第48卷 第10期 电力系统保护与控制 Vol.48 No.10 2020年5月16日 Power System Protection and Control May 16, 2020 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.190799 直流输电换流阀晶闸管过电压保护研究 王 振１，任孟干２，国建宝１，张蕴馨２，周 亮２，刘道民２ (1.中国南方电网超高压输电公司检修中心，广东 广州510663；2.中电普瑞电力工程有限公司，北京102200) 摘要：晶闸管承受过电压的能力较弱，瞬时过电压可导致晶闸管的击穿。首先研究了直流输电核心设备之一晶闸管换流阀发生晶闸管过电压击穿对直流输电系统的影响，分析了直流输电换流阀晶闸管配置过电压保护的必要性。然后对BTC和BOD两种晶闸管过电压保护方式进行了理论计算与分析，并采用PSPICE软件搭建了仿真模型进行仿真分析。最后在实验室搭建实验电路对两种过电压保护电路性能进行了验证。研究表明两种保护方式均可以实现晶闸管过电压保护的要求。 关键词：晶闸管；过电压保护；BOD；BTC；仿真模型 Research on overvoltage protection of a thyristor on DC converter valves WANG Zhen1, REN Menggan2, GUO Jianbao1, ZHANG Yunxin2, ZHOU Liang2, LIU Daomin2 (1. Maintenance & Test Center, CSG EHV Power Transmission Company, Guangzhou 510663, China; 2. C-EPRI Electrical Engineering Co., Ltd., Beijing 102200, China) Abstract: The ability of a thyristor to withstand overvoltage is weak, and transient overvoltage can cause the breakdown of the thyristor. The thyristor is one of the core devices of DC transmission. First, this paper analyzes the influence of thyristor overvoltage breakdown on the DC transmission system and the necessity of configuring thyristor overvoltage protection on the DC converter valve. Second, BTC and BOD thyristor overvoltage protection methods are calculated and analyzed theoretically, and a simulation model is built by PSPICE software for analysis. Finally, an experimental circuit is built in the laboratory to test the performance of two overvoltage protection circuits. Studies show that both protection methods can achieve the requirements of thyristor overvoltage protection. This work is supported by Science and Technology Project of China Southern Power Grid Company (No. CGYKJXM 20160082). Key words: thyristor; overvoltage protection; BOD; BTC; simulation model 0 引言 高压直流输电具有输送容量大、损耗低等优点，是我国实现能源优化配置的重要途径之一，也是实现全球能源互联的关键环节之一[1-7]。我国已建成的特高压直流工程有锦屏-苏南直流输电工程、哈密-郑州直流输电工程、酒泉-湖南直流输电工程等，目前还有数条在建的特高压直流工程。 换流阀是特高压直流输电的核心装备之一，对直流输电系统运行稳定性具有重要意义。现有特高压直流输电工程均采用晶闸管换流阀[8-13]。晶闸管本身过压和过流能力差，尤其是过压能力，瞬时过 基金项目：南方电网公司科技项目资助(CGYKJXM20160082) 电压可能会导致晶闸管的永久性损坏，而且换流阀更换晶闸管需要直流输电系统断电，成本极高，因此有必要对换流阀晶闸管采取必要的过电压保护措施，以提高直流输电系统的稳定性与可靠性。 目前晶闸管过电压保护方式有电子式和BOD式两种。电子式晶闸管过电压保护方式采用二极管、三极管等电子元件实现对晶闸管的保护，该保护方式可以通过调节电阻值实现过电压保护值的调节[14-18]；BOD(Break Over Diode)式过电压保护采用BOD器件、二极管、稳压管等元件实现，其保护电压水平由BOD器件决定。 文献[16]对电子式过电压保护电路BTC (Backup Trigger Circuit)的原理和组成进行了分析，并研究了BTC电路中高压电容积污对直流输电晶Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.王 振，等 直流输电换流阀晶闸管过电压保护研究 - 183 - 闸管过电压保护电路的影响。但并未对BTC触发电路理论进行计算，也未对BTC保护电路触发特性进行研究。文献[17-18]对BOD器件主要参数和选型方法进行了介绍，给出了BOD动作时晶闸管电压和门极电流波形，但未对BOD电路进行理论计算，也没有给出直流输电晶闸管换流阀保护电路的设计方法。 综上，本文首先从晶闸管过电压对直流输电系统的影响入手，给出了晶闸管换流阀过电压导致阀短路时对直流输电的影响，然后对BTC和BOD两种晶闸管过电压保护方式进行理论计算和仿真分析，最后采用实验的方法对BTC和BOD两种保护方式触发性能进行验证和对比。 (a) 直流系统电压和电流 1 晶闸管过电压击穿对输电系统影响 由于晶闸管器件自身耐受过电压和过电流能力较弱，当晶闸管承受过电压时，晶闸管电压将被击穿，击穿后晶闸管正反向均丧失阻断能力。 在直流输电换流阀中，一个桥臂上的晶闸管采用串联方式连接，部分晶闸管过电压击穿后，将导致其余晶闸管耐受电压增高。当晶闸管击穿数量大于设计裕量后，将导致所有晶闸管均被过电压击穿，从而导致换流阀整个桥臂丧失正负压阻断能力，引起晶闸管的阀短路故障[19-22]。 阀短路故障是换流阀最严重的故障之一。为了研究阀短路故障对直流输电系统的影响，采用PSCAD搭建换如图1所示的6脉动流阀仿真模型，直流输电系统电压为200 kV，电流为4 500 A。 (b) 故障桥臂电压和电流 (c) 非故障桥臂电压和电流 图2 换流阀仿真波形 Fig. 2 Simulation waves of converter valve 由仿真结果可知，换流阀一个桥臂发生短路故障时，直流系统电压和电流均发生故障，幅值在零到额定值间波动，非故障桥臂导通电流大幅度增加，约为正常触发时的4倍，将会造成非故障相桥臂晶闸管过流击穿，从而导致整个换流阀的损坏。因此，在晶闸管上施加过电压保护，对换流阀的可靠性具有重要意义。 图1 6脉动换流阀仿真模型 Fig. 1 Simulation circuit of 6-pulse converter valve 2 BTC保护 2.1 BTC保护电路原理 BTC回路由工作电源电路、触发电压电路、门极脉冲放大电路和光信号发射电路组成。BTC保护电路原理框图及具体实现方法如图3所示。 BTC保护各部分电路组成及功能如下：① 电源电路由C58、R120、R122、V84、V91等元器件组成，用于产生60 V电压，该电压为门极脉冲放大电路、光信号发射电路提供所需的电能；② 触发电压电路 为了进一步对比换流阀短路故障对直流输电系统造成的影响，设置仿真条件为t=45 ms时，换流阀桥臂1发生桥臂短路，仿真得到故障前后直流系统电压电流、故障桥臂电压电流和非故障桥臂电压电流，如图2所示。 Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.- 184 - 电力系统保护与控制 特性，图4为晶闸管过电压时，晶闸管门极电流。 (b) BTC电路原理图 图3 BTC电路实现 Fig. 3 Realization of BTC circuit 由C57、R116、R117、R105、R125、V72等组成，当晶闸管电压超过BTC保护水平时，触发电压电路产生触发信号，触发电压电路可以通过可调电阻R125调节BTC保护的水平，计算方法如式(1)所示；③ 门极脉冲放大电路由V70、V74、V75、V76、V78、V79等组成，用于放大触发电压电路产生的触发信号并发送给晶闸管门极，BTC保护动作时门极电流取决于晶闸管的门极电阻大小，晶闸管门极电流约为触发电压与门极电阻的比值；④ 光信号发射电路由R21、R27、R115等组成，用于产生BTC保护光回报信号，并发送到阀基电子设备(VBE, Valve-Based Electronic)。 R+R+R+RV116117105125(V69SE+V72稳压值) (1) R105+R125BTC保护电路电容C57和C58两端电压等于晶闸管两端电压，C57和C58为超高压电容，为直插式封装，且因电容两端电压较高，会导致板卡及元件积污，天广直流工程在2014年—2015年因该原因导致BTC电路误导通[23-25]，从而引起换流阀异常导通事件。R116、R117两端电压约为晶闸管两端电压，从而导致电阻温升较高，不利于晶闸管触发监测板卡整体的稳定性和可靠性。 2.2 BTC保护仿真 采用PSPICE对BTC保护电路搭建仿真电路，为便于BTC保护和BOD保护性能对比，仿真中设置BTC保护动作值为6 kV，此时可调电阻R为185 。仿真得到晶闸管过电压时，BTC电路工作 图4 晶闸管门极电流与晶闸管电压 Fig. 4 Thyristor gate current and thyristor voltage 由仿真结果可知，晶闸管门极电流峰值约为4.5 A，脉宽为2 μs。 3 BOD保护 3.1 BOD器件原理介绍 BOD又称为转折二极管，是一种具有四层结构的晶闸管，其结构图和伏安特性如图5所示。 图5 BOD结构及特性曲线 Fig. 5 Physical structure and characteristic waves of BOD BOD从击穿到完全导通约需要3~5 μs，由于BOD阴极采用了p+短路扩散的发射极结构，因而获得了很高的dv/dt，由于其结构的非对称性，导致其反向耐压低(一般低于10 V)，因此需要串联二极管以承受反向电压。根据BOD伏安特性曲线可知，Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.王 振，等 直流输电换流阀晶闸管过电压保护研究 - 185 - 当BOD器件两端电压大于VBO时，BOD被击穿导通，VBO即为BOD的保护电压。IBO为BOD器件的转折电流，IH为维持电流，当流过BOD的电流低于IH时，BOD器件关断。 3.2 BOD保护电路原理 设计直流输电晶闸管BOD保护电路如图6所示，BOD器件采用IXBOD1-30RD，该器件转折电压VBO为3 kV，转折电流IBO为15 mA，维持电流为30 mA。IXBOD1-30RD器件内置一个快恢复二极管承受反向电压，因此无需外部再接承受反向电压的二极管。 BOD保护电路动作时晶闸管门极电流取决于限流电阻R210、R211、R212、R213和晶闸管门极电阻大小，可以通过调节电阻大小改变晶闸管门极电流。理论上晶闸管门极导通电流幅值计算如式(2)。 VBO I (2) RRG式中：VBO为BOD器件保护电压；R为与BOD器件串联的电阻；RG为晶闸管门极电阻。 图7 晶闸管门极电流与晶闸管电压 Fig. 7 Thyristor gate current and thyristor voltage 件完全导通需要的3~5 μs，因此晶闸管导通时，BOD器件未完全导通，BOD器件仍承受部分电压，驱动电阻和晶闸管门极电阻上承受的电压小于VBO，因此晶闸管门极电流要小于理论计算值。 4 实验 4.1 实验原理 为了进一步验证BTC保护和BOD保护对晶闸管的保护性能，设计如图8所示的实验进行验证。 图6 BOD电路原理图 Fig. 6 Schematic of BOD circuit 图8 实验线路图 Fig. 8 Experimental circuit diagram 图6所示电路，当晶闸管门极电阻为10 Ω时，理论上晶闸管门极电流I为100 A。 3.3 BOD保护仿真 采用PSPICE搭建BOD保护仿真电路，仿真得到BOD保护动作时晶闸管门极电流如图7所示。 由仿真结果可知，晶闸管门极电流最大值为24.7 A，导通时间为1.8 μs，仿真结果远小于理论计算结果，是因为晶闸管导通时间1.8 μs小于BOD器 测试使用的晶闸管T1参数为7.2 kV/4 500 A，门极电阻为10 Ω。参考现有直流工程阻容回路参数，试验中选取阻容回路参数为：电阻45 Ω，电容1.6 μF。测试装置可以通过控制器调节输出电压的幅值及上升沿，试验中设置输出电压最大值为7 kV，电压上升时间为100 μs，试验中测试BTC及BOD保护动作时晶闸管两端电压及门极电流。 4.2 试验结果 BTC回路测试结果如图9所示，示波器CH1为晶闸管两端电压，CH3为晶闸管门极电流。由测试结果可知，晶闸管导通电压为6.1 kV，门极电流峰值约3 A，导通时间约为2.2 μs，即晶闸管出现过电压后2.2 μs左右开通晶闸管得到保护。 BOD回路测试结果如图10所示，示波器CH1为晶闸管两端电压，CH3为晶闸管门极电流。由测试结果可知，晶闸管导通电压为6.1 kV，门极电流Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.- 186 - 电力系统保护与控制 峰值约为22.7 A，导通时间约为1.6 μs，即晶闸管出现过压后1.6 μs左右开通得到保护。 水平不可调节，但可以通过在BOD回路中串入电阻方法来调节晶闸管门极触发电流大小。 参考文献 [1] 董希建, 罗剑波, 李雪明, 等. 交直流混联受端电网频率紧急协制技术及应用[J]. 电力系统保护与控制, 2018, 46(18): 59-66. DONG Xijian, LUO Jianbo, LI Xueming, et al. Research and application of frequency emergency coordination and control technology in hybrid AC/DC power grids[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(18): 59-66. [2] 齐国强, 王增平, 裘愉涛, 等. 基于信号复杂度衰减的特高压直流输电线路雷电暂态识方法[J]. 电力系统保护与控制, 2018, 46(17): 1-8. QI Guoqiang, WANG Zengping, QIU Yutao, et al. Transient identification method of lightning strokes based on the attenuation of signal complexity for UHVDC transmission lines[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(17): 1-8. [3] 谭阳琛, 刘畅, 李程昊, 等. 基于ADPSS 的特高压直 图9 BTC保护动作电压和电流 Fig. 9 Voltage and current of BTC protection action 图10 BOD保护动作电压和电流 Fig. 10 Voltage and current of BOD protection action 流输电控制保护系统开放式建模[J]. 电力系统保护与控制, 2018, 46(17): 99-108. 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Analysis of HVDC valve fault characteristics and study of DC-side 100 Hz harmonic calculation method[J]. High 4.3 实验分析 根据实验结果及理论分析： 1) BTC保护电路和BOD保护电路动作值均符合晶闸管过电压保护的要求； 2) BTC和BOD试验测试结果和仿真结果一致； 3) BOD保护动作速度略快于BTC动作速度，BOD保护动作速度比BTC动作速度快约0.6 μs； 4) BOD保护动作时晶闸管门极电流大于BTC保护动作时晶闸管门极电流。 5 结论 本文采用理论计算、仿真分析和实验验证的方法，对两种晶闸管过电压保护电路进行了研究。研究结果表明，BTC和BOD两种过电压保护电路均能满足晶闸管过电压保护的要求，但两者工作特性略有区别： BTC电路晶闸管电压保护水平可调节，可以在不改变硬件电路前提下，实现晶闸管不同保护电压间的切换。但BTC电路晶闸管门极触发电流取决于晶闸管门极电阻大小，BTC电路本身无法实现对门极触发电流幅值的调节。 BOD电路动作速度略快于BTC电路。BOD电路在不改变BOD器件型号时，晶闸管过电压保护Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.王 振，等 直流输电换流阀晶闸管过电压保护研究 - 187 - Voltage Engineering, 2016, 42(1): 33-38. [9] LAWATSCH H M, VITINS J. Protection of thyristor against over voltage with break over diode[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1988, 24: 444-448. [10] MILLERET T J E. Reactive power control in electric power system[M]. New York: John Wiley and Sons, 1982. [11] 袁云清. HVDC换流阀及其触发与在线监测系统[M]. 北京: 中国电力出版社, 1999. 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