TSC高壓晶閘管閥過電流失效機理

為分析高壓直流晶閘管閥故障電流下的反向電壓特性,采用電路拓撲模型分析法,建立了故障電流下反向分析的數(shù)學模型,并建立相應的試驗模型對分析方法進行驗證。對晶閘管結溫、阻尼電阻電容參數(shù)、電流變化率和正向電流4個參數(shù)的影響進行了分析,并用數(shù)學模型進行仿真計算。分析結果表明:晶閘管結溫、電流變化率和正向電流均可導致反向恢復電荷的改變,從而對反向恢復電壓造成影響;阻尼電阻電容一定時,有唯一阻尼電阻使反向電壓最小。結果驗證了該仿真分析方法的可行性,且具有較高的精確度。

高壓直流輸電晶閘管閥開通產生的電流應力是其電氣特性研究的重要內容之一。對閥開通電流應力分析的原有電路模型進行了改進,并對閥開通的暫態(tài)過程進行較為詳盡的分析。分析把把開通過程分為3個階段進行,并推導出各階段晶閘管閥開通電流應力計算的非線性微分方程組,采用龍格-庫塔法對方程組進行計算;此外對晶閘管閥換相開通的電流應力及其影響因素進行較為全面深入的分析,最后得到各種運行條件和各類電路參數(shù)變化時開通電流應力的變化情況,并總結出其中的關鍵因數(shù)。

在不改變電網結構的情況下,故障電流限制器作為一種全新的解決方案可用來解決由于負荷中心大電源投入和系統(tǒng)互聯(lián)所引起的系統(tǒng)短路電流增加的問題。主要側重于故障電流限制器的晶閘管閥觸發(fā)與監(jiān)測系統(tǒng)的研究。首先,介紹故障電流限制器的結構以及工作原理;然后介紹晶閘管閥觸發(fā)與監(jiān)測系統(tǒng)的構成,重點突出觸發(fā)系統(tǒng)的原理、監(jiān)測系統(tǒng)的原理和te板的原理以及各自的實現(xiàn)方式,并提出了一種vbe與te板之間的可實現(xiàn)邏輯時序;最后,通過低壓試驗驗證了晶閘管觸發(fā)與監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

為提高串聯(lián)諧振型故障限流器(seriesresonantfaultcurrentlimiter,srfcl)旁路電路的可靠性,減小諧振電容的氧化鋅避雷器(mov)能量消耗,研究了晶閘管閥自觸發(fā)保護動作電壓閾值設計方法。限流器控制器失靈是最惡劣的故障態(tài),只能依賴晶閘管閥自觸發(fā)保護即擊穿二極管觸發(fā)晶閘管(breakoverdiode,bod)。設計了bod動作時序,從動作時間和避雷器能耗角度分析閾值影響因素。bod動作電壓閾值決定了晶閘管閥過電壓保護水平和觸發(fā)時間。電壓閾值設置低,bod保護會和保護判據競爭;電壓閾值設置高,避雷器能耗水平會提高。以華東電網限流器示范工程為背景,建立限流器仿真模型,通過大量仿真計算,總結了電壓閾值變化對避雷器能耗水平影響規(guī)律,提出了電壓閾值設計指標。研究結果對工程設計具有指導意義。

高壓直流換流閥用飽和電抗器的作用是抑制流經晶閘管的電流變化率,限制晶閘管產生的電壓,提高晶閘管換流閥分布電壓的均勻性。主要研究高壓直流換流閥用飽和電抗器的理論設計、結構排布及線圈選取等方法,具有一定的實際應用價值。

高壓直流輸電晶閘管閥關斷產生的電壓應力是其電氣特性研究的重要內容之一。對關斷電壓應力分析的原有電路模型作了改進,拓展了模型適用范圍,推導出晶閘管閥關斷電壓應力分析的拉普拉斯解析方程,并對晶閘管閥換相關斷的電壓應力作了較為全面深入的分析,得到各種運行條件和各類電路參數(shù)變化時關斷電壓應力的變化情況,總結出了其中的關鍵因素。從計算和仿真結果來看,分析方法是可行的,并具有較高的精確度。

簡要論述了各種高壓晶閘管閥的運行試驗方法(合成試驗方法),對現(xiàn)有的用于完成高壓晶閘管閥合成試驗的各種專用試驗裝置進行了分析比較。設計了一套用于各種高壓晶閘管閥的合成試驗裝置,包括主電路設計,控制、保護策略研究與系統(tǒng)設計,調試結果證明了合成試驗裝置的研制是成功的,為我國大功率電力電子技術的研究與開發(fā)提供了堅實的試驗基礎和開發(fā)平臺。

分析了幾種國外的復合“全工況”試驗裝置的工作原理和優(yōu)缺點,根據國際大電網會議(cigre)關于高壓串聯(lián)閥電流強度技術導則和iec關于靜止無功補償器(svc)閥及高壓直流(hvdc)閥的試驗標準,提出了一種新型通用復合“全工況”試驗裝置的主電路方案。通過改進高壓諧振回路,完善了svc、可控串補(tcsc)雙向閥的運行試驗電路;將大電流源改為交直流兩套電源系統(tǒng),將高電壓回路參數(shù)的電壓提高至75kv,該主電路方案適用于±600kv級hvdc單向閥組件和svc、tcsc雙向閥的運行試驗。

為滿足串聯(lián)晶閘管閥組中多個晶閘管同步觸發(fā)以及多個串聯(lián)晶閘管觸發(fā)模塊之間的隔離強度,給出了一種新穎的晶閘管閥組高壓側觸發(fā)能量耦合獲取單元。該單元可在低壓側產生幅值恒定的直流或高頻方波交流可控電流,通過高壓絕緣電纜穿過多個磁環(huán)變壓器將能量耦合至高壓側,在次級經變換后形成觸發(fā)脈沖直接同步觸發(fā)晶閘管,觸發(fā)脈沖上升沿小于500ns。在10kv中壓晶閘管投切電容器(tsc)無功補償裝置中的實際應用驗證了該觸發(fā)單元的可行性。

文章簡要介紹了一種用于高壓tcr晶閘管閥組的電磁觸發(fā)控制方案,設計了一種結構簡單、成本低廉的大功率脈沖電流源生成電路,重點分析了該電路的關鍵參數(shù)作用和工作特性。對電磁觸發(fā)系統(tǒng)進行了仿真分析和實驗驗證,結果表明,該觸發(fā)方案能可靠地完成對高壓晶閘管閥組的觸發(fā)控制,并可以方便地實現(xiàn)控制電路與主電路之間的電氣隔離,安全可靠。

晶閘管閥組中主要元器件參數(shù)的設計與型號的選取一直被業(yè)內人士所重視,但閥組結構設計、主要元器件的安裝與導線的走線方式往往被忽略或得不到足夠重視。本文首先描述了實際工程中閥組運行過程中出現(xiàn)的問題,并采取措施分析出現(xiàn)問題的原因,進而針對本工程阻容吸收安裝接線的問題采取相應的整改措施,最終保證了晶閘管閥組的正常運行。

本文對串聯(lián)晶閘管閥組的觸發(fā)電路進行了介紹,設計了一套用于高壓tsc串聯(lián)晶閘管閥組的電磁觸發(fā)電路。該觸發(fā)電路采用電壓源驅動、脈沖變壓器串聯(lián)使用觸發(fā)串聯(lián)晶閘管閥組,利用高壓電纜實現(xiàn)脈沖變壓器高低壓側絕緣。該電路具有結構簡單、晶閘管門極觸發(fā)電流前沿陡峭等特點。在10kvtsc動態(tài)無功補償裝置中的實際應用驗證了該觸發(fā)單元的可行性。

高壓晶閘管換流閥是高壓直流輸電的核心設備之一,外水冷系統(tǒng)是其重要的一環(huán)。結合工作實踐,在分析換流閥冷卻系統(tǒng)換熱工作原理的基礎上,依據環(huán)境、水質及處理條件,運用換熱器計算軟件htri對外水冷系統(tǒng)空氣冷卻器進行設計,并開展相應的冬季換流閥停運防凍措施研究,提出了添加防凍劑、設置加熱器設備以及排空冷卻介質等預防措施,以避免裝置出現(xiàn)凍結現(xiàn)象,保證換流站高壓晶閘管換流閥高效、安全運行。

碳化硅是發(fā)展最為成熟的新型寬禁帶半導體材料,且碳化硅功率器件近期已開始代替常規(guī)的硅基器件。以典型的±800kv,額定電流為5ka的高壓直流輸電工程為實例,建立了換流閥基本組件的電氣模型,用pscad/emtdc仿真軟件搭建了換流器仿真電路,研究碳化硅晶閘管在高壓直流換流閥中的應用。對基于碳化硅晶閘管和普通硅晶閘管的直流換流閥電氣特性和損耗進行仿真結果比較。計算結果表明:用碳化硅晶閘管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅晶閘管,可以在不同的觸發(fā)角和工況下大幅減少系統(tǒng)的功率損耗。最后估算了在直流工程中使用碳化硅晶閘管閥帶來的經濟效益。

針對現(xiàn)有晶閘管電磁式觸發(fā)和監(jiān)控系統(tǒng)的不足,提出了適用于高電壓、大電流晶閘管閥組的光電觸發(fā)和監(jiān)控方式。介紹了其功能、原理和構成。

針對晶閘管浪涌電流試驗采用半波10ms浪涌試驗方式,提出連續(xù)多周波浪涌的試驗方法,通過數(shù)學建模對試驗方法進行仿真研究,同時與晶閘管樣品浪涌試驗結果進行分析對比,驗證了通過晶閘管結溫溫升系列模型仿真計算來選擇晶閘管閥的實際指導價值。從實際工程角度出發(fā),給出晶閘管閥仿真和試驗的方法,為晶閘管閥的選擇和設計提供了試驗結果支持。對華東500kv故障電流限制器示范工程用晶閘管閥進行結溫溫升仿真,及人工接地短路試驗的結果分析,驗證了6英寸晶閘管在故障電流限制器工程中應用的可靠性。

晶閘管器件的斷態(tài)(開斷狀態(tài))電壓上升率du/dt和通態(tài)(導通狀態(tài))電流上升率di/dt是決定可控金屬氧化物避雷器(cmoa)晶閘管閥工作安全性的關鍵參數(shù)。以長治—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程為背景,對晶閘管閥中晶閘管器件需要承受的最大du/dt和di/dt進行了仿真計算,提出了技術要求,并給出了限值要求,即du/dt和di/dt均不允許超過其臨界值du/dtcrit和di/dtcrit。根據實際使用條件對所選晶閘管器件的du/dtcrit和di/dtcrit進行了試驗測試。測試結果和技術要求對比表明:2.0～3.0英寸晶閘管du/dtcrit不小于45kv/μs,大于技術要求28.3kv/μs,無需限制措施;di/dtcrit為865～910a/μs,遠小于技術要求87ka/μs,須采取適當?shù)南拗拼胧?。研究表?采用3～5mh的限流電抗器可以將di/dt限制在容許范圍內,且限流電抗器對cmoa限制系統(tǒng)操作過電壓的效果影響不大,可以采用限流電抗器限制晶閘管器件的di/dt。

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對其進行仿真研究,以確定回路參數(shù)準確性和試驗方法的有效性。結果表明以lc振蕩回路產生的短路電流,滿足直流輸電晶閘管閥短路電流標準要求,可做為進行直流輸電晶閘管閥短路試驗的有效方法。

可控避雷器晶閘管閥主要由反并聯(lián)晶閘管對串聯(lián)而成,為保證各個晶閘管承受電壓的一致性,必須采取適當?shù)木鶋捍胧?。根據晶閘管閥串聯(lián)均壓的技術要求,利用電力電子系統(tǒng)設計程序,對傳統(tǒng)rc均壓方法的可行性進行了計算分析。研究得出rc均壓方法可能嚴重破壞可控避雷器的靜態(tài)電位分布,不適用于晶閘管閥。提出采用晶閘管與金屬氧化物電阻片一對一并聯(lián)的均壓方法,利用金屬氧化物電阻片良好的非線性伏安特性限制晶閘管的過電壓,并對電阻片的均壓效果進行了仿真計算。結果表明,合理選擇電阻片的串、并聯(lián)數(shù)和尺寸參數(shù),可以將串聯(lián)晶閘管的開通過沖電壓均限制在要求的范圍內。

介紹了三峽至常州±500kv高壓直流輸電用晶閘管閥體結構;并從電力電子器件、晶閘管控制單元、晶閘管模塊、電抗器、冷卻系統(tǒng)和絕緣防火結構等幾方面,分析了瑞士abb公司提供的高壓晶閘管閥技術特點,以及高壓換流閥技術發(fā)展趨勢。

為滿足我國特高壓直流輸電發(fā)展和建設的需要,提出了滿足±1100kv特高壓工程換流閥運行試驗系統(tǒng)的設計。根據±1100kv特高壓工程規(guī)范,提出了預期運行試驗參數(shù),從運行試驗系統(tǒng)的一次電氣原理設計、二次控制保護設計和測量監(jiān)測設計3個方面進行討論和研究,最終通過仿真手段對電氣原理和控制系統(tǒng)原理進行了驗證。研究結果表明,±1100kv特高壓工程換流閥運行試驗系統(tǒng)設計是可行的,可以滿足所有運行試驗的要求,更加符合換流閥設計的特點,能夠達到試驗檢測目的。該試驗回路建成,可以滿足±1100kv工程閥15級串聯(lián)同時進行運行試驗,也將成為世界上容量最大的運行試驗回路,可以為我國±1100kv直流輸電工程研發(fā)和工程建設提供保障。

目前晶閘管控制或晶閘管投切型高壓靜止無功補償裝置(tcr/tsc型svc)在電力系統(tǒng)得到廣泛應用,其中由晶閘管組成的閥組因功耗大,多用水冷系統(tǒng)散熱。在電壓等級35kv及以上、容量120mvar以上的工程中,晶閘管閥組為滿足高電壓、大電流系統(tǒng)需要,將要提高晶閘管容量和串聯(lián)數(shù)量,水冷散熱系統(tǒng)也要相應增加管路器件來保證散熱能力。對原有大容量晶閘管閥組水冷系統(tǒng)管路建立模型,通過理論計算,提出改進方法,并進行試驗前后對比,達到提高裝置性能并降低成本的優(yōu)化目的。