特高壓直流換流閥的運行性能及其失效機制

魯成棟 肖登明 秦松林

（上海交通大學電氣工程系，上海 200030）

隨著我國特高壓骨干電網的建設，特高壓直流輸電的相關技術有了快速的發展[1-3]。特高壓換流閥是特高壓直流輸電工程的核心器件，主要由晶閘管和其他輔助元件構成。特高壓換流閥單閥由若干個閥段組成，一個閥段與一個完整閥的電氣特性相同，是能夠代表單閥電氣特性的最小單元，通常將兩個閥段組成一個閥組件。每個閥段由數個晶閘管級、閥飽和電抗器和均壓電容組成。而每一個晶閘管級又由一個晶閘管、阻尼回路和晶閘管觸發和檢測電子單元組成[4-5]。

國內對直流換流閥失效機制的研究還較少，文獻[6]對TSC晶閘管閥的失效機制作了研究，可為直流換流閥失效機制的研究作一定的參考。文獻[7-8]分別對換流閥開通的電流應力和關斷的電壓應力進行了探索研究，奠定了一定的理論依據。文獻[9]深入研究了換流閥在故障過電流下的失效機制，但未能考慮其他運行工況，不夠全面。

換流閥在運行中根據實際情況的變化，會處于各種復雜的運行工況，換流閥上承受的電壓、電流以及熱應力都各不相同，其運行性能也有所不同。本文將討論換流閥各個運行工況的特征及其運行性能，并分析閥在不同工作周期下的失效機制，為提高換流閥的可靠性以及試驗方法的研究提供一定的理論參考。

1 換流閥的運行工況

以6脈動換流器為例，如圖1所示，分析換流閥在不同運行條件下的狀態。12脈動換流器時由兩個6脈動換流器串聯而成，其運行工況與6脈動換流器近似[10]。

圖1 六脈動換流器

1.1 最大暫時運行工況

特高壓直流輸電系統運行中，有時候根據需要將整流器的觸發角α 調制至90°，使整流器輸出的平均電壓為零，停止功率輸出。同時，如果交流側線電壓達到穩態最大值，換流閥就處于最大暫時運行工況。該工況下，換流閥將承受嚴酷的電壓條件，電壓波形在一個周期內存在兩次反轉，正反向電壓峰值均達到了交流線電壓峰值，該工況下，換流閥的損耗最大，電壓裕度最小，被擊穿的可能性很大。圖2為換流閥在最大暫時運行工況時的仿真電壓波形，仿真時將交流電源有效值設為 100kV，直流側平波電抗器設置為足夠大。

圖2 最大暫時運行工況時換流閥承受的電壓

1.2 故障過電流工況

直流輸電系統在運行過程中，換流器主回路故障往往造成較為嚴重的后果整流器閥短路（橋臂短路）故障是最為嚴重的一種故障。

觸發角α=0°、Id=0時，閥短路將產生最大的短路故障電流。當閥VT1向閥VT3換相結束后閥VT1立即發生短路，電流向著兩相短路的方向發展，此后換流閥將交替的發生三相和兩相短路，直流側輸出電壓幾乎為零。換流閥通過的短路電流如圖3所示，經理論計算[11]，閥 VT3的電流 i3在 150°附近時達到最大值 1.433Is3，至 265.7°時降為 0，此時閥VT5的電流達到最大值1.863Is3。而閥VT1的電流i1= -(i3＋i5)，在210°左右達到最大值2.299 Is3。兩相短路電流幅值及三相短路電流幅值分別由下式求得

式中，E為換相線電壓有效值，Lr為換相電抗電感值，ω為角頻率。

圖3 六脈動整流器閥短路時的短路電流

1.3 斷續直流運行工況

直流整流器的輸出電流存在著紋波，紋波的大小與直流電壓、線路負載參數及其平波電抗器有關。由于某種原因，直流電流可能會出現間斷，這就是斷續直流現象。產生斷續直流的現象的原因有：①直流系統的控制角α 較大時，若平均電流小于某值，則電流可能出現間斷現象；②直流系統在啟動停運的過程中，由于直流電流很小，造成斷續直流現象；③觸發晶閘管時，雜散電容產生的反向浪涌進入正在導通的晶閘管，使之提前過零關斷，產生斷續直流現象。圖4（a）表示了6脈動整流器在斷續直流工況下換流閥兩端的電壓、電流仿真波形，對于6脈動整流器，一個周期會產生兩個半波斷續電流。12脈動整流器由兩個6脈動整流器串聯而成，在斷續直流工況下與 6脈動整流器的情況有所不同，會在一個周期內產生4個半波斷續電流，如圖4（b）所示。

圖4 斷續電流工況下換流閥承受的電壓電流

1.4 最小觸發角和暫態欠電壓工況

最小觸發角工況指的是當交流側線電壓為穩態最小值且換流閥運行在整流器最小觸發角時經歷的工況。當交流側線電壓為穩態最小值時，閥的觸發電壓最小，最不利于閥觸發檢測的電子電路的取能，而觸發角處于最小值時，閥兩側的正向電壓最小。這兩個條件同時滿足的情況下很不利于換流閥的可靠觸發。

由于交流系統故障引起換流站交流母線電壓降低，換流閥將處于暫態過電壓工況。換流閥處于暫態欠電壓下，閥端子間電壓降低，換流閥的觸發電壓降低，若換流閥此時又運行在最小觸發角狀態，則對閥的觸發要求最為苛刻。

1.5 最小關斷角工況

換流閥從關斷到閥承受的電壓由負變正的過零點之間的時間用電角度角γ 表示，稱為逆變器的關斷角。晶閘管關斷后必須承受足夠時間的反向恢復電壓，將其內部的存儲電荷移走，才能恢復其正向阻斷能力。因此逆變器關斷角不能過小，否則將引起換相失敗[12]。

最小關斷角工況指的是當交流側線電壓為穩態最小值且換流閥運行在逆變器最小關斷角時經歷的工況。在最小關斷角工況下，直流系統向換流閥提供的反向恢復電壓最小，對閥的關斷要求最為苛刻。

圖5 最小關斷角工況下換流閥承受的電壓

1.6 恢復期瞬態正向電壓

恢復期瞬態正向電壓指的是逆變器換流閥在關斷的反向恢復期間承受瞬態的正向電壓，該工況對換流閥關斷能力的考驗非常嚴酷，并考驗換流閥承受瞬態電壓的能力。瞬態正向電壓產生時，換流閥可能還沒有完全恢復正向阻斷能力或者只有部分晶閘管恢復正向阻斷能力，造成晶閘管的損耗，可能引起晶閘管的損壞。

恢復期瞬態正向電壓產生的原因舉例分析如下。在逆變器中閥 VT2關斷后的區間內，尤其是閥反向恢復期間，處于同一相的另一個換流閥VT5若發生誤觸發開通或者由于絕緣損壞而開通，則會在閥上產生很陡的正向沖擊電壓，引起閥恢復期間瞬態正向電壓現象。圖6表示閥VT2在反向恢復期間（t=0.08s左右）由于閥VT5的誤觸發開通而導致的瞬態正向電壓。

圖6 恢復期間瞬態正向電壓

2 換流閥的失效機制

直流換流閥的工作周期可以分為四個狀態（運行區間）：開通、關斷、通態和斷態。在這四種狀態下，換流閥的運行性能和失效機制各不相同，下面予以分析。

2.1 換流閥的開通

換流閥在開通時，受到門極電流的觸發，晶閘管僅在門極附近區域導通，經過導通區等離子體的擴展過程，晶閘管的其余部分才完全轉入導通狀態。等離子體的擴展過程主要機理是擴散作用和漂移作用。等離子體的擴散過程會產生熱量，并導致局部結溫的上升。若晶閘管開通時電流上升率di/dt很大，導致導通區域的局部電流密度和局部溫升很大，由于硅的比熱容和熱傳導率很小，則晶閘管的溫度將迅速上升，最終導致晶閘管的損壞和失效。

換流閥開通瞬間的電流上升率di/dt是衡量換流閥在開通時是否會因為局部過熱而損壞失效的重要指標。換流閥開通瞬間時的電流上升率主要由外電路決定，包括閥的串聯電抗、閥端電壓和其他外電路參數等影響因素。換流閥在開通時的等效電路圖如圖7所示，其中L為主回路電感，Lsat和Rsat分別為飽和電抗和電阻，Cd和 Rd分別為阻尼電容和電阻，Cs為雜散電容，Ra為避雷器電阻。

圖7 換流閥開通時的等效電路圖

換流閥開通瞬間的電流上升率di/dt主要包括兩部分：主電路的電流上升率和阻尼回路放電帶來的電流上升率。此外，雜散電容也會帶來電流上升率。

故障過電流工況的主回路電流上升率最大，根據1.2節的分析，閥VT5的開通電流的表達式如下：

閥VT5在ωt=120°+α時導通，故其瞬間開通的電流上升率為

阻尼回路放電過程帶來的電流上升率是由于換流閥在觸發導通時，電容器上所充的高電壓迅速通過晶閘管放電導致的。設換流閥開通前電容器上的電壓為U0，則開通時阻尼回路帶來的電流上升率為

換流閥開通時阻尼回路放電過程產生的di/dt如果過大，不僅增大了通過晶閘管的di/dt，還可能導致阻尼電阻上瞬時功率過大，損壞阻尼電阻，從而使換流閥失效[13]。

另外，雜散電容的存在不僅能產生開通電流上升率，而且會和陽極的飽和電抗器作用，使閥的開通電流產生振蕩。

對過電流故障工況和最大暫時運行工況等高電壓運行工況，換流閥在開通時可能由于電流上升率di/dt過大而失效；對于最小觸發角和暫時欠電壓工況等低電壓運行工況，換流閥可能無法可靠觸發，導致斷續直流現象。以上是換流閥在開通時需要注意的問題。

2.2 換流閥的通態

換流閥在通態時通過的電流會在晶閘管內部產生熱量，導致晶閘管結溫上升。如果晶閘管結溫繼續上升至一定的溫度，將形成兩類內部“自加熱”的正反饋物理過程，進一步導致晶閘管溫度上升。

1）在過電流情況下，最初晶閘管基區載流子密度隨電流密度J的增大而增大，隨著晶閘管結溫的上升，載流子的有效壽命τ和雙極擴散系數迅速降低，基區載流子的濃度開始下降，晶閘管開始從復合型熱擴散向歐姆型熱擴散轉變，導致結溫迅速上升，進一步促使上述轉變，形成了正反饋的過程，從而造成晶閘管內部的自加熱。

2）當基區載流子濃度降低到一定濃度值時（≤1017cm-3），高溫激發的本征載流子濃度開始增大，本征載流子的濃度相對較高的點會形成“自加熱”的正反饋過程。結溫的上升會在高溫點形成“微—等離子體”，當溫度繼續上升至絲化溫度時，晶閘管內部將形成“中—等離子體”，中—等離子體的形成將使器件的耐壓耐電流能力大大降低，最終導致晶閘管失效[14]。

由上述分析可見，換流閥通態下特性的決定性因素是晶閘管的結溫。故對換流閥通態電流強度的校核主要考慮換流閥在各運行工況下的溫升。根據通過晶閘管電流的時間長短，換流閥的溫升分為三種：穩態溫升、暫態溫升和瞬態溫升，在分析時也分別采用穩態熱阻Rth、暫態熱阻Rth和瞬態熱阻Rs來計算溫升。晶閘管的溫升ΔT(t)可由下式計算：

式中，R表示晶閘管在不同情況下的熱阻，Pd(t)為通態損耗，Ud(t)為晶閘管在導通過程中的通態壓降，i(t)為通態電流。

此外值得一提的是，換流閥通態時電流過大，還可能造成阻尼回路功率損耗過大，燒壞阻尼電阻，這也是通態換流閥失效的一個原因。

換流閥通態的另一個重要參數為晶閘管的維持電流 IH，維持電流指的是使晶閘管保持導通的最小電流。在低電壓運行工況下，若晶閘管通態電流低于維持電流IH，導致晶閘管非正常關斷，直流電流不再連續。這種斷續直流狀態，存在兩方面的危害，一是在換流變壓器和平波電抗器等電感性元件上產生很高的過電壓，危害絕緣；二是在關斷時晶閘管的n基區內仍存在大量過剩載流子，其復合過程很緩慢，若此期間剩余載流子的濃度高于臨界值，晶閘管兩端施加的正向電壓將因傳導引起晶閘管的非門極導通，非常容易在局部形成過熱點，從而損壞晶閘管。

2.3 換流閥的關斷

晶閘管兩端并聯有阻容電路，在晶閘管的關斷過程中可起到抑制過沖的作用，其等效電路如圖 8所示。以晶閘管反向電流達到最大值Irr時作為開始時間，則串聯電感L上的初始電流為Irr，電容上的初始電壓為 0。由于關斷過程的時間較短，作用在晶閘管兩端的反向外部電壓可認為是不變的，設為E。

圖8 晶閘管關斷過程的簡化等效電路圖

晶閘管反向恢復電流ith可采用指數函數模型或者雙曲正割函數模型，本文采用指數函數模型，由下式所示[15]：

得到晶閘管兩端的電壓uth的表達式：

換流閥在關斷過程中可能出現3種失效機制：①反向電壓過高導致的反向擊穿；②晶閘管缺陷點的本征載流子激發失效；③晶閘管的反向電壓上升率du/dt過大導致的誤導通失效。

晶閘管的反向擊穿機理可分為兩種：雪崩擊穿和穿通效應。雪崩擊穿指的晶閘管內空間電荷區的電子和空穴在反向電壓的作用下，不斷與晶體原子發生碰撞，碰撞后產生新的自由電子和空穴對，如此連鎖反應使得載流子數量呈雪崩式地增長，流過PN結的電流急劇增大，導致PN結被擊穿。穿通效應指的是在反向電壓的作用下，若空間電荷的展寬等于N基區的寬度，集電結未達到雪崩擊穿時就會出現電流突然增大的現象，使J2結穿通，從而導致晶閘管的擊穿。

晶閘管缺陷點的本征載流子激發失效與晶閘管通態時結溫過高導致“自加熱”過程的原理相似。晶閘管在制造過程中會存在有低密度的缺陷點，這些點的電流密度高于晶閘管的其他部分。晶閘管關斷時的反向電流可能導致結溫過高，會在局部高溫缺陷點形成“微—等離子體”，若電流密度繼續上升，高溫激發的本征載流子濃度不斷增大，超過臨界值后，“微—等離子體”將轉變為“中—等離子體”，造成晶閘管的“自加熱”，最終導致晶閘管器件的失效。

晶閘管在關斷時，其反向電壓具有很大的上升率du/dt，由于結電容CJ的存在，J2結會有充電電流流過，稱為位移電流Idis。位移電流經過J3結時，起到類似門極觸發電流的作用。如果正向電壓上升率過大，會導致晶閘管的誤導通。晶閘管在該狀態下誤導通，其導通區域往往不在門極結構的限制范圍內，屬于非門極導通，非常容易在局部形成過熱點，最終導致晶閘管的失效。反向電壓上升率du/dt的計算公式如下式所示：

故障過電流等高電壓工況下，換流閥在關斷時有可能由于上述三個原因造成關斷失效。換流閥在最小關斷角工況下，直流系統提供的反向電壓較低，而且反向電壓的施加時間最短，對閥的關斷要求苛刻，有可能無法可靠關斷而發生誤導通，導致換相失敗，影響逆變器的正常運行，并損壞換流閥。

2.4 換流閥的斷態

換流閥經過關斷過程，就進入關斷狀態，稱為斷態。換流閥在斷態期間可能會經受復雜的電壓波形，包括工頻分量、高頻電壓跳變以及直流分量。

換流閥兩端電壓的變化會導致阻尼回路和串聯飽和電抗器上產生損耗，電壓中的直流分量還會在換流閥的直流均壓電阻上產生很大的功率損耗，造成局部過熱，熔斷或擊穿均壓電阻的連接件，從而進一步引發各個晶閘管電壓的分布不均，可能導致承受高電壓的晶閘管擊穿，最終損壞整個換流閥。

換流閥斷態時如果其正向電壓上升率 du/dt過高，會在晶閘管內部產生位移電流Idis，導致晶閘管的誤導通，容易在局部產生過熱點而損壞晶閘管。換流閥通過故障過電流后阻斷并承受正向電壓，以及逆變器換流閥關斷后的恢復期間承受瞬態正向電壓這兩種情況下，換流閥承受的正向電壓上升率du/dt很高，極有可能使換流閥發生誤導通，從而造成換流閥的損壞。

3 結論

本文針對特高壓直流換流閥運行工況的特點，根據換流閥的不同工作周期運行性能的分析，得出其失效機制：

1）換流閥的開通

（1）電流上升率 di/dt的過大，載流子來不及擴散造成局部溫升失效。

（2）開通沖擊電流導致阻尼電阻失效。

2）換流閥的通態

（1）通態電流過大導致的溫升失效。

（2）阻尼電阻損耗過大導致的失效。

（3）通態電流過低形成直流斷續導致晶閘管的損壞。

3）換流閥的關斷

（1）關斷反向電壓過高導致的反向擊穿。

（2）晶閘管缺陷點的高溫本征載流子激發失效。

（3）關斷反向電壓變化率du/dt過大導致晶閘管誤導通失效。

（4）晶閘管未能可靠關斷導致換相失敗，引起晶閘管失效。

4）換流閥的斷態

（1）直流過電壓導致均壓電阻失效。

（2）斷態正向電壓上升率du/dt過大形成誤導通失效。

[1]梁旭明，張平，常勇. 高壓直流輸電技術現狀及發展前景[J]. 電網技術, 2012, 36 (4): 1-9.

[2]袁清云. 特高壓直流輸電技術現狀及在我國的應用前景[J]. 電網技術, 2005, 29(14): 1-3.

[3]劉振亞. 特高壓直流輸電理論[M]. 北京: 中國電力出版社, 2009.

[4]李俠, G. SACHS, M. UDER. ±800kV特高壓直流輸電用6英寸大功率晶閘管換流閥[J]. 高壓電器, 2010,46(6): 1-5.

[5]習賀勛, 湯廣福, 劉杰, 等. ±800kV/4750A 特高壓直流輸電換流閥研制[J]. 中國電機工程學報, 2012,32(24): 15-22.

[6]賀之淵，湯廣福，鄧占鋒，等. TSC 高壓晶閘管閥過電流失效機理[J]. 電力系統自動化, 2007, 31(13):23-28.

[7]郭煥，湯廣福，于海玉，等. 高壓直流輸電晶閘管閥開通的電流應力分析[J]. 中國電機工程學報, 2011,31(15): 1-7.

[8]郭煥，溫家良，湯廣福，等. 高壓直流輸電晶閘管閥關斷的電壓應力分析[J]. 中國電機工程學報, 2010,30(12): 1-6.

[9]解婷，查鯤鵬，湯廣福，等. 過電流導致的 HVDC換流閥失效機制研究[J]. 電網技術, 2010, 34(10):71-75.

[10]趙畹君. 高壓直流輸電工程技術[M]. 北京: 中國電力出版社, 2004.

[11]浙江大學發電教研組直流輸電科研組. 直流輸電[M], 1982.

[12]THIO C, DAVIES J, KENT K. Commutation failures in HVDC transmission systems[J]. Power Delivery,IEEE Transactions on, 1996, 11 (2): 946-957.

[13]TANABE S, KOBAYASHI S. Discussion of thyristor chara- cteristic optimization for HVDC valves[J].Electrical Engineering in Japan, 1999, 128(3): 43-52.

[14]SILARD A. High-temperature physical effects underlying the failure mechanism in thyristors under surge conditions[J]. Electron Devices, IEEE Transactions on,1984, 31(9): 1334-1340.

[15]湯廣福，賀之淵，鄧占鋒. 基于器件物理特性的晶閘管閥串聯機制系統化研究[J]. 中國電機工程學報,2006, 26(12): 39-44.