TSC高压晶闸管阀过电流失效机理

为分析高压直流晶闸管阀故障电流下的反向电压特性,采用电路拓扑模型分析法,建立了故障电流下反向分析的数学模型,并建立相应的试验模型对分析方法进行验证。对晶闸管结温、阻尼电阻电容参数、电流变化率和正向电流4个参数的影响进行了分析,并用数学模型进行仿真计算。分析结果表明:晶闸管结温、电流变化率和正向电流均可导致反向恢复电荷的改变,从而对反向恢复电压造成影响;阻尼电阻电容一定时,有唯一阻尼电阻使反向电压最小。结果验证了该仿真分析方法的可行性,且具有较高的精确度。

高压直流输电晶闸管阀开通产生的电流应力是其电气特性研究的重要内容之一。对阀开通电流应力分析的原有电路模型进行了改进,并对阀开通的暂态过程进行较为详尽的分析。分析把把开通过程分为3个阶段进行,并推导出各阶段晶闸管阀开通电流应力计算的非线性微分方程组,采用龙格-库塔法对方程组进行计算;此外对晶闸管阀换相开通的电流应力及其影响因素进行较为全面深入的分析,最后得到各种运行条件和各类电路参数变化时开通电流应力的变化情况,并总结出其中的关键因数。

在不改变电网结构的情况下,故障电流限制器作为一种全新的解决方案可用来解决由于负荷中心大电源投入和系统互联所引起的系统短路电流增加的问题。主要侧重于故障电流限制器的晶闸管阀触发与监测系统的研究。首先,介绍故障电流限制器的结构以及工作原理;然后介绍晶闸管阀触发与监测系统的构成,重点突出触发系统的原理、监测系统的原理和te板的原理以及各自的实现方式,并提出了一种vbe与te板之间的可实现逻辑时序;最后,通过低压试验验证了晶闸管触发与监测系统的可行性。

为提高串联谐振型故障限流器(seriesresonantfaultcurrentlimiter,srfcl)旁路电路的可靠性,减小谐振电容的氧化锌避雷器(mov)能量消耗,研究了晶闸管阀自触发保护动作电压阈值设计方法。限流器控制器失灵是最恶劣的故障态,只能依赖晶闸管阀自触发保护即击穿二极管触发晶闸管(breakoverdiode,bod)。设计了bod动作时序,从动作时间和避雷器能耗角度分析阈值影响因素。bod动作电压阈值决定了晶闸管阀过电压保护水平和触发时间。电压阈值设置低,bod保护会和保护判据竞争;电压阈值设置高,避雷器能耗水平会提高。以华东电网限流器示范工程为背景,建立限流器仿真模型,通过大量仿真计算,总结了电压阈值变化对避雷器能耗水平影响规律,提出了电压阈值设计指标。研究结果对工程设计具有指导意义。

高压直流换流阀用饱和电抗器的作用是抑制流经晶闸管的电流变化率,限制晶闸管产生的电压,提高晶闸管换流阀分布电压的均匀性。主要研究高压直流换流阀用饱和电抗器的理论设计、结构排布及线圈选取等方法,具有一定的实际应用价值。

高压直流输电晶闸管阀关断产生的电压应力是其电气特性研究的重要内容之一。对关断电压应力分析的原有电路模型作了改进,拓展了模型适用范围,推导出晶闸管阀关断电压应力分析的拉普拉斯解析方程,并对晶闸管阀换相关断的电压应力作了较为全面深入的分析,得到各种运行条件和各类电路参数变化时关断电压应力的变化情况,总结出了其中的关键因素。从计算和仿真结果来看,分析方法是可行的,并具有较高的精确度。

简要论述了各种高压晶闸管阀的运行试验方法(合成试验方法),对现有的用于完成高压晶闸管阀合成试验的各种专用试验装置进行了分析比较。设计了一套用于各种高压晶闸管阀的合成试验装置,包括主电路设计,控制、保护策略研究与系统设计,调试结果证明了合成试验装置的研制是成功的,为我国大功率电力电子技术的研究与开发提供了坚实的试验基础和开发平台。

分析了几种国外的复合“全工况”试验装置的工作原理和优缺点,根据国际大电网会议(cigre)关于高压串联阀电流强度技术导则和iec关于静止无功补偿器(svc)阀及高压直流(hvdc)阀的试验标准,提出了一种新型通用复合“全工况”试验装置的主电路方案。通过改进高压谐振回路,完善了svc、可控串补(tcsc)双向阀的运行试验电路;将大电流源改为交直流两套电源系统,将高电压回路参数的电压提高至75kv,该主电路方案适用于±600kv级hvdc单向阀组件和svc、tcsc双向阀的运行试验。

为满足串联晶闸管阀组中多个晶闸管同步触发以及多个串联晶闸管触发模块之间的隔离强度,给出了一种新颖的晶闸管阀组高压侧触发能量耦合获取单元。该单元可在低压侧产生幅值恒定的直流或高频方波交流可控电流,通过高压绝缘电缆穿过多个磁环变压器将能量耦合至高压侧,在次级经变换后形成触发脉冲直接同步触发晶闸管,触发脉冲上升沿小于500ns。在10kv中压晶闸管投切电容器(tsc)无功补偿装置中的实际应用验证了该触发单元的可行性。

文章简要介绍了一种用于高压tcr晶闸管阀组的电磁触发控制方案,设计了一种结构简单、成本低廉的大功率脉冲电流源生成电路,重点分析了该电路的关键参数作用和工作特性。对电磁触发系统进行了仿真分析和实验验证,结果表明,该触发方案能可靠地完成对高压晶闸管阀组的触发控制,并可以方便地实现控制电路与主电路之间的电气隔离,安全可靠。

晶闸管阀组中主要元器件参数的设计与型号的选取一直被业内人士所重视,但阀组结构设计、主要元器件的安装与导线的走线方式往往被忽略或得不到足够重视。本文首先描述了实际工程中阀组运行过程中出现的问题,并采取措施分析出现问题的原因,进而针对本工程阻容吸收安装接线的问题采取相应的整改措施,最终保证了晶闸管阀组的正常运行。

本文对串联晶闸管阀组的触发电路进行了介绍,设计了一套用于高压tsc串联晶闸管阀组的电磁触发电路。该触发电路采用电压源驱动、脉冲变压器串联使用触发串联晶闸管阀组,利用高压电缆实现脉冲变压器高低压侧绝缘。该电路具有结构简单、晶闸管门极触发电流前沿陡峭等特点。在10kvtsc动态无功补偿装置中的实际应用验证了该触发单元的可行性。

高压晶闸管换流阀是高压直流输电的核心设备之一,外水冷系统是其重要的一环。结合工作实践,在分析换流阀冷却系统换热工作原理的基础上,依据环境、水质及处理条件,运用换热器计算软件htri对外水冷系统空气冷却器进行设计,并开展相应的冬季换流阀停运防冻措施研究,提出了添加防冻剂、设置加热器设备以及排空冷却介质等预防措施,以避免装置出现冻结现象,保证换流站高压晶闸管换流阀高效、安全运行。

碳化硅是发展最为成熟的新型宽禁带半导体材料,且碳化硅功率器件近期已开始代替常规的硅基器件。以典型的±800kv,额定电流为5ka的高压直流输电工程为实例,建立了换流阀基本组件的电气模型,用pscad/emtdc仿真软件搭建了换流器仿真电路,研究碳化硅晶闸管在高压直流换流阀中的应用。对基于碳化硅晶闸管和普通硅晶闸管的直流换流阀电气特性和损耗进行仿真结果比较。计算结果表明:用碳化硅晶闸管来代替传统的硅晶闸管,可以在不同的触发角和工况下大幅减少系统的功率损耗。最后估算了在直流工程中使用碳化硅晶闸管阀带来的经济效益。

针对现有晶闸管电磁式触发和监控系统的不足,提出了适用于高电压、大电流晶闸管阀组的光电触发和监控方式。介绍了其功能、原理和构成。

针对晶闸管浪涌电流试验采用半波10ms浪涌试验方式,提出连续多周波浪涌的试验方法,通过数学建模对试验方法进行仿真研究,同时与晶闸管样品浪涌试验结果进行分析对比,验证了通过晶闸管结温温升系列模型仿真计算来选择晶闸管阀的实际指导价值。从实际工程角度出发,给出晶闸管阀仿真和试验的方法,为晶闸管阀的选择和设计提供了试验结果支持。对华东500kv故障电流限制器示范工程用晶闸管阀进行结温温升仿真,及人工接地短路试验的结果分析,验证了6英寸晶闸管在故障电流限制器工程中应用的可靠性。

晶闸管器件的断态(开断状态)电压上升率du/dt和通态(导通状态)电流上升率di/dt是决定可控金属氧化物避雷器(cmoa)晶闸管阀工作安全性的关键参数。以长治—南阳—荆门特高压交流试验示范工程为背景,对晶闸管阀中晶闸管器件需要承受的最大du/dt和di/dt进行了仿真计算,提出了技术要求,并给出了限值要求,即du/dt和di/dt均不允许超过其临界值du/dtcrit和di/dtcrit。根据实际使用条件对所选晶闸管器件的du/dtcrit和di/dtcrit进行了试验测试。测试结果和技术要求对比表明:2.0～3.0英寸晶闸管du/dtcrit不小于45kv/μs,大于技术要求28.3kv/μs,无需限制措施;di/dtcrit为865～910a/μs,远小于技术要求87ka/μs,须采取适当的限制措施。研究表明,采用3～5mh的限流电抗器可以将di/dt限制在容许范围内,且限流电抗器对cmoa限制系统操作过电压的效果影响不大,可以采用限流电抗器限制晶闸管器件的di/dt。

晶闸管阀短路电流试验是考核直流输电晶闸管阀耐受短路电流能力的运行型式试验项目,要求试验结果跟实际运行工况具有等价性。本文使用lc振荡回路对直流输电晶闸管阀进行短路电流试验进行研究,并利用计算机仿真技术对其进行仿真研究,以确定回路参数准确性和试验方法的有效性。结果表明以lc振荡回路产生的短路电流,满足直流输电晶闸管阀短路电流标准要求,可做为进行直流输电晶闸管阀短路试验的有效方法。

可控避雷器晶闸管阀主要由反并联晶闸管对串联而成,为保证各个晶闸管承受电压的一致性,必须采取适当的均压措施。根据晶闸管阀串联均压的技术要求,利用电力电子系统设计程序,对传统rc均压方法的可行性进行了计算分析。研究得出rc均压方法可能严重破坏可控避雷器的静态电位分布,不适用于晶闸管阀。提出采用晶闸管与金属氧化物电阻片一对一并联的均压方法,利用金属氧化物电阻片良好的非线性伏安特性限制晶闸管的过电压,并对电阻片的均压效果进行了仿真计算。结果表明,合理选择电阻片的串、并联数和尺寸参数,可以将串联晶闸管的开通过冲电压均限制在要求的范围内。

本文针对现有无功补偿技术提出了一些新的控制方法,并设计了一套高压tsc无功补偿装置。该装置以tms320f2812为控制器芯片,以电力系统的无功功率作为主要控制目标,引入电容投切反馈机制获得电容实际投切状态,并对电容采取扫描的工作方式以保证等容电容循环投切。针对高压主电路,采用多路输出高压隔离电流源作为晶闸管触发电路,隔离强度好,同步触发性高。

对希罗装置高压调节阀的失效机理分析为气蚀,结合实际工况,提出了管路压降优化设计方案,增设迷宫式限流孔板组,分担调节阀部分压力降,降低调节阀气蚀程度,延长使用寿命。利用cfd软件fluent,采用k-ε湍流模型和simplec算法,计算出孔板组内流场的压力分布,在ansys有限元软件中进行了应力分析和强度评定,获得了经济安全的设计方案。

介绍了三峡至常州±500kv高压直流输电用晶闸管阀体结构;并从电力电子器件、晶闸管控制单元、晶闸管模块、电抗器、冷却系统和绝缘防火结构等几方面,分析了瑞士abb公司提供的高压晶闸管阀技术特点,以及高压换流阀技术发展趋势。