基于LC振荡回路的晶闸管阀短路电流试验

胡永雄 常忠廷 董意锋 王永康

（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

基于LC振荡回路的晶闸管阀短路电流试验

胡永雄 常忠廷 董意锋 王永康

（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

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。

晶闸管阀；阀短路电流试验；LC振荡回路；仿真

晶闸管阀是直流输电系统的核心设备，具有技术难度大、集成度大、跨学科领域多、可靠性要求高等特点，是实现交直流电转换的核心功能单元。为检验晶闸管阀产品的性能，需要对晶闸管阀进行一系列的型式试验，其中阀短路电流试验就是重要的型式运行试验项目，目的是考核晶闸管阀承受短路工况下电压应力、电流应力和热应力的能力。

1 试验标准及要求

1.1 试验标准

晶闸管阀运行型式试验现行标准主要有 GB/T 20990.1—2007和IEC 60700-1：2008。根据标准，阀短路电流试验包括两个试验项目：①带后续闭锁电压的一个周波的短路电流试验；②不带后续闭锁电压的三个周波的短路电流试验。

1.2 试验要求

根据GB/T 20990.1—2007，晶闸管阀短路电流试验要求在晶闸管最大持续运行结温条件下进行。

对于单周波短路电流试验，主要的要求是跟随单周波短路电流后，再现最严重的正向电压与晶闸管结温的联合作用。

对于多周波短路电流试验，主要要求是跟随多周波短路电流的倒数第二个波次后，反向恢复时，再现最严重的反向电压与晶闸管结温的联合作用。

2 试验原理与试验方法

2.1 试验原理

为了降低试验设备容量，提高试验效率，减少投资，晶闸管阀运行型式试验一般采用合成方式进行，利用相对独立的电流源系统和电压源系统，分别提供满足要求的试验电流和试验电压，利用电流引入或电压引入的方法，按标准的要求进行试验。

2.2 试验方法

晶闸管阀短路电流试验按短路电流的获得方式可分为直接试验方式和合成试验方式。在运行参数满足标准规定的条件下，直接试验方式利用短路发电机系统提供短路电流和预期恢复电压，直接进行阀短路电流试验；合成试验方式是几个独立的电压、电流系统通过控制系统控制作用配合施加至试品阀的一种试验方式。

本文所介绍的就是在合成试验基础上，利用LC振荡回路提供短路电流进行直流输电晶闸管阀短路电流试验的一种方式。

3 参数特性

3.1 晶闸管结温特性

在稳态运行工况下，晶闸管工作时会因消耗电功率而产生热量，集中在晶闸管的 PN结中。晶闸管结温由其总的功率损耗和散散热量共同决定。其结温不能超过规定值，否则晶闸管会因过热而使发生不可恢复的热击穿。

在暂态工况下，晶闸管阀会流经幅值高，时间长的单周波或三周波脉冲电流，该脉冲电流短时间内在晶闸管内部会产生大量的热，由于热量不能及时带走，大部分积聚在硅片中使得结温急剧上升。最高允许温度可查晶闸管特性参数表。

3.2 应力要求

1）电流及其热应力

从上述晶闸管结温特性考虑，对晶闸管的性能参数造成致命影响的因素就是热量，即短路电流产生的热效应。只要试验回路能在要求时间内，对晶闸管阀施加要求幅值和持续时间的短路电流，产生要求的热应力，就能达到考核目的。

2）电压应力

按照GB/T 20990.1—2007要求，晶闸管阀通过要求峰值和持续时间的短路电流，并在正确时刻承受规定幅值的正反向电压。要求晶闸管阀承受短路电流后，能够承受规定幅值的电压应力，就可以实现对晶闸管阀承受短路电流后对电压应力的考核要求。

4 用LC振荡回路进行阀短路电流试验

4.1 LC振荡回路基本原理分析

LC振荡回路产生短路电流的基本原理是通过调整LC回路的LC参数，使其振荡产生所要求的试验电流，LC等效电路图如图1所示。

图1 LC振荡回路

将电容C预先充满电，假设电容C预先充电至U0，电感初始电流为I0，开关K闭合后，电容器将通过电阻R和电感L放电，在回路中将产生一定频率的振荡电流。对该电路过程列微分方程如下式（1）。

解微分方程（1），得下式（2）和式（3）：

从上述计算式看出，电流峰值大小跟电容预充电电压、电容值和电感值有关，电流周期时间取决于电感值和电容值得乘积，而电感大小又决定了电流的上升率。

4.2 用LC振荡回路进行短路电流试验

1）晶闸管阀短路电流试验过程

晶闸管阀型式运行试验回路等效电路如图2所示，在进行阀短路电流试验时，阀运行型式试验合成回路首先投入运行，按照阀工程运行的实际参数提供电流和电压。当晶闸管阀 VT结温达到短路电流试验要求的温度时，利用 LC振荡回路给晶闸管阀VT提供短路电流，电压源提供预期试验电压。

图2 合成试验回路等效电路图

2）LC振荡回路参数计算

（1）短路电流周期频率计算

由于晶闸管阀单周波短路电流试验和多周波短路电流试验的实现方式相同，下面以某直流输电工程晶闸管阀单周波短路电流试验为例进行 LC振荡回路参数计算。

该直流工程要求晶闸管阀承受短路电流36kA，短路电流持续时间约 18ms，短路电流后承受 37kV正向电压。因为晶闸管阀的单向导电性，所以实际周期T=36ms，

（2）电感电容计算

令电容预充电电压为2800V，根据计算式（4）和式（5）有

3）仿真验证

利用 LC振荡回路产生短路电流，并配合合成试验回路电压源的时序控制给晶闸管阀施加短路后的恢复电压，并用仿真软件仿真这个试验过程。

根据上述计算的 LC振荡回路参数，使用PSCAD/EMTDC建立仿真模型对参数选择的正确予以验证，得出如图3所示波形。

图3 晶闸管阀单周波短路电流试验波形

从图 3所示波形看出，短路电流持续时间17.9ms，短路电流幅值36.5kA，短路电流后正向电压37.8kV。结果表明LC振荡回路主要参数计算正确，其产生的短路电流可较好满足标准 GB/T 20990.1—2007和IEC 60700-1：2008对晶闸管阀短路电流试验的要求。

5 结论

一般情况，晶闸管阀短路电流的主要方法有短路发电机回路试验法和 LC振荡回路法。在满足标准要求的条件下，比较而言，使用 LC振荡回路对直流输电晶闸管阀进行短路电流试验，具有如下优点：

1）通过合理设计和选择 LC参数，LC振荡回路就能产生与短路发电机系统产生基本一致的短路电流。

2）利用LC振荡回路进行直流输电晶闸管阀短路电流试验，具有投资少，控制灵活。

3）利用LC振荡回路，可以实现短路发电机系统无法达到的最大短路电流值。

［1］邱关源.电路［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［3］王兆安.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［4］钱家骊，关永刚.振荡回路应用的扩展［J］.高压电器，2004，40（2）：142-143.

［5］贺恒鑫，何俊佳.用于高压直流输电的晶闸管换流阀运行试验回路等价性比较［J］.高压电器，2006，42（3）：201-204.

［6］郭思君.高压限流熔断器组合保护装置作发电机短路保护的探讨［J］.四川水力发电，2000，19（S1）：60-61，69.

［7］李梅，王朝晖，孙宏伟，等.一种晶闸管阀的合成试验回路研究［J］.高压电器，2004，40（3）：205-207.

胡永雄（1982-），男，湖南省郴州市人，工程师，本科，研究方向为高压直流输电试验。