TCR閥組故障過電壓分析及保護電路參數設計*

劉 慶

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所低頻電磁通信技術實驗室 武漢 430205)

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TCR閥組故障過電壓分析及保護電路參數設計*

劉 慶

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所低頻電磁通信技術實驗室 武漢 430205)

TCR閥組中單個晶閘管級觸發電路故障時,該晶閘管級兩端將出現過電壓。為了提高TCR觸發電路的可靠性,論文建立了故障過電壓模型,設計了適用于反并聯晶閘管的后備觸發保護電路,并進行了參數設計。通過PSIM仿真對過電壓模型和保護電路參數設計進行了驗證。

晶閘管控制電抗器; 觸發故障; 過電壓; 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功補償裝置,它由反并聯的晶閘管閥組和電抗器串聯組成,可直掛于中高壓電網,提供連續可調節的感性無功功率[1～2]。晶閘管閥組通常采用基于光纖的電/光觸發方式,低電位的閥基電子板(VBE)產生的編碼脈沖通過光纖傳輸至高電位的晶閘管電子板(TE),經光電轉換、脈沖解碼、信號放大后,完成對晶閘管的觸發。該觸發方式具有隔離電壓高、觸發信號一致性好的優點[3～6],但由于光纖線機械損傷,TE板故障等原因,在設備運行過程將出現觸發故障。當單個晶閘管觸發故障時,已觸發晶閘管的壓降很小,閥組電壓將由觸發故障的晶閘管承受[7]。為防止晶閘管承受過高電壓而被擊穿,每塊TE板上都配有擊穿二極管(Break Over Diode,BOD)作后備觸發保護,當晶閘管兩端電壓上升至BOD動作值時,BOD將被擊穿導通從而觸發晶閘管[8～10]。文獻[9]描述了BOD器件的物理結構和特性,介紹了BOD在晶閘管過電壓保護應用中的典型電路。

本文分析了單個晶閘管觸發故障時的過電壓,進行了后備觸發保護電路設計,論述了保護電路參數設計的原則,避免單個晶閘管級觸發故障時后備觸發不動作、閥組單向導通的情況發生。最后通過仿真對本文所提過電壓模型和保護參數設計方法進行了驗證。

2 TCR閥組故障過電壓分析

TCR閥組電路結構如圖1所示,由晶閘管級串聯組成,晶閘管級包括反并聯的晶閘管VN+和VN-、靜態均壓電阻R2N-1、動態均壓R2N和CN。串聯級數N由電網電壓和晶閘管耐壓決定[11]。

圖1 TCR閥組電路結構圖

單個晶閘管由于TE板故障或光通道損壞而觸發故障,在其他晶閘管觸發導通后,這個沒觸發故障的晶閘管兩端將出現過電壓。圖2給出了過電壓的產生的等效電路,其中VN+、VN-為觸發故障的晶閘管,R為動態均壓電阻,C為動態均壓電容,L為相控電抗器,Us為電源電壓。假設其他晶閘管具有良好的一致性,在接收到觸發信號后立刻導通,且忽略均壓電路的影響,正常觸發的晶閘管可等效為理想開關S。閥組觸發之前,流過電感的電流很小,可忽略不計,并假設晶閘管均勻分壓,則電路初始狀態:

u0=uC(0)=Usmsinα/N

(1)

i0=iL(0)=0

(2)

其中,Usm為電網電壓峰值,α為晶閘管的觸發角。

觸發功能的正常晶閘管導通,等效為開關S閉合。電源電壓由觸發故障的晶閘管級和相控電抗器承擔,動態均壓電阻R、動態均壓電容C與相控電抗器L構成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)

工程應用時,單個晶閘管級的動態均壓電路與回路電感常處于欠阻尼狀態(ξ<1),在動態過程中將出現超調量。根據電路初始狀態,對式(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 過電壓產生的等效電路

由以上推導可知,晶閘管兩端的過電壓主要受動態均壓電路參數、主回路電感值、觸發角及串聯級數的影響,本文主要關注觸發角對過電壓峰值Umax的影響。10kV電壓等級TCR電路典型參數如表1所示,計算可得到晶閘管故障過電壓峰值如表2所示。

表1 10kV電壓等級TCR電路參數

表2 10kV電壓等級TCR故障過電壓峰值

由表2中的數據可知,故障過電壓峰值Umax隨著觸發角α的增大而減小。當觸發角較小時,晶閘管過電壓峰值遠高于晶閘管耐壓水平,一旦正常觸發通道發生故障,晶閘管就有被擊穿的危險。因此,對TCR閥組進行適當的過電壓保護是必不可少的。

3 保護電路參數設計

3.1 晶閘管的后備觸發保護電路

BOD是一種具有四層結構的半導體器件,當其承受的正向電壓超過轉折電壓Ubo時,漏電流急劇增加,大約3μs～5μs器件迅速導通。目前普遍采用BOD器件串于晶閘管的陽極和陰極之間,當晶閘管正常觸發故障,兩端電壓上升時,BOD器件導通,給晶閘管觸發電流,實現后備觸發功能。本文采用的后備觸發保護電路如圖3所示,V1+和V1-為反并聯的晶閘管。當晶閘管V1+兩端的正向電壓大于Ubo時,BOD導通,R1、BOD、V2、D1構成觸發回路,為晶閘管V1+提供觸發電流。當晶閘管導通后,其兩端電壓下降,BOD器件恢復阻斷。當晶閘管V1+兩端的反向電壓大于Ubo時,與其反并聯的晶閘管V1-的BOD動作,使V1-導通。

圖3 后備觸發電路

3.2 保護電路參數設計

1) BOD動作值Ubo的選擇決定了晶閘管過電壓的保護水平,Ubo必須小于晶閘管的斷態不可重復峰值電壓UDRM:

(8)

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

(9)

其中k為晶閘管的關斷過電壓倍數,取1.7～2倍。

3) 由表2可知,觸發角α越大,晶閘管觸發故障時的過電壓峰值越小。假設正向晶閘管串中有一個晶閘管觸發故障,且觸發角較大,如果BOD動作值取的過高,晶閘管兩端的過電壓達不到BOD的動作值,后備觸發電路不動作,故障晶閘管維持截止,正向晶閘管串將不能導通,而反向晶閘管串不受影響,整個TCR閥組將單向導通,產生直流電流分量和偶次諧波。

本文建議合理選取BOD的動作值,限制故障態下TCR最大觸發角,避免閥組單向導通的情況發生。以表1中的電路參數為例,建議觸發角移相范圍為110°～160°,BOD動作值為5200V,由兩個動作值為2600V的BOD模塊串聯實現[12]。觸發角在110°～160°范圍內,過電壓峰值皆大于BOD動作值,可保證單個晶閘管級出現觸發故障時,后備觸發總能動作。

4 仿真分析

為了驗證過電壓數學模型的準確性和保護參數設計方法的合理性,根據表1中的電路參數,在PSIM仿真環境下搭建了仿真模型。

未加入后備觸發保護電路,模擬單個晶閘管級的正向晶閘管觸發故障,在觸發角150°時,得到的過電壓波形如圖4所示。在電壓的上升過程中,出現了超調,過電壓峰值為8539V。改變觸發角,得到不同觸發角對應的過電壓峰值見表3。仿真得到的數據與表2中的計算數據接近,驗證了過電壓數學模型的準確性。

表3 過電壓峰值仿真結果

圖4 α=150°觸發故障過電壓波形

圖5 α=160°觸發故障時的波形

圖6 α=165°觸發故障時的波形

加入后備觸發保護電路,模擬單個晶閘管級的正向晶閘管觸發故障,觸發角160°時,得到該晶閘管級兩端的過電壓波形如圖5(a)所示,當該晶閘管級兩端電壓上升到5200V時,正向后備觸發動作,流過閥組的電流波形如圖5(b)所示。觸發角165°時,得到該晶閘管級兩端的過電壓波形如圖6(a)所示,流過閥組的電流波形如圖6(b)所示。此時,晶閘管級兩端的過電壓峰值較小,達不到BOD的動作值,正向后備觸發不動作,閥組單向導通,大量的直流分量和偶次諧波威脅到系統安全運行。仿真結果對比說明,合理選取BOD的動作值,限制故障態下TCR最大觸發角是非常有必要的。

5 結語

本文分析了TCR閥組中的單個晶閘管級觸發故障時的過電壓。進行了后備觸發電路的設計,提出了合理選取BOD的動作值,限制TCR最大觸發角的建議,以避免單個晶閘管級觸發故障時后備觸發不動作、閥組單向導通的情況發生。從而保證單個晶閘管級觸發故障時,晶閘管總能夠通過BOD后備觸發,維持閥組正常運行。

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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,高級工程師,研究方向:大功率發信系統設計。

TM76

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.041