基于LC振蕩回路的晶閘管閥短路電流試驗

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

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。

晶閘管閥；閥短路電流試驗；LC振蕩回路；仿真

晶閘管閥是直流輸電系統的核心設備，具有技術難度大、集成度大、跨學科領域多、可靠性要求高等特點，是實現交直流電轉換的核心功能單元。為檢驗晶閘管閥產品的性能，需要對晶閘管閥進行一系列的型式試驗，其中閥短路電流試驗就是重要的型式運行試驗項目，目的是考核晶閘管閥承受短路工況下電壓應力、電流應力和熱應力的能力。

1 試驗標準及要求

1.1 試驗標準

晶閘管閥運行型式試驗現行標準主要有 GB/T 20990.1—2007和IEC 60700-1：2008。根據標準，閥短路電流試驗包括兩個試驗項目：①帶后續閉鎖電壓的一個周波的短路電流試驗；②不帶后續閉鎖電壓的三個周波的短路電流試驗。

1.2 試驗要求

根據GB/T 20990.1—2007，晶閘管閥短路電流試驗要求在晶閘管最大持續運行結溫條件下進行。

對于單周波短路電流試驗，主要的要求是跟隨單周波短路電流后，再現最嚴重的正向電壓與晶閘管結溫的聯合作用。

對于多周波短路電流試驗，主要要求是跟隨多周波短路電流的倒數第二個波次后，反向恢復時，再現最嚴重的反向電壓與晶閘管結溫的聯合作用。

2 試驗原理與試驗方法

2.1 試驗原理

為了降低試驗設備容量，提高試驗效率，減少投資，晶閘管閥運行型式試驗一般采用合成方式進行，利用相對獨立的電流源系統和電壓源系統，分別提供滿足要求的試驗電流和試驗電壓，利用電流引入或電壓引入的方法，按標準的要求進行試驗。

2.2 試驗方法

晶閘管閥短路電流試驗按短路電流的獲得方式可分為直接試驗方式和合成試驗方式。在運行參數滿足標準規定的條件下，直接試驗方式利用短路發電機系統提供短路電流和預期恢復電壓，直接進行閥短路電流試驗；合成試驗方式是幾個獨立的電壓、電流系統通過控制系統控制作用配合施加至試品閥的一種試驗方式。

本文所介紹的就是在合成試驗基礎上，利用LC振蕩回路提供短路電流進行直流輸電晶閘管閥短路電流試驗的一種方式。

3 參數特性

3.1 晶閘管結溫特性

在穩態運行工況下，晶閘管工作時會因消耗電功率而產生熱量，集中在晶閘管的 PN結中。晶閘管結溫由其總的功率損耗和散散熱量共同決定。其結溫不能超過規定值，否則晶閘管會因過熱而使發生不可恢復的熱擊穿。

在暫態工況下，晶閘管閥會流經幅值高，時間長的單周波或三周波脈沖電流，該脈沖電流短時間內在晶閘管內部會產生大量的熱，由于熱量不能及時帶走，大部分積聚在硅片中使得結溫急劇上升。最高允許溫度可查晶閘管特性參數表。

3.2 應力要求

1）電流及其熱應力

從上述晶閘管結溫特性考慮，對晶閘管的性能參數造成致命影響的因素就是熱量，即短路電流產生的熱效應。只要試驗回路能在要求時間內，對晶閘管閥施加要求幅值和持續時間的短路電流，產生要求的熱應力，就能達到考核目的。

2）電壓應力

按照GB/T 20990.1—2007要求，晶閘管閥通過要求峰值和持續時間的短路電流，并在正確時刻承受規定幅值的正反向電壓。要求晶閘管閥承受短路電流后，能夠承受規定幅值的電壓應力，就可以實現對晶閘管閥承受短路電流后對電壓應力的考核要求。

4 用LC振蕩回路進行閥短路電流試驗

4.1 LC振蕩回路基本原理分析

LC振蕩回路產生短路電流的基本原理是通過調整LC回路的LC參數，使其振蕩產生所要求的試驗電流，LC等效電路圖如圖1所示。

圖1 LC振蕩回路

將電容C預先充滿電，假設電容C預先充電至U0，電感初始電流為I0，開關K閉合后，電容器將通過電阻R和電感L放電，在回路中將產生一定頻率的振蕩電流。對該電路過程列微分方程如下式（1）。

解微分方程（1），得下式（2）和式（3）：

從上述計算式看出，電流峰值大小跟電容預充電電壓、電容值和電感值有關，電流周期時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振蕩回路進行短路電流試驗

1）晶閘管閥短路電流試驗過程

晶閘管閥型式運行試驗回路等效電路如圖2所示，在進行閥短路電流試驗時，閥運行型式試驗合成回路首先投入運行，按照閥工程運行的實際參數提供電流和電壓。當晶閘管閥 VT結溫達到短路電流試驗要求的溫度時，利用 LC振蕩回路給晶閘管閥VT提供短路電流，電壓源提供預期試驗電壓。

圖2 合成試驗回路等效電路圖

2）LC振蕩回路參數計算

（1）短路電流周期頻率計算

由于晶閘管閥單周波短路電流試驗和多周波短路電流試驗的實現方式相同，下面以某直流輸電工程晶閘管閥單周波短路電流試驗為例進行 LC振蕩回路參數計算。

該直流工程要求晶閘管閥承受短路電流36kA，短路電流持續時間約 18ms，短路電流后承受 37kV正向電壓。因為晶閘管閥的單向導電性，所以實際周期T=36ms，

（2）電感電容計算

令電容預充電電壓為2800V，根據計算式（4）和式（5）有

3）仿真驗證

利用 LC振蕩回路產生短路電流，并配合合成試驗回路電壓源的時序控制給晶閘管閥施加短路后的恢復電壓，并用仿真軟件仿真這個試驗過程。

根據上述計算的 LC振蕩回路參數，使用PSCAD/EMTDC建立仿真模型對參數選擇的正確予以驗證，得出如圖3所示波形。

圖3 晶閘管閥單周波短路電流試驗波形

從圖 3所示波形看出，短路電流持續時間17.9ms，短路電流幅值36.5kA，短路電流后正向電壓37.8kV。結果表明LC振蕩回路主要參數計算正確，其產生的短路電流可較好滿足標準 GB/T 20990.1—2007和IEC 60700-1：2008對晶閘管閥短路電流試驗的要求。

5 結論

一般情況，晶閘管閥短路電流的主要方法有短路發電機回路試驗法和 LC振蕩回路法。在滿足標準要求的條件下，比較而言，使用 LC振蕩回路對直流輸電晶閘管閥進行短路電流試驗，具有如下優點：

1）通過合理設計和選擇 LC參數，LC振蕩回路就能產生與短路發電機系統產生基本一致的短路電流。

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

3）利用LC振蕩回路，可以實現短路發電機系統無法達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，研究方向為高壓直流輸電試驗。