强迫换流参数对晶闸管工作特性的影响分析

刘轶强

强迫换流参数对晶闸管工作特性的影响分析

刘轶强

（海军驻武汉地区军事代表局驻湘潭地区军事代表室，湖南湘潭 411101）

混合式断路器电流转移支路中晶闸管的反向恢复过电压击穿和重加正向电压击穿是导致短路分断失败的重要因素，研究晶闸管器件在短路分断过程中面临的工况对于提高短路分断可靠性具有重要的意义。本文采用函数解析的方法对混合式断路器的强迫换流过程进行了详细的分析，依次探究了强迫换流回路投入时间、强迫换流电容参数、强迫换流电感参数对晶闸管正向电流峰值、关断di/dt和反向电压时间的影响。所得结论对于混合式断路器中晶闸管组件设计具有一定的指导意义。

混合式断路器 反向过电压 正向电压 晶闸管 强迫换流

0 引言

混合式断路器通常由主开关并联辅助开关构成，主开关一般指机械开关，辅助开关由半导体开关并联限压耗能装置组成，由于综合了机械开关通态损耗低的静态特性以及固态开关动作迅速、寿命长、无弧开断的动态特性，是直流电力系统向中、高压大容量领域发展的理想保护拓扑方案。为满足中压大容量电力系统快速、大电流分断的要求，提出的一种基于大功率晶闸管的混合式断路器拓扑结构如图1所示，主要包括机械开关S1构成的主开关支路，晶闸管组件T1构成的电流转移支路，晶闸管组件T0、强迫换流电容C1、强迫换流电感L1构成的强迫换流支路，压敏电阻MOV构成的限压耗能支路。故障电流分断过程中，混合式断路器的工作过程主要包括自然换流过程和强迫换流过程。

作为混合式断路器核心部件的晶闸管组件T1，在自然换流过程中要能实现短路电流的快速转移，在强迫关断过程中要能在反向脉冲电流的作用下实现过零关断，在重加正向电压后能恢复正向介质阻断能力，是短路分断过程能够成功的关键。正向导通过程中载流子的储存效应导致晶闸管中电流过零后并不能立刻关断，需要经过反向恢复过程才能恢复反向阻断能力。反向恢复过程的电流下降阶段，由于流过晶闸管中的电流的反向，在电源电压和回路电感的感应电动势作用下，晶闸管两端会形成过电压尖峰，当电压峰值超过器件的反向最大耐压值时将会导致器件击穿。从晶闸管器件的角度出发，反向恢复过电压峰值由反向恢复电流峰值和电流下降的速率决定。文献[1]均指出晶闸管的反向恢复电流峰值随着正向电流峰值以及关断d/d的增加而增加。晶闸管的关断时间指从晶闸管中电流过零到重加正向电压，器件不发生正向击穿的最小时间，是表征晶闸管关断速度的物理量。在短路分断过程中，只有当施加在晶闸管两端的反向电压时间大于其关断时间时，晶闸管才能恢复正向阻断能力，实现短路电流的可靠关断。

图1 基于大功率晶闸管的混合式断路器拓扑结构图

短路分断过程中，强迫换流回路投入时间、强迫换流电容参数C1、强迫换流电感参数L1是影响晶闸管T1中的正向电流峰值、晶闸管的关断d/d、晶闸管两端反向电压时间的主要因素。对强迫换流过程进行深入的分析，明确晶闸管的应用工况，对晶闸管器件选型、保护电路设计等具有很大的工程实用价值。虽然目前很多文献对混合式断路器进行了介绍，但大多侧重于拓扑结构的设计而缺少针对某一类型拓扑工作过程进行分析。文献[4]对自然换流过程的影响因素进行了分析，但是并未对强迫换流过程进行介绍。

针对上述问题，本文以10 kV直流配电网为例，采用函数解析的方法，依次分析了强迫换流回路投入时间，强迫换流电容参数，强迫换流电感参数对于强迫换流过程中晶闸管正向电流峰值、关断d/d、反向电压时间的影响。明确了在短路开断过程中，电流转移支路中大功率晶闸管T1面临的工况，对于晶闸管组件设计，保护电路设计等具有一定了指导意义。

1 强迫换流过程理论分析

强迫换流回路等效电路如图2所示，其中表示短路电流，T表示流过晶闸管T1中的电流，c表示强迫换流回路中的电流。强迫换流电容C1预充电压Uc，假设1时刻触发晶闸管组件T2，投入强迫换流回路，放电过程中C1两端电压用c（）表示。

图2 晶闸管组件T1强迫关断过程等效电路

在晶闸管中电流过零之前，由基尔霍夫电路定律得：

解得：

其中：

快速晶闸管的反向恢复过程很短，大概只有十几微妙，为进一步分析方便，在该过程中近似认为C1两端电压=c（2）不变。当短路电流完全由晶闸管组件T1转移到强迫换流回路中时，等效电路如图3所示。

图3 晶闸管组件T1关断后等效电路

根据基尔霍夫定律得：

边界条件为：

2表示晶闸管中电流过零时刻，可得到晶闸管关断d/d=d(2)/d，正向电流峰值F=（1）。3表示C1两端电压反向，即晶闸管开始承受正向电压时刻，则晶闸管承受反压时间a=3-2

2 强迫换流参数对短路分断过程的影响

以10kV中压直流配电系统为例，系统电压，支路电感L，短路时间常数，回路负载L为已知常数。保持强迫换流电容值C1值和强迫换流电感值L1不变，将上述参数带入式（2）和（4），得到各参数随着晶闸管组件T0触发时刻1变化情况图4所示。

（a）晶闸管T1正向电流峰值变化曲线

（b）晶闸管T1关断di/dt变化曲线

（c）反向恢复过程C1两端电压变化曲线

（d）晶闸管T1承受反向电压时间变化曲线

图4 各参数随晶闸管组件T0触发时刻t1变化情况表

上图4表明，随着晶闸管组件T0导通时间t1增加，即强迫换流支路投入时间的增大，晶闸管T1中流过的正向电流峰值快速增加，同时承受反向电压的时间大幅降低。在强迫换流电容充电电压和电容参数确定的情况下，强迫换流回路投入时间增大，投入时刻短路电流增加，将导致晶闸管T1电流过零时刻，C1中剩余能量减小。虽然能在一定程度上通过降低uc以及晶闸管T1的关断di/dt来降低反向恢复过程中组件两端的反向恢复过电压，但是由于反向电压时间的大幅降低，可能导致重加正向电压时晶闸管的正向击穿。因此，应合理控制电流转移时间，尽可能的减小强迫换流回路投入时间。

下图5可以看出，随着C1值增大，晶闸管组件T0的关断di/dt以及反向恢复过程电容C1施加在组件两端的电压也会增大。当关断短路电流IF保持不变的情况下，增大C1值，电容储存能量增加，虽然会导致反向恢复过程中组件T1反向恢复过电压峰值增大，但是却能为晶闸管提供长的反向电压时间，这对于组件T1恢复正向阻断能力是有力的。

保持晶闸管组件T0触发时刻t1，C1值不变，随着L1值增大，各参数变化情况如图5所示。

（a）晶闸管T0关断di/dt变化曲线

（b）反向恢复过程C1两端电压变化曲线

（c）晶闸管T0承受反向电压时间变化曲线 图5 各参数随着强迫换流电容C1增大变化情况表

强迫换流回路中电感增大，会导致强迫换流电流峰值降低，在关断相同短路电流情况下，导致电容C1中剩余电压uc降低。因此，随着L1值增大，晶闸管组件T1的关断di/dt和反向恢复过程中电容器电压电压uc（t2，）均减小，晶闸管组件T1在反向恢复过电压减小的同时，两端的反压承受时间ta也会大幅降低，容易导致重加正向电压时器件的正向击穿。

（a）晶闸管T0关断di/dt变化曲线

（b）反向恢复过程C1两端电压变化曲线

（c）晶闸管T0承受反向电压时间变化曲线 图6 各参数随L1增大各变化情况表

3 结论

文中采用函数解析的方法依次分析了强迫换流支路投入时间、强迫换流电容值、强迫换流电感值对电流转移支路中晶闸管组件T1正向电流峰值、关断di/dt、反向电压时间的影响，得出结论如下：

1）随着强迫换流支路投入时间t1增加，晶闸管正向电流峰值呈直线上升，反向电压时间ta大幅降低，无论对于电流转移支路中晶闸管T1关断，还是重加正向电压恢复正向介质阻断能力均是不利的；

2）增大强迫换流电容C1会带来晶闸管组件T1关断di/dt以及反向恢复过程电容C1电压增大，导致反向恢复过电压升高。但是却能使晶闸管T1承受反向电压的时间增长，有利于提高重加正向电压时恢复正向介质阻断能力的速度，因此可以合理增大C1值，然后设计合理的晶闸管反向恢复过电压保护电路，来实现晶闸管反向恢复过程中的过电压保护。

（1）读开头。谁能把这几个自然段读成一句话？（写妈妈告诉“我”真爱像茉莉，我不理解）指名读。结合理解“嗔怪”的意思以及使用范围，力求读出不同人说话的语气

据antconc统计，《鲁迅小说》用词总词形数(tokens)为92066个，词类(types)为9176个，其中单音节词为2297个。总体语料中的词性分布(见表3)与前100词趋同，前5类依次为动词、名词、副词、助词和代词。

3）增大换流电感L1同样会导致晶闸管承受反向电压时间大幅降低，从而导致重加正向电压时的器件正向击穿。

参考文献：

[1] 解婷, 汤广福, 郑健超等. 高压直流晶闸管阀故障电流下反向电压特性的分析[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(1): 140-146.

[2] 岳珂, 孙玮, 刘隆晨等. 载流子寿命与高压晶闸管反向恢复特性的关系[J]. 高电压技术, 2017, 43(12): 3944-3949．

[3] 戴玲, 田书耘, 金超亮等. 脉冲功率晶闸管反向恢复特性[J]. 强激光与粒子束, 2016, 28(11): 139-143．

[4] 沙新乐, 彭振东, 李博, 任志刚. 混合式断路器自然换流过程分析研究[J]. 船电技术, 2019, 39(02): 37-40.

[5] Grieshaber W, Violleau L. Development and test of a 120 kV direct current circuit breaker[C]//CIGRE Session. Paris: CIGRE, 2014: B4-301.

Analysis of the Influence for Forced Commutation Parameters on the Operating Characteristics of the Thyristors

Liu Yiqiang

（Xiangtan Representatives Office, Naval Wuhan Representatives Bureau, Xiangtan 411101, Hunan, China）

Abstract: Reverse recovery overvoltage breakdown and re-added forward voltage breakdown of thyristors in current-transfer branches of the hybrid circuit breaker are key factors leading to short-circuit breaking failure. Thus studying the working conditions of thyristor devices in the process of short-circuit breaking is of great significance for improving the reliability of short-circuit breaking. In this paper, the method of function analysis is used to analyze the forced commutation process of the hybrid circuit breaker in detail. The effects of forced commutation loop input time, forced commutation capacitor parameters, forced commutation inductance parameters on thyristor forward current peak, turn-off di/dt and reverse voltage time are investigated respectivly. The results obtained have certain guiding significance for the design of thyristor components in hybrid circuit breakers.

Keywords: hybrid circuit breaker; reverse overvoltage; forward Voltage; thyristor; forced commutation;

中图分类号：TM612

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2019）11-0018-05

收稿日期：2019-09-27

作者简介：刘轶强（1974-），男，高级工程师。研究方向：电气工程。Email: lytftiger@163.com