劉 慶

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所低頻電磁通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430205)

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TCR閥組故障過(guò)電壓分析及保護(hù)電路參數(shù)設(shè)計(jì)*

劉 慶

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所低頻電磁通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430205)

TCR閥組中單個(gè)晶閘管級(jí)觸發(fā)電路故障時(shí),該晶閘管級(jí)兩端將出現(xiàn)過(guò)電壓。為了提高TCR觸發(fā)電路的可靠性,論文建立了故障過(guò)電壓模型,設(shè)計(jì)了適用于反并聯(lián)晶閘管的后備觸發(fā)保護(hù)電路,并進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)。通過(guò)PSIM仿真對(duì)過(guò)電壓模型和保護(hù)電路參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

晶閘管控制電抗器; 觸發(fā)故障; 過(guò)電壓; 擊穿二極管

Class Number TM76

1 引言

晶閘管控制電抗器(Thyristor Controlled Reactor,TCR)是一種重要的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置,它由反并聯(lián)的晶閘管閥組和電抗器串聯(lián)組成,可直掛于中高壓電網(wǎng),提供連續(xù)可調(diào)節(jié)的感性無(wú)功功率[1～2]。晶閘管閥組通常采用基于光纖的電/光觸發(fā)方式,低電位的閥基電子板(VBE)產(chǎn)生的編碼脈沖通過(guò)光纖傳輸至高電位的晶閘管電子板(TE),經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、脈沖解碼、信號(hào)放大后,完成對(duì)晶閘管的觸發(fā)。該觸發(fā)方式具有隔離電壓高、觸發(fā)信號(hào)一致性好的優(yōu)點(diǎn)[3～6],但由于光纖線(xiàn)機(jī)械損傷,TE板故障等原因,在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程將出現(xiàn)觸發(fā)故障。當(dāng)單個(gè)晶閘管觸發(fā)故障時(shí),已觸發(fā)晶閘管的壓降很小,閥組電壓將由觸發(fā)故障的晶閘管承受[7]。為防止晶閘管承受過(guò)高電壓而被擊穿,每塊TE板上都配有擊穿二極管(Break Over Diode,BOD)作后備觸發(fā)保護(hù),當(dāng)晶閘管兩端電壓上升至BOD動(dòng)作值時(shí),BOD將被擊穿導(dǎo)通從而觸發(fā)晶閘管[8～10]。文獻(xiàn)[9]描述了BOD器件的物理結(jié)構(gòu)和特性,介紹了BOD在晶閘管過(guò)電壓保護(hù)應(yīng)用中的典型電路。

本文分析了單個(gè)晶閘管觸發(fā)故障時(shí)的過(guò)電壓,進(jìn)行了后備觸發(fā)保護(hù)電路設(shè)計(jì),論述了保護(hù)電路參數(shù)設(shè)計(jì)的原則,避免單個(gè)晶閘管級(jí)觸發(fā)故障時(shí)后備觸發(fā)不動(dòng)作、閥組單向?qū)ǖ那闆r發(fā)生。最后通過(guò)仿真對(duì)本文所提過(guò)電壓模型和保護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 TCR閥組故障過(guò)電壓分析

TCR閥組電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,由晶閘管級(jí)串聯(lián)組成,晶閘管級(jí)包括反并聯(lián)的晶閘管VN+和VN-、靜態(tài)均壓電阻R2N-1、動(dòng)態(tài)均壓R2N和CN。串聯(lián)級(jí)數(shù)N由電網(wǎng)電壓和晶閘管耐壓決定[11]。

圖1 TCR閥組電路結(jié)構(gòu)圖

單個(gè)晶閘管由于TE板故障或光通道損壞而觸發(fā)故障,在其他晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后,這個(gè)沒(méi)觸發(fā)故障的晶閘管兩端將出現(xiàn)過(guò)電壓。圖2給出了過(guò)電壓的產(chǎn)生的等效電路,其中VN+、VN-為觸發(fā)故障的晶閘管,R為動(dòng)態(tài)均壓電阻,C為動(dòng)態(tài)均壓電容,L為相控電抗器,Us為電源電壓。假設(shè)其他晶閘管具有良好的一致性,在接收到觸發(fā)信號(hào)后立刻導(dǎo)通,且忽略均壓電路的影響,正常觸發(fā)的晶閘管可等效為理想開(kāi)關(guān)S。閥組觸發(fā)之前,流過(guò)電感的電流很小,可忽略不計(jì),并假設(shè)晶閘管均勻分壓,則電路初始狀態(tài):

u0=uC(0)=Usmsinα/N

(1)

i0=iL(0)=0

(2)

其中,Usm為電網(wǎng)電壓峰值,α為晶閘管的觸發(fā)角。

觸發(fā)功能的正常晶閘管導(dǎo)通,等效為開(kāi)關(guān)S閉合。電源電壓由觸發(fā)故障的晶閘管級(jí)和相控電抗器承擔(dān),動(dòng)態(tài)均壓電阻R、動(dòng)態(tài)均壓電容C與相控電抗器L構(gòu)成RLC二階電路,二階電路的微分方程如下:

(3)

此二階電路的阻尼比為

(4)

工程應(yīng)用時(shí),單個(gè)晶閘管級(jí)的動(dòng)態(tài)均壓電路與回路電感常處于欠阻尼狀態(tài)(ξ<1),在動(dòng)態(tài)過(guò)程中將出現(xiàn)超調(diào)量。根據(jù)電路初始狀態(tài),對(duì)式(3)解析可得:

uC(t)=(Asinωdt+Bcosωdt)e-ξω0t

+Ucmsin(ωt+φc)

(5)

其中:

(6)

晶閘管兩端電壓為電容電壓和電阻電壓之和:

(7)

圖2 過(guò)電壓產(chǎn)生的等效電路

由以上推導(dǎo)可知,晶閘管兩端的過(guò)電壓主要受動(dòng)態(tài)均壓電路參數(shù)、主回路電感值、觸發(fā)角及串聯(lián)級(jí)數(shù)的影響,本文主要關(guān)注觸發(fā)角對(duì)過(guò)電壓峰值Umax的影響。10kV電壓等級(jí)TCR電路典型參數(shù)如表1所示,計(jì)算可得到晶閘管故障過(guò)電壓峰值如表2所示。

表1 10kV電壓等級(jí)TCR電路參數(shù)

表2 10kV電壓等級(jí)TCR故障過(guò)電壓峰值

由表2中的數(shù)據(jù)可知,故障過(guò)電壓峰值Umax隨著觸發(fā)角α的增大而減小。當(dāng)觸發(fā)角較小時(shí),晶閘管過(guò)電壓峰值遠(yuǎn)高于晶閘管耐壓水平,一旦正常觸發(fā)通道發(fā)生故障,晶閘管就有被擊穿的危險(xiǎn)。因此,對(duì)TCR閥組進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)電壓保護(hù)是必不可少的。

3 保護(hù)電路參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 晶閘管的后備觸發(fā)保護(hù)電路

BOD是一種具有四層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件,當(dāng)其承受的正向電壓超過(guò)轉(zhuǎn)折電壓Ubo時(shí),漏電流急劇增加,大約3μs～5μs器件迅速導(dǎo)通。目前普遍采用BOD器件串于晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間,當(dāng)晶閘管正常觸發(fā)故障,兩端電壓上升時(shí),BOD器件導(dǎo)通,給晶閘管觸發(fā)電流,實(shí)現(xiàn)后備觸發(fā)功能。本文采用的后備觸發(fā)保護(hù)電路如圖3所示,V1+和V1-為反并聯(lián)的晶閘管。當(dāng)晶閘管V1+兩端的正向電壓大于Ubo時(shí),BOD導(dǎo)通,R1、BOD、V2、D1構(gòu)成觸發(fā)回路,為晶閘管V1+提供觸發(fā)電流。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通后,其兩端電壓下降,BOD器件恢復(fù)阻斷。當(dāng)晶閘管V1+兩端的反向電壓大于Ubo時(shí),與其反并聯(lián)的晶閘管V1-的BOD動(dòng)作,使V1-導(dǎo)通。

圖3 后備觸發(fā)電路

3.2 保護(hù)電路參數(shù)設(shè)計(jì)

1) BOD動(dòng)作值Ubo的選擇決定了晶閘管過(guò)電壓的保護(hù)水平,Ubo必須小于晶閘管的斷態(tài)不可重復(fù)峰值電壓UDRM:

(8)

2) 考慮到晶閘管關(guān)斷時(shí),將產(chǎn)生反向過(guò)電壓,為防止晶閘管誤觸發(fā)。Ubo不能選得太低,Ubo要大于晶閘管的最大關(guān)斷過(guò)電壓,防止晶閘管的誤觸發(fā):

(9)

其中k為晶閘管的關(guān)斷過(guò)電壓倍數(shù),取1.7～2倍。

3) 由表2可知,觸發(fā)角α越大,晶閘管觸發(fā)故障時(shí)的過(guò)電壓峰值越小。假設(shè)正向晶閘管串中有一個(gè)晶閘管觸發(fā)故障,且觸發(fā)角較大,如果BOD動(dòng)作值取的過(guò)高,晶閘管兩端的過(guò)電壓達(dá)不到BOD的動(dòng)作值,后備觸發(fā)電路不動(dòng)作,故障晶閘管維持截止,正向晶閘管串將不能導(dǎo)通,而反向晶閘管串不受影響,整個(gè)TCR閥組將單向?qū)?產(chǎn)生直流電流分量和偶次諧波。

本文建議合理選取BOD的動(dòng)作值,限制故障態(tài)下TCR最大觸發(fā)角,避免閥組單向?qū)ǖ那闆r發(fā)生。以表1中的電路參數(shù)為例,建議觸發(fā)角移相范圍為110°～160°,BOD動(dòng)作值為5200V,由兩個(gè)動(dòng)作值為2600V的BOD模塊串聯(lián)實(shí)現(xiàn)[12]。觸發(fā)角在110°～160°范圍內(nèi),過(guò)電壓峰值皆大于BOD動(dòng)作值,可保證單個(gè)晶閘管級(jí)出現(xiàn)觸發(fā)故障時(shí),后備觸發(fā)總能動(dòng)作。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證過(guò)電壓數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和保護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法的合理性,根據(jù)表1中的電路參數(shù),在PSIM仿真環(huán)境下搭建了仿真模型。

未加入后備觸發(fā)保護(hù)電路,模擬單個(gè)晶閘管級(jí)的正向晶閘管觸發(fā)故障,在觸發(fā)角150°時(shí),得到的過(guò)電壓波形如圖4所示。在電壓的上升過(guò)程中,出現(xiàn)了超調(diào),過(guò)電壓峰值為8539V。改變觸發(fā)角,得到不同觸發(fā)角對(duì)應(yīng)的過(guò)電壓峰值見(jiàn)表3。仿真得到的數(shù)據(jù)與表2中的計(jì)算數(shù)據(jù)接近,驗(yàn)證了過(guò)電壓數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

表3 過(guò)電壓峰值仿真結(jié)果

圖4 α=150°觸發(fā)故障過(guò)電壓波形

圖5 α=160°觸發(fā)故障時(shí)的波形

圖6 α=165°觸發(fā)故障時(shí)的波形

加入后備觸發(fā)保護(hù)電路,模擬單個(gè)晶閘管級(jí)的正向晶閘管觸發(fā)故障,觸發(fā)角160°時(shí),得到該晶閘管級(jí)兩端的過(guò)電壓波形如圖5(a)所示,當(dāng)該晶閘管級(jí)兩端電壓上升到5200V時(shí),正向后備觸發(fā)動(dòng)作,流過(guò)閥組的電流波形如圖5(b)所示。觸發(fā)角165°時(shí),得到該晶閘管級(jí)兩端的過(guò)電壓波形如圖6(a)所示,流過(guò)閥組的電流波形如圖6(b)所示。此時(shí),晶閘管級(jí)兩端的過(guò)電壓峰值較小,達(dá)不到BOD的動(dòng)作值,正向后備觸發(fā)不動(dòng)作,閥組單向?qū)?大量的直流分量和偶次諧波威脅到系統(tǒng)安全運(yùn)行。仿真結(jié)果對(duì)比說(shuō)明,合理選取BOD的動(dòng)作值,限制故障態(tài)下TCR最大觸發(fā)角是非常有必要的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了TCR閥組中的單個(gè)晶閘管級(jí)觸發(fā)故障時(shí)的過(guò)電壓。進(jìn)行了后備觸發(fā)電路的設(shè)計(jì),提出了合理選取BOD的動(dòng)作值,限制TCR最大觸發(fā)角的建議,以避免單個(gè)晶閘管級(jí)觸發(fā)故障時(shí)后備觸發(fā)不動(dòng)作、閥組單向?qū)ǖ那闆r發(fā)生。從而保證單個(gè)晶閘管級(jí)觸發(fā)故障時(shí),晶閘管總能夠通過(guò)BOD后備觸發(fā),維持閥組正常運(yùn)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

劉慶,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:大功率發(fā)信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

TM76

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.041