特高压直流换流阀的运行性能及其失效机制

鲁成栋 肖登明 秦松林

（上海交通大学电气工程系，上海 200030）

随着我国特高压骨干电网的建设，特高压直流输电的相关技术有了快速的发展[1-3]。特高压换流阀是特高压直流输电工程的核心器件，主要由晶闸管和其他辅助元件构成。特高压换流阀单阀由若干个阀段组成，一个阀段与一个完整阀的电气特性相同，是能够代表单阀电气特性的最小单元，通常将两个阀段组成一个阀组件。每个阀段由数个晶闸管级、阀饱和电抗器和均压电容组成。而每一个晶闸管级又由一个晶闸管、阻尼回路和晶闸管触发和检测电子单元组成[4-5]。

国内对直流换流阀失效机制的研究还较少，文献[6]对TSC晶闸管阀的失效机制作了研究，可为直流换流阀失效机制的研究作一定的参考。文献[7-8]分别对换流阀开通的电流应力和关断的电压应力进行了探索研究，奠定了一定的理论依据。文献[9]深入研究了换流阀在故障过电流下的失效机制，但未能考虑其他运行工况，不够全面。

换流阀在运行中根据实际情况的变化，会处于各种复杂的运行工况，换流阀上承受的电压、电流以及热应力都各不相同，其运行性能也有所不同。本文将讨论换流阀各个运行工况的特征及其运行性能，并分析阀在不同工作周期下的失效机制，为提高换流阀的可靠性以及试验方法的研究提供一定的理论参考。

1 换流阀的运行工况

以6脉动换流器为例，如图1所示，分析换流阀在不同运行条件下的状态。12脉动换流器时由两个6脉动换流器串联而成，其运行工况与6脉动换流器近似[10]。

图1 六脉动换流器

1.1 最大暂时运行工况

特高压直流输电系统运行中，有时候根据需要将整流器的触发角α 调制至90°，使整流器输出的平均电压为零，停止功率输出。同时，如果交流侧线电压达到稳态最大值，换流阀就处于最大暂时运行工况。该工况下，换流阀将承受严酷的电压条件，电压波形在一个周期内存在两次反转，正反向电压峰值均达到了交流线电压峰值，该工况下，换流阀的损耗最大，电压裕度最小，被击穿的可能性很大。图2为换流阀在最大暂时运行工况时的仿真电压波形，仿真时将交流电源有效值设为 100kV，直流侧平波电抗器设置为足够大。

图2 最大暂时运行工况时换流阀承受的电压

1.2 故障过电流工况

直流输电系统在运行过程中，换流器主回路故障往往造成较为严重的后果整流器阀短路（桥臂短路）故障是最为严重的一种故障。

触发角α=0°、Id=0时，阀短路将产生最大的短路故障电流。当阀VT1向阀VT3换相结束后阀VT1立即发生短路，电流向着两相短路的方向发展，此后换流阀将交替的发生三相和两相短路，直流侧输出电压几乎为零。换流阀通过的短路电流如图3所示，经理论计算[11]，阀 VT3的电流 i3在 150°附近时达到最大值 1.433Is3，至 265.7°时降为 0，此时阀VT5的电流达到最大值1.863Is3。而阀VT1的电流i1= -(i3＋i5)，在210°左右达到最大值2.299 Is3。两相短路电流幅值及三相短路电流幅值分别由下式求得

式中，E为换相线电压有效值，Lr为换相电抗电感值，ω为角频率。

图3 六脉动整流器阀短路时的短路电流

1.3 断续直流运行工况

直流整流器的输出电流存在着纹波，纹波的大小与直流电压、线路负载参数及其平波电抗器有关。由于某种原因，直流电流可能会出现间断，这就是断续直流现象。产生断续直流的现象的原因有：①直流系统的控制角α 较大时，若平均电流小于某值，则电流可能出现间断现象；②直流系统在启动停运的过程中，由于直流电流很小，造成断续直流现象；③触发晶闸管时，杂散电容产生的反向浪涌进入正在导通的晶闸管，使之提前过零关断，产生断续直流现象。图4（a）表示了6脉动整流器在断续直流工况下换流阀两端的电压、电流仿真波形，对于6脉动整流器，一个周期会产生两个半波断续电流。12脉动整流器由两个6脉动整流器串联而成，在断续直流工况下与 6脉动整流器的情况有所不同，会在一个周期内产生4个半波断续电流，如图4（b）所示。

图4 断续电流工况下换流阀承受的电压电流

1.4 最小触发角和暂态欠电压工况

最小触发角工况指的是当交流侧线电压为稳态最小值且换流阀运行在整流器最小触发角时经历的工况。当交流侧线电压为稳态最小值时，阀的触发电压最小，最不利于阀触发检测的电子电路的取能，而触发角处于最小值时，阀两侧的正向电压最小。这两个条件同时满足的情况下很不利于换流阀的可靠触发。

由于交流系统故障引起换流站交流母线电压降低，换流阀将处于暂态过电压工况。换流阀处于暂态欠电压下，阀端子间电压降低，换流阀的触发电压降低，若换流阀此时又运行在最小触发角状态，则对阀的触发要求最为苛刻。

1.5 最小关断角工况

换流阀从关断到阀承受的电压由负变正的过零点之间的时间用电角度角γ 表示，称为逆变器的关断角。晶闸管关断后必须承受足够时间的反向恢复电压，将其内部的存储电荷移走，才能恢复其正向阻断能力。因此逆变器关断角不能过小，否则将引起换相失败[12]。

最小关断角工况指的是当交流侧线电压为稳态最小值且换流阀运行在逆变器最小关断角时经历的工况。在最小关断角工况下，直流系统向换流阀提供的反向恢复电压最小，对阀的关断要求最为苛刻。

图5 最小关断角工况下换流阀承受的电压

1.6 恢复期瞬态正向电压

恢复期瞬态正向电压指的是逆变器换流阀在关断的反向恢复期间承受瞬态的正向电压，该工况对换流阀关断能力的考验非常严酷，并考验换流阀承受瞬态电压的能力。瞬态正向电压产生时，换流阀可能还没有完全恢复正向阻断能力或者只有部分晶闸管恢复正向阻断能力，造成晶闸管的损耗，可能引起晶闸管的损坏。

恢复期瞬态正向电压产生的原因举例分析如下。在逆变器中阀 VT2关断后的区间内，尤其是阀反向恢复期间，处于同一相的另一个换流阀VT5若发生误触发开通或者由于绝缘损坏而开通，则会在阀上产生很陡的正向冲击电压，引起阀恢复期间瞬态正向电压现象。图6表示阀VT2在反向恢复期间（t=0.08s左右）由于阀VT5的误触发开通而导致的瞬态正向电压。

图6 恢复期间瞬态正向电压

2 换流阀的失效机制

直流换流阀的工作周期可以分为四个状态（运行区间）：开通、关断、通态和断态。在这四种状态下，换流阀的运行性能和失效机制各不相同，下面予以分析。

2.1 换流阀的开通

换流阀在开通时，受到门极电流的触发，晶闸管仅在门极附近区域导通，经过导通区等离子体的扩展过程，晶闸管的其余部分才完全转入导通状态。等离子体的扩展过程主要机理是扩散作用和漂移作用。等离子体的扩散过程会产生热量，并导致局部结温的上升。若晶闸管开通时电流上升率di/dt很大，导致导通区域的局部电流密度和局部温升很大，由于硅的比热容和热传导率很小，则晶闸管的温度将迅速上升，最终导致晶闸管的损坏和失效。

换流阀开通瞬间的电流上升率di/dt是衡量换流阀在开通时是否会因为局部过热而损坏失效的重要指标。换流阀开通瞬间时的电流上升率主要由外电路决定，包括阀的串联电抗、阀端电压和其他外电路参数等影响因素。换流阀在开通时的等效电路图如图7所示，其中L为主回路电感，Lsat和Rsat分别为饱和电抗和电阻，Cd和 Rd分别为阻尼电容和电阻，Cs为杂散电容，Ra为避雷器电阻。

图7 换流阀开通时的等效电路图

换流阀开通瞬间的电流上升率di/dt主要包括两部分：主电路的电流上升率和阻尼回路放电带来的电流上升率。此外，杂散电容也会带来电流上升率。

故障过电流工况的主回路电流上升率最大，根据1.2节的分析，阀VT5的开通电流的表达式如下：

阀VT5在ωt=120°+α时导通，故其瞬间开通的电流上升率为

阻尼回路放电过程带来的电流上升率是由于换流阀在触发导通时，电容器上所充的高电压迅速通过晶闸管放电导致的。设换流阀开通前电容器上的电压为U0，则开通时阻尼回路带来的电流上升率为

换流阀开通时阻尼回路放电过程产生的di/dt如果过大，不仅增大了通过晶闸管的di/dt，还可能导致阻尼电阻上瞬时功率过大，损坏阻尼电阻，从而使换流阀失效[13]。

另外，杂散电容的存在不仅能产生开通电流上升率，而且会和阳极的饱和电抗器作用，使阀的开通电流产生振荡。

对过电流故障工况和最大暂时运行工况等高电压运行工况，换流阀在开通时可能由于电流上升率di/dt过大而失效；对于最小触发角和暂时欠电压工况等低电压运行工况，换流阀可能无法可靠触发，导致断续直流现象。以上是换流阀在开通时需要注意的问题。

2.2 换流阀的通态

换流阀在通态时通过的电流会在晶闸管内部产生热量，导致晶闸管结温上升。如果晶闸管结温继续上升至一定的温度，将形成两类内部“自加热”的正反馈物理过程，进一步导致晶闸管温度上升。

1）在过电流情况下，最初晶闸管基区载流子密度随电流密度J的增大而增大，随着晶闸管结温的上升，载流子的有效寿命τ和双极扩散系数迅速降低，基区载流子的浓度开始下降，晶闸管开始从复合型热扩散向欧姆型热扩散转变，导致结温迅速上升，进一步促使上述转变，形成了正反馈的过程，从而造成晶闸管内部的自加热。

2）当基区载流子浓度降低到一定浓度值时（≤1017cm-3），高温激发的本征载流子浓度开始增大，本征载流子的浓度相对较高的点会形成“自加热”的正反馈过程。结温的上升会在高温点形成“微—等离子体”，当温度继续上升至丝化温度时，晶闸管内部将形成“中—等离子体”，中—等离子体的形成将使器件的耐压耐电流能力大大降低，最终导致晶闸管失效[14]。

由上述分析可见，换流阀通态下特性的决定性因素是晶闸管的结温。故对换流阀通态电流强度的校核主要考虑换流阀在各运行工况下的温升。根据通过晶闸管电流的时间长短，换流阀的温升分为三种：稳态温升、暂态温升和瞬态温升，在分析时也分别采用稳态热阻Rth、暂态热阻Rth和瞬态热阻Rs来计算温升。晶闸管的温升ΔT(t)可由下式计算：

式中，R表示晶闸管在不同情况下的热阻，Pd(t)为通态损耗，Ud(t)为晶闸管在导通过程中的通态压降，i(t)为通态电流。

此外值得一提的是，换流阀通态时电流过大，还可能造成阻尼回路功率损耗过大，烧坏阻尼电阻，这也是通态换流阀失效的一个原因。

换流阀通态的另一个重要参数为晶闸管的维持电流 IH，维持电流指的是使晶闸管保持导通的最小电流。在低电压运行工况下，若晶闸管通态电流低于维持电流IH，导致晶闸管非正常关断，直流电流不再连续。这种断续直流状态，存在两方面的危害，一是在换流变压器和平波电抗器等电感性元件上产生很高的过电压，危害绝缘；二是在关断时晶闸管的n基区内仍存在大量过剩载流子，其复合过程很缓慢，若此期间剩余载流子的浓度高于临界值，晶闸管两端施加的正向电压将因传导引起晶闸管的非门极导通，非常容易在局部形成过热点，从而损坏晶闸管。

2.3 换流阀的关断

晶闸管两端并联有阻容电路，在晶闸管的关断过程中可起到抑制过冲的作用，其等效电路如图 8所示。以晶闸管反向电流达到最大值Irr时作为开始时间，则串联电感L上的初始电流为Irr，电容上的初始电压为 0。由于关断过程的时间较短，作用在晶闸管两端的反向外部电压可认为是不变的，设为E。

图8 晶闸管关断过程的简化等效电路图

晶闸管反向恢复电流ith可采用指数函数模型或者双曲正割函数模型，本文采用指数函数模型，由下式所示[15]：

得到晶闸管两端的电压uth的表达式：

换流阀在关断过程中可能出现3种失效机制：①反向电压过高导致的反向击穿；②晶闸管缺陷点的本征载流子激发失效；③晶闸管的反向电压上升率du/dt过大导致的误导通失效。

晶闸管的反向击穿机理可分为两种：雪崩击穿和穿通效应。雪崩击穿指的晶闸管内空间电荷区的电子和空穴在反向电压的作用下，不断与晶体原子发生碰撞，碰撞后产生新的自由电子和空穴对，如此连锁反应使得载流子数量呈雪崩式地增长，流过PN结的电流急剧增大，导致PN结被击穿。穿通效应指的是在反向电压的作用下，若空间电荷的展宽等于N基区的宽度，集电结未达到雪崩击穿时就会出现电流突然增大的现象，使J2结穿通，从而导致晶闸管的击穿。

晶闸管缺陷点的本征载流子激发失效与晶闸管通态时结温过高导致“自加热”过程的原理相似。晶闸管在制造过程中会存在有低密度的缺陷点，这些点的电流密度高于晶闸管的其他部分。晶闸管关断时的反向电流可能导致结温过高，会在局部高温缺陷点形成“微—等离子体”，若电流密度继续上升，高温激发的本征载流子浓度不断增大，超过临界值后，“微—等离子体”将转变为“中—等离子体”，造成晶闸管的“自加热”，最终导致晶闸管器件的失效。

晶闸管在关断时，其反向电压具有很大的上升率du/dt，由于结电容CJ的存在，J2结会有充电电流流过，称为位移电流Idis。位移电流经过J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果正向电压上升率过大，会导致晶闸管的误导通。晶闸管在该状态下误导通，其导通区域往往不在门极结构的限制范围内，属于非门极导通，非常容易在局部形成过热点，最终导致晶闸管的失效。反向电压上升率du/dt的计算公式如下式所示：

故障过电流等高电压工况下，换流阀在关断时有可能由于上述三个原因造成关断失效。换流阀在最小关断角工况下，直流系统提供的反向电压较低，而且反向电压的施加时间最短，对阀的关断要求苛刻，有可能无法可靠关断而发生误导通，导致换相失败，影响逆变器的正常运行，并损坏换流阀。

2.4 换流阀的断态

换流阀经过关断过程，就进入关断状态，称为断态。换流阀在断态期间可能会经受复杂的电压波形，包括工频分量、高频电压跳变以及直流分量。

换流阀两端电压的变化会导致阻尼回路和串联饱和电抗器上产生损耗，电压中的直流分量还会在换流阀的直流均压电阻上产生很大的功率损耗，造成局部过热，熔断或击穿均压电阻的连接件，从而进一步引发各个晶闸管电压的分布不均，可能导致承受高电压的晶闸管击穿，最终损坏整个换流阀。

换流阀断态时如果其正向电压上升率 du/dt过高，会在晶闸管内部产生位移电流Idis，导致晶闸管的误导通，容易在局部产生过热点而损坏晶闸管。换流阀通过故障过电流后阻断并承受正向电压，以及逆变器换流阀关断后的恢复期间承受瞬态正向电压这两种情况下，换流阀承受的正向电压上升率du/dt很高，极有可能使换流阀发生误导通，从而造成换流阀的损坏。

3 结论

本文针对特高压直流换流阀运行工况的特点，根据换流阀的不同工作周期运行性能的分析，得出其失效机制：

1）换流阀的开通

（1）电流上升率 di/dt的过大，载流子来不及扩散造成局部温升失效。

（2）开通冲击电流导致阻尼电阻失效。

2）换流阀的通态

（1）通态电流过大导致的温升失效。

（2）阻尼电阻损耗过大导致的失效。

（3）通态电流过低形成直流断续导致晶闸管的损坏。

3）换流阀的关断

（1）关断反向电压过高导致的反向击穿。

（2）晶闸管缺陷点的高温本征载流子激发失效。

（3）关断反向电压变化率du/dt过大导致晶闸管误导通失效。

（4）晶闸管未能可靠关断导致换相失败，引起晶闸管失效。

4）换流阀的断态

（1）直流过电压导致均压电阻失效。

（2）断态正向电压上升率du/dt过大形成误导通失效。

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