管都應該有試驗驗證表明其耐受最嚴酷電流應力。由於是破壞性試驗，現 有晶閘管開展此試驗時，都是固定試驗迴路，固定的試驗參數，即使能夠調節也是有限的檔 位，而且其中限流器件和換流閥迴路中的限流器件特性有所不同。而針對不同的換流閥工 程，晶間管應能承受的最嚴酷電流應力有所不同，因此現有試驗存在較多弊端。國標《GB/T 20992-2007》晶閘管性能參數中關於開通電流耐受特性方面的參數只 有通態電流臨界上升率、不重複通態電流臨界上升率以及這兩個參數的測試條件，但是晶 閘管開通期間，流過晶閘管的電流為一條隨時間變化的曲線，僅僅用電流變化率以及測試 條件不能完整地揭示晶閘管開通初期的電流限值，而且晶閘管在換流閥中所承受的最嚴酷 電流應力也是隨時間變化的強度曲線。國標《GB/T 20992-2007》中描述晶閘管開通電流應 力的試驗波形時採用了複合的方法，分階段產生晶間管所應承受的電流強度波形最終再整 合，但是這樣的方式與晶閘管在換流閥實際工況中應承受的電流波形不吻合，因此按照國 標的試驗方法考核晶閘管存在過苛刻和不滿足要求的風險。本發明以晶閘管在換流閥中應承受的最嚴酷電流波形為等效依據，設計了產生此 電流波形的試驗迴路，並結合仿真分析驗證了試驗迴路和原理的正確性。為晶閘管在試驗 階段就能夠經受其在換流閥中最嚴酷的電流應力提供了全面的試驗驗證，比現在國標中的 考核要完整全面。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種換流閥用晶閘管承受最嚴酷電流應力的試驗設計與 分析方法。在換流閥開通電流工況中，最嚴酷的為非周期觸發下晶閘管的開通電流應力。為 了驗證換流閥用晶閘管能夠承受此開通應力，本發明設計了專門的試驗，採用衝擊電容、飽 和電抗器、晶閘管串聯，衝擊電容放電的形式產生放電電流流過晶閘管，設計試驗參數以確 保施加在晶閘管上的電流應力與換流閥在非周期觸發工況下的電流應力等效。本發明設計 的試驗實現簡單，易調節，等效性強，物理概念清晰。
本發明的一種換流閥用晶閘管承受最嚴酷電流應力的試驗設計與分析方法，包括 以下步驟(1)分析最嚴酷的電流應力工況；晶閘管在換流閥中的開通過程包括以下工況非周期觸發、最大暫態運行觸發工 況，正常觸發和過電壓保護觸發、大角度運行觸發工況，正常觸發和過電壓保護觸發、周期 觸發，正常觸發和過電壓保護觸發、低電壓觸發工況；晶閘管開通時，流過晶閘管的電流有三部分源，一部分來自避雷器上的能量，第二 部分來自換流閥端間雜散電容上的能量，第三部分來自晶閘管兩端阻尼電容通過阻尼電阻 的放電電流；非周期觸發工況時，避雷器上的電壓最高，避雷器中建立的電流最大，換流閥 端間雜散電容上的電壓最高，晶閘管兩端阻尼電容通過阻尼電阻的放電電流最大，因此開 通電流應力最嚴酷的工況為非周期觸發工況；(2)搭建晶閘管電流應力試驗迴路；晶閘管承受最嚴酷電流應力的非周期工況下流過晶閘管電流的典型波形為隨時 間變化的電流強度波形，在晶閘管開通初期，電流有一個顯著的階躍值，隨著開通時間延 長，晶閘管所允許電流以一定的上升率開始增大，稱為第一階段的電流上升率，隨時間繼續 延長，所允許電流的上升速度可進一步增大，稱為第二階段的電流上升率，由於晶間管在開 通初期的電流有明顯的振蕩特性，因此晶閘管所允許的電流峰值時刻過後，晶閘管電流的 振蕩特性還體現為晶閘管的波谷電流不能太小，尤其嚴重的是晶閘管電流不能過零；搭建晶閘管電流應力試驗迴路的目標則是通過實驗迴路能夠產生這樣的電流波 形，由於晶閘管電流的上升率分為明顯的兩段，實際工況中是由於飽和電抗器的飽和特性 導致的，因此試驗迴路的主要器件也採用了飽和電抗器，採用了在飽和電抗器和晶閘管及 並聯的阻尼電阻和阻尼電容器件串聯後的一個放電電容，飽和電抗器、放電電容、晶閘管阻 尼電阻和晶閘管阻尼電容的參數設置也是以試驗迴路產生等效的電流強度為依據；(3)試驗迴路原理分析試驗迴路中能量源則為放電電容Csteay上的能量，採用預充電的方法將放電電容 Cstray預先充電至電壓U。後，此時晶閘管級兩端的阻尼電容上也需預先充電至U。，連接此放 電電容與飽和電抗器和晶閘管迴路，試驗迴路中會產生一個等效的電流應力波形流過及國 內閘管；1)由於晶閘管兩端的阻尼電容通過阻尼電容和晶閘管迴路放電會有一個臺階階 躍電流，而飽和電抗器的線性鐵損電阻也產生一個臺階階躍電流，因此這兩部分電流疊加 後流過晶閘管以等效晶閘管在最嚴酷電流應力波形中的臺階階躍電流值；2)隨著放電時間延長，飽和電抗器的鐵心電感選擇數值未進入非線性段時，由於 鐵心電感的數值選擇會降低試驗迴路中電流的上升速度與晶閘管在最嚴酷電流應力波形 中的電流上升速度，也即第一階段的電流上升率等效；3)隨著放電時間進一步延長，飽和電抗器的鐵心電感和鐵損電阻分別進入非線 性段，此時鐵心電感和鐵損電阻從量值上進一步下降，晶閘管試驗迴路中的電流上升速度 會有顯著增加，這一顯著增加的上升速度與晶間管在最嚴酷電流應力波形中的電流上升速 度，也即第二階段的電流上升率等效；4)隨著放電時間繼續延長，流過晶閘管的電流振蕩特性會使得電流出現波峰和波谷值，波峰和波谷值與晶間管在最嚴酷電流應力波形中的波峰和波谷電流等效；(4)試驗迴路仿真分析根據搭建的試驗迴路和試驗迴路原理分析，通過軟體建立試驗迴路的仿真電路。 換流閥端間衝擊電容Cs v為電源端，連接一個控制開關Rth後，再與飽和電抗器以及晶閘管 部件電路串聯形成閉合的試驗迴路。其中飽和電抗器的仿真電路包括其線圈電阻R。u—V、空 心電感v串聯後再與模擬飽和電抗器鐵磁特性的鐵心電感Ld valm v、鐵損電阻Rsat v並聯 部分串聯，最終與飽和電抗器的端間電容Cs並聯；而晶閘管部件電路包括晶閘管模型與並 聯在晶閘管兩端的阻尼電阻Rd—v和阻尼電容Cd v，當充電電容Cs v上預先充電至U0後，阻尼 電容Cd v上也需充電至U。，合上控制開關，仿真即可得到晶閘管上的電流波形。本發明的有益效果是1.規範化、系統化的等效開通電流過程；2.晶閘管試驗迴路實現簡單；3.晶閘管試驗迴路仿真簡單；4.晶閘管試驗迴路調節簡易。
圖1為非周期觸發的典型電流波形，橫軸為時間(單位微秒)，縱軸為電流(單位 千安)，兩條曲線分別以」下限」和」上限」示意。其中」下限」曲線表徵典型電流波形的一 個下限曲線，而」上限」曲線表徵典型電流波形的一個上限曲線。圖2為晶閘管試驗迴路，其中①為換流閥端間等效雜散電容，②為飽和電抗器，③ 為晶閘管阻尼電容，④為晶閘管阻尼電阻，⑤為晶閘管直流均壓電阻。圖3示出了晶閘管試驗仿真模型，其中①為換流閥端間等效雜散電容，②為控制 開關，③為飽和電抗器的端間電容，④為飽和電抗器的線圈電阻，⑤為飽和電抗器的空心電 感，⑥為飽和電抗器的鐵心電感，⑦為飽和電抗器的鐵損電阻，⑧為晶閘管，⑨為晶閘管的 阻尼電阻，⑩為晶閘管的阻尼電容。圖4示出了晶閘管試驗仿真電流波形，橫軸為時間(單位為秒)，縱軸為電流(單 位為千安)。圖5是依據本發明的方法的流程圖。
具體實施例方式本發明採用以下順序實現換流閥用晶閘管承受最嚴酷電流應力的試驗設計與過 程(1)換流閥非周期觸發工況；換流閥在承受非周期觸發工況下，流過晶閘管的典型電流波形如圖一所示。(2)晶閘管電流試驗迴路；本發明命名此試驗為非重複觸發電流試驗，目的是產生與圖一等效的電流應力， 而且試驗迴路的參數調節應簡單方便，試驗對象為單只晶閘管。試驗迴路示意圖如圖二所示。其中放電電容Csteay上預先充電至Uo，飽和電抗器 Lsat為等效至與單只晶閘管連接的飽和電抗器，其中繞組匝數、鐵心對數等都可以方便調節，晶閘管T為被試對象，其兩端並聯有阻尼電容Cd和阻尼電阻Rd，電氣參數和換流閥中施 加並聯在晶閘管級兩端的電容和電阻參數相同，Cd上預先充電至U。。當衝擊電容Cstray和阻 尼電容Cd上均充電至U。時，觸發晶閘管，此時流過晶閘管上的電流應力即等效圖一所示。(3)晶閘管電流試驗分析；非重複觸發試驗迴路中沒有避雷器，從物理器件上和換流閥在非周期觸發工況中 有所不同。但是此試驗迴路的本質目的是能夠等效流經晶閘管上的暫態電流應力，同時為 了能夠適應不同換流閥工程中不同強度的開通暫態電流應力。為本試驗建立了基於PSCAD軟體的仿真電路，如圖三所示。仿真結果如圖四所示。 可以看到，圖四所示的電流應力和圖一所示趨勢和強度相當。因此根據不同換流閥工程中非周期觸發情況下晶閘管上應承受的電流應力，調整 飽和電抗器的鐵心數量、繞組匝數，衝擊電容的容值和預充電電壓都可以很容易的調整晶 閘管上流過的電流波形。以上是為了使本領域普通技術人員理解本發明，而對本發明進行的詳細描述，但 可以想到，在不脫離本發明的權利要求所涵蓋的範圍內還可以做出其它的變化和修改，這 些變化和修改均在本發明的保護範圍內。
權利要求
一種換流閥用晶閘管承受最嚴酷電流應力的試驗設計與分析方法，其特徵在於包括以下步驟(1)分析最嚴酷的電流應力工況；晶閘管在換流閥中的開通過程包括以下工況非周期觸發、最大暫態運行觸發工況，正常觸發和過電壓保護觸發、大角度運行觸發工況，正常觸發和過電壓保護觸發、周期觸發，正常觸發和過電壓保護觸發、低電壓觸發工況；晶閘管開通時，流過晶閘管的電流有三部分源，一部分來自避雷器上的能量，第二部分來自換流閥端間雜散電容上的能量，第三部分來自晶閘管兩端阻尼電容通過阻尼電阻的放電電流；非周期觸發工況時，避雷器上的電壓最高，避雷器中建立的電流最大，換流閥端間雜散電容上的電壓最高，晶閘管兩端阻尼電容通過阻尼電阻的放電電流最大，因此開通電流應力最嚴酷的工況為非周期觸發工況；(2)搭建晶閘管電流應力試驗迴路；晶閘管承受最嚴酷電流應力的非周期工況下流過晶閘管電流的典型波形為隨時間變化的電流強度波形，在晶閘管開通初期，電流有一個顯著的階躍值，隨著開通時間延長，晶閘管所允許電流以一定的上升率開始增大，稱為第一階段的電流上升率，隨時間繼續延長，所允許電流的上升速度可進一步增大，稱為第二階段的電流上升率，由於晶閘管在開通初期的電流有明顯的振蕩特性，因此晶閘管所允許的電流峰值時刻過後，晶閘管電流的振蕩特性還體現為晶閘管的波谷電流不能太小，尤其嚴重的是晶閘管電流不能過零；搭建晶閘管電流應力試驗迴路的目標則是通過實驗迴路能夠產生這樣的電流波形，由於晶閘管電流的上升率分為明顯的兩段，實際工況中是由於飽和電抗器的飽和特性導致的，因此試驗迴路的主要器件也採用了飽和電抗器，採用了在飽和電抗器和晶閘管及並聯的阻尼電阻和阻尼電容器件串聯後的一個放電電容，飽和電抗器、放電電容、晶閘管阻尼電阻和晶閘管阻尼電容的參數設置也是以試驗迴路產生等效的電流強度為依據；(3)試驗迴路原理分析試驗迴路中能量源則為放電電容Cstray上的能量，採用預充電的方法將放電電容Cstray預先充電至電壓Uo後，此時晶閘管級兩端的阻尼電容上也需預先充電至Uo，連接此放電電容與飽和電抗器和晶閘管迴路，試驗迴路中會產生一個等效的電流應力波形流過及國內閘管；1)由於晶閘管兩端的阻尼電容通過阻尼電容和晶閘管迴路放電會有一個臺階階躍電流，而飽和電抗器的線性鐵損電阻也產生一個臺階階躍電流，因此這兩部分電流疊加後流過晶閘管以等效晶閘管在最嚴酷電流應力波形中的臺階階躍電流值；2)隨著放電時間延長，飽和電抗器的鐵心電感選擇數值未進入非線性段時，由於鐵心電感的數值選擇會降低試驗迴路中電流的上升速度與晶閘管在最嚴酷電流應力波形中的電流上升速度，也即第一階段的電流上升率等效；3)隨著放電時間進一步延長，飽和電抗器的鐵心電感和鐵損電阻分別進入非線性段，此時鐵心電感和鐵損電阻從量值上進一步下降，晶閘管試驗迴路中的電流上升速度會有顯著增加，這一顯著增加的上升速度與晶閘管在最嚴酷電流應力波形中的電流上升速度，也即第二階段的電流上升率等效；4)隨著放電時間繼續延長，流過晶閘管的電流振蕩特性會使得電流出現波峰和波谷值，波峰和波谷值與晶閘管在最嚴酷電流應力波形中的波峰和波谷電流等效；(4)試驗迴路仿真分析根據搭建的試驗迴路和試驗迴路原理分析，通過軟體建立試驗迴路的仿真電路，換流閥端間衝擊電容Cs_V為電源端，連接一個控制開關Rth後，再與飽和電抗器以及晶閘管部件電路串聯形成閉合的試驗迴路，其中飽和電抗器的仿真電路包括其線圈電阻Rcu_v、空心電感Lair_v串聯後再與模擬飽和電抗器鐵磁特性的鐵心電感Ld_value_v、鐵損電阻Rsat_v並聯部分串聯，最終與飽和電抗器的端間電容Cs並聯；而晶閘管部件電路包括晶閘管模型與並聯在晶閘管兩端的阻尼電阻Rd_v和阻尼電容Cd_v，當充電電容Cs_V上預先充電至Uo後，阻尼電容Cd_v上也需充電至Uo，合上控制開關，仿真即可得到晶閘管上的電流波形。
全文摘要
本發明提出了一種換流閥用晶閘管承受最嚴酷電流應力的試驗設計與分析方法。在換流閥開通電流工況中，最嚴酷的為非周期觸發下晶閘管的開通電流應力。為了驗證換流閥用晶閘管能夠承受此開通應力，本發明設計了專門的試驗，採用衝擊電容、飽和電抗器、晶閘管串聯，衝擊電容放電的形式產生放電電流流過晶閘管，設計試驗參數以確保施加在晶閘管上的電流應力與換流閥在非周期觸發工況下的電流應力等效。本發明設計的試驗實現簡單，易調節，等效性強。
文檔編號G01R31/327GK101980035SQ20101028029
公開日2011年2月23日 申請日期2010年9月10日 優先權日2010年9月10日
發明者於海玉, 劉傑, 湯廣福, 溫家良 申請人:中國電力科學研究院