TCR阀组故障过电压分析及保护电路参数设计*

刘 庆

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所低频电磁通信技术实验室 武汉 430205)



TCR阀组故障过电压分析及保护电路参数设计*

刘 庆

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所低频电磁通信技术实验室 武汉 430205)

TCR阀组中单个晶闸管级触发电路故障时,该晶闸管级两端将出现过电压。为了提高TCR触发电路的可靠性,论文建立了故障过电压模型,设计了适用于反并联晶闸管的后备触发保护电路,并进行了参数设计。通过PSIM仿真对过电压模型和保护电路参数设计进行了验证。

晶闸管控制电抗器; 触发故障; 过电压; 击穿二极管

Class Number TM76

1 引言

晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor,TCR)是一种重要的静止无功补偿装置,它由反并联的晶闸管阀组和电抗器串联组成,可直挂于中高压电网,提供连续可调节的感性无功功率[1～2]。晶闸管阀组通常采用基于光纤的电/光触发方式,低电位的阀基电子板(VBE)产生的编码脉冲通过光纤传输至高电位的晶闸管电子板(TE),经光电转换、脉冲解码、信号放大后,完成对晶闸管的触发。该触发方式具有隔离电压高、触发信号一致性好的优点[3～6],但由于光纤线机械损伤,TE板故障等原因,在设备运行过程将出现触发故障。当单个晶闸管触发故障时,已触发晶闸管的压降很小,阀组电压将由触发故障的晶闸管承受[7]。为防止晶闸管承受过高电压而被击穿,每块TE板上都配有击穿二极管(Break Over Diode,BOD)作后备触发保护,当晶闸管两端电压上升至BOD动作值时,BOD将被击穿导通从而触发晶闸管[8～10]。文献[9]描述了BOD器件的物理结构和特性,介绍了BOD在晶闸管过电压保护应用中的典型电路。

本文分析了单个晶闸管触发故障时的过电压,进行了后备触发保护电路设计,论述了保护电路参数设计的原则,避免单个晶闸管级触发故障时后备触发不动作、阀组单向导通的情况发生。最后通过仿真对本文所提过电压模型和保护参数设计方法进行了验证。

2 TCR阀组故障过电压分析

TCR阀组电路结构如图1所示,由晶闸管级串联组成,晶闸管级包括反并联的晶闸管VN+和VN-、静态均压电阻R2N-1、动态均压R2N和CN。串联级数N由电网电压和晶闸管耐压决定[11]。

图1 TCR阀组电路结构图

单个晶闸管由于TE板故障或光通道损坏而触发故障,在其他晶闸管触发导通后,这个没触发故障的晶闸管两端将出现过电压。图2给出了过电压的产生的等效电路,其中VN+、VN-为触发故障的晶闸管,R为动态均压电阻,C为动态均压电容,L为相控电抗器,Us为电源电压。假设其他晶闸管具有良好的一致性,在接收到触发信号后立刻导通,且忽略均压电路的影响,正常触发的晶闸管可等效为理想开关S。阀组触发之前,流过电感的电流很小,可忽略不计,并假设晶闸管均匀分压,则电路初始状态:

u0=uC(0)=Usmsinα/N

(1)

i0=iL(0)=0

(2)

其中,Usm为电网电压峰值,α为晶闸管的触发角。

触发功能的正常晶闸管导通,等效为开关S闭合。电源电压由触发故障的晶闸管级和相控电抗器承担,动态均压电阻R、动态均压电容C与相控电抗器L构成RLC二阶电路,二阶电路的微分方程如下:

(3)

此二阶电路的阻尼比为

(4)

工程应用时,单个晶闸管级的动态均压电路与回路电感常处于欠阻尼状态(ξ<1),在动态过程中将出现超调量。根据电路初始状态,对式(3)解析可得:

uC(t)=(Asinωdt+Bcosωdt)e-ξω0t

+Ucmsin(ωt+φc)

(5)

其中:

(6)

晶闸管两端电压为电容电压和电阻电压之和:

(7)

图2 过电压产生的等效电路

由以上推导可知,晶闸管两端的过电压主要受动态均压电路参数、主回路电感值、触发角及串联级数的影响,本文主要关注触发角对过电压峰值Umax的影响。10kV电压等级TCR电路典型参数如表1所示,计算可得到晶闸管故障过电压峰值如表2所示。

表1 10kV电压等级TCR电路参数

表2 10kV电压等级TCR故障过电压峰值

由表2中的数据可知,故障过电压峰值Umax随着触发角α的增大而减小。当触发角较小时,晶闸管过电压峰值远高于晶闸管耐压水平,一旦正常触发通道发生故障,晶闸管就有被击穿的危险。因此,对TCR阀组进行适当的过电压保护是必不可少的。

3 保护电路参数设计

3.1 晶闸管的后备触发保护电路

BOD是一种具有四层结构的半导体器件,当其承受的正向电压超过转折电压Ubo时,漏电流急剧增加,大约3μs～5μs器件迅速导通。目前普遍采用BOD器件串于晶闸管的阳极和阴极之间,当晶闸管正常触发故障,两端电压上升时,BOD器件导通,给晶闸管触发电流,实现后备触发功能。本文采用的后备触发保护电路如图3所示,V1+和V1-为反并联的晶闸管。当晶闸管V1+两端的正向电压大于Ubo时,BOD导通,R1、BOD、V2、D1构成触发回路,为晶闸管V1+提供触发电流。当晶闸管导通后,其两端电压下降,BOD器件恢复阻断。当晶闸管V1+两端的反向电压大于Ubo时,与其反并联的晶闸管V1-的BOD动作,使V1-导通。

图3 后备触发电路

3.2 保护电路参数设计

1) BOD动作值Ubo的选择决定了晶闸管过电压的保护水平,Ubo必须小于晶闸管的断态不可重复峰值电压UDRM:

(8)

2) 考虑到晶闸管关断时,将产生反向过电压,为防止晶闸管误触发。Ubo不能选得太低,Ubo要大于晶闸管的最大关断过电压,防止晶闸管的误触发:

(9)

其中k为晶闸管的关断过电压倍数,取1.7～2倍。

3) 由表2可知,触发角α越大,晶闸管触发故障时的过电压峰值越小。假设正向晶闸管串中有一个晶闸管触发故障,且触发角较大,如果BOD动作值取的过高,晶闸管两端的过电压达不到BOD的动作值,后备触发电路不动作,故障晶闸管维持截止,正向晶闸管串将不能导通,而反向晶闸管串不受影响,整个TCR阀组将单向导通,产生直流电流分量和偶次谐波。

本文建议合理选取BOD的动作值,限制故障态下TCR最大触发角,避免阀组单向导通的情况发生。以表1中的电路参数为例,建议触发角移相范围为110°～160°,BOD动作值为5200V,由两个动作值为2600V的BOD模块串联实现[12]。触发角在110°～160°范围内,过电压峰值皆大于BOD动作值,可保证单个晶闸管级出现触发故障时,后备触发总能动作。

4 仿真分析

为了验证过电压数学模型的准确性和保护参数设计方法的合理性,根据表1中的电路参数,在PSIM仿真环境下搭建了仿真模型。

未加入后备触发保护电路,模拟单个晶闸管级的正向晶闸管触发故障,在触发角150°时,得到的过电压波形如图4所示。在电压的上升过程中,出现了超调,过电压峰值为8539V。改变触发角,得到不同触发角对应的过电压峰值见表3。仿真得到的数据与表2中的计算数据接近,验证了过电压数学模型的准确性。

表3 过电压峰值仿真结果

图4 α=150°触发故障过电压波形

图5 α=160°触发故障时的波形

图6 α=165°触发故障时的波形

加入后备触发保护电路,模拟单个晶闸管级的正向晶闸管触发故障,触发角160°时,得到该晶闸管级两端的过电压波形如图5(a)所示,当该晶闸管级两端电压上升到5200V时,正向后备触发动作,流过阀组的电流波形如图5(b)所示。触发角165°时,得到该晶闸管级两端的过电压波形如图6(a)所示,流过阀组的电流波形如图6(b)所示。此时,晶闸管级两端的过电压峰值较小,达不到BOD的动作值,正向后备触发不动作,阀组单向导通,大量的直流分量和偶次谐波威胁到系统安全运行。仿真结果对比说明,合理选取BOD的动作值,限制故障态下TCR最大触发角是非常有必要的。

5 结语

本文分析了TCR阀组中的单个晶闸管级触发故障时的过电压。进行了后备触发电路的设计,提出了合理选取BOD的动作值,限制TCR最大触发角的建议,以避免单个晶闸管级触发故障时后备触发不动作、阀组单向导通的情况发生。从而保证单个晶闸管级触发故障时,晶闸管总能够通过BOD后备触发,维持阀组正常运行。

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TCR Valve Fault Overvoltage Analysis and Protection Circuit Parameters Design

LIU Qing

(Low Frequency Electromagnetic Communication Technology Laboratory, The 722th Research Institute, CSIC, Wuhan 430205)

When single thyristor level of TCR valve triggered fault, the ends of thyristor level will produce overvoltage. In order to improve the reliability of TCR trigger circuit, this paper establishes a model of fault overvoltage, and designs backup trigger circuit applied to inverse parallel thyristors. Over voltage model and protection circuit parameters design is validated by PSIM simulation.

thyristor controlled reactor, trigger fault, overvoltage, break over diode

2015年2月4日,

2015年3月16日

刘庆,男,硕士,高级工程师,研究方向:大功率发信系统设计。

TM76

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.041