朱政静
西安中车永电电气有限公司， 陕西 西安 710000
摘要：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。现有特高压直流输电工程均采用晶闸管换流阀。晶闸管本身过压和过流能力差，尤其是过压能力，瞬时过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。
关键词：直流输电；换流阀；晶闸管；过电压；保护；分析
1导言
随着高压直流输电技术的快速发展和高压直流换流站的不断建设，国产化技术和设备得到了越来越广泛的应用，目前，核心技术的换流阀设备已经逐步实现了国产化。国家电网公司主要采用的是ABB公司的换流阀技术，如三常、三广、三上工程。在后期的直流工程，如宁东直流工程等，逐渐开始采用AREVA、SIMENS公司的换流阀技术。这几种换流阀技术基本已被国内厂家吸收和转换，现在新建工程基本生产已基本实现国产化。通过多年的运行经验发现原有设计的不足和缺陷，是保障直流换流站安全稳定运行的关键因素。
2换流阀概述
换流阀由晶闸管、阻尼电容、均压电容、阻尼电阻、均压电阻、饱和电抗器、晶闸管控制单元等零部件组成。其中，晶闸管是换流阀的核心部件，它决定了换流阀的通流能力（目前国内已研制出6英寸晶闸管，额定通流能力4000安培），通过将多个晶闸管元件串联可得到希望的系统电压。晶闸管的触发方式分为电触发和光触发，ABB和西门子、阿海珐分别是其中的代表。国外换流阀生产厂家主要是ABB和西门子、阿海珐。目前换流阀的生产能力是：许继集团拥有三家换流阀的生产能力、西安西电电力整流器有限责任公司拥有西门子和ABB的换流阀生产能力。许继集团作为国内换流阀首要生产企业，从20世纪八十年代开始，参与了中国已建成和正在建设的全部十三个直流输电工程的技术引进和设备制造工作，换流阀电压等级从±50千伏～±1100千伏，包括电触发晶闸管换流阀和光触发晶闸管换流阀，产品性能达到目前国际先进水平。
3 BTC保护
3.1 BTC保护电路原理
BTC保护各部分电路组成及功能如下：一是电源电路由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；二是触发电压电路由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。三是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；
3.2 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6kV，此时可调电阻R为185?。
4 BOD保护
4.1 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。BOD从击穿到完全导通约需要3-5μs，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10V)，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，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。
4.2 BOD保护电路原理
BOD器件采用IXBOD1-30RD，该器件转折电压VBO为3kV，转折电流IBO为15mA，维持电流为30mA。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。
4.3 BOD保护仿真
采用PSPICE搭建BOD保护仿真电路，由仿真结果可知，晶闸管门极电流最大值为24.7A，导通时间为1.8μs，仿真结果远小于理论计算结果，是因为晶闸管导通时间1.8μs小于BOD器件完全导通需要的3-5μs，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。
5实验
5.1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。测试使用的晶闸管T1参数为7.2kV/4500 A，门极电阻为10Ω。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45Ω，电容1.6μF。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7kV，电压上升时间为100μs，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。
5.2试验结果
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6.1kV，门极电流峰值约3A，导通时间约为2.2μs，即晶闸管出现过电压后2.2μs左右开通晶闸管得到保护。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6.1kV，门极电流峰值约为22.7A，导通时间约为1.6μs，即晶闸管出现过压后1.6μs左右开通得到保护。
5.3实验分析
根据实验结果及理论分析：一是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；二是BTC和BOD试验测试结果和仿真结果一致；三是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0.6μs；四是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。
6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。
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