強迫換流參數對晶閘管工作特性的影響分析

劉軼強

強迫換流參數對晶閘管工作特性的影響分析

劉軼強

（海軍駐武漢地區軍事代表局駐湘潭地區軍事代表室，湖南湘潭 411101）

混合式斷路器電流轉移支路中晶閘管的反向恢復過電壓擊穿和重加正向電壓擊穿是導致短路分斷失敗的重要因素，研究晶閘管器件在短路分斷過程中面臨的工況對于提高短路分斷可靠性具有重要的意義。本文采用函數解析的方法對混合式斷路器的強迫換流過程進行了詳細的分析，依次探究了強迫換流回路投入時間、強迫換流電容參數、強迫換流電感參數對晶閘管正向電流峰值、關斷di/dt和反向電壓時間的影響。所得結論對于混合式斷路器中晶閘管組件設計具有一定的指導意義。

混合式斷路器 反向過電壓 正向電壓 晶閘管 強迫換流

0 引言

混合式斷路器通常由主開關并聯輔助開關構成，主開關一般指機械開關，輔助開關由半導體開關并聯限壓耗能裝置組成，由于綜合了機械開關通態損耗低的靜態特性以及固態開關動作迅速、壽命長、無弧開斷的動態特性，是直流電力系統向中、高壓大容量領域發展的理想保護拓撲方案。為滿足中壓大容量電力系統快速、大電流分斷的要求，提出的一種基于大功率晶閘管的混合式斷路器拓撲結構如圖1所示，主要包括機械開關S1構成的主開關支路，晶閘管組件T1構成的電流轉移支路，晶閘管組件T0、強迫換流電容C1、強迫換流電感L1構成的強迫換流支路，壓敏電阻MOV構成的限壓耗能支路。故障電流分斷過程中，混合式斷路器的工作過程主要包括自然換流過程和強迫換流過程。

作為混合式斷路器核心部件的晶閘管組件T1，在自然換流過程中要能實現短路電流的快速轉移，在強迫關斷過程中要能在反向脈沖電流的作用下實現過零關斷，在重加正向電壓后能恢復正向介質阻斷能力，是短路分斷過程能夠成功的關鍵。正向導通過程中載流子的儲存效應導致晶閘管中電流過零后并不能立刻關斷，需要經過反向恢復過程才能恢復反向阻斷能力。反向恢復過程的電流下降階段，由于流過晶閘管中的電流的反向，在電源電壓和回路電感的感應電動勢作用下，晶閘管兩端會形成過電壓尖峰，當電壓峰值超過器件的反向最大耐壓值時將會導致器件擊穿。從晶閘管器件的角度出發，反向恢復過電壓峰值由反向恢復電流峰值和電流下降的速率決定。文獻[1]均指出晶閘管的反向恢復電流峰值隨著正向電流峰值以及關斷d/d的增加而增加。晶閘管的關斷時間指從晶閘管中電流過零到重加正向電壓，器件不發生正向擊穿的最小時間，是表征晶閘管關斷速度的物理量。在短路分斷過程中，只有當施加在晶閘管兩端的反向電壓時間大于其關斷時間時，晶閘管才能恢復正向阻斷能力，實現短路電流的可靠關斷。

圖1 基于大功率晶閘管的混合式斷路器拓撲結構圖

短路分斷過程中，強迫換流回路投入時間、強迫換流電容參數C1、強迫換流電感參數L1是影響晶閘管T1中的正向電流峰值、晶閘管的關斷d/d、晶閘管兩端反向電壓時間的主要因素。對強迫換流過程進行深入的分析，明確晶閘管的應用工況，對晶閘管器件選型、保護電路設計等具有很大的工程實用價值。雖然目前很多文獻對混合式斷路器進行了介紹，但大多側重于拓撲結構的設計而缺少針對某一類型拓撲工作過程進行分析。文獻[4]對自然換流過程的影響因素進行了分析，但是并未對強迫換流過程進行介紹。

針對上述問題，本文以10 kV直流配電網為例，采用函數解析的方法，依次分析了強迫換流回路投入時間，強迫換流電容參數，強迫換流電感參數對于強迫換流過程中晶閘管正向電流峰值、關斷d/d、反向電壓時間的影響。明確了在短路開斷過程中，電流轉移支路中大功率晶閘管T1面臨的工況，對于晶閘管組件設計，保護電路設計等具有一定了指導意義。

1 強迫換流過程理論分析

強迫換流回路等效電路如圖2所示，其中表示短路電流，T表示流過晶閘管T1中的電流，c表示強迫換流回路中的電流。強迫換流電容C1預充電壓Uc，假設1時刻觸發晶閘管組件T2，投入強迫換流回路，放電過程中C1兩端電壓用c（）表示。

圖2 晶閘管組件T1強迫關斷過程等效電路

在晶閘管中電流過零之前，由基爾霍夫電路定律得：

解得：

其中：

快速晶閘管的反向恢復過程很短，大概只有十幾微妙，為進一步分析方便，在該過程中近似認為C1兩端電壓=c（2）不變。當短路電流完全由晶閘管組件T1轉移到強迫換流回路中時，等效電路如圖3所示。

圖3 晶閘管組件T1關斷后等效電路

根據基爾霍夫定律得：

邊界條件為：

2表示晶閘管中電流過零時刻，可得到晶閘管關斷d/d=d(2)/d，正向電流峰值F=（1）。3表示C1兩端電壓反向，即晶閘管開始承受正向電壓時刻，則晶閘管承受反壓時間a=3-2

2 強迫換流參數對短路分斷過程的影響

以10kV中壓直流配電系統為例，系統電壓，支路電感L，短路時間常數，回路負載L為已知常數。保持強迫換流電容值C1值和強迫換流電感值L1不變，將上述參數帶入式（2）和（4），得到各參數隨著晶閘管組件T0觸發時刻1變化情況圖4所示。

（a）晶閘管T1正向電流峰值變化曲線

（b）晶閘管T1關斷di/dt變化曲線

（c）反向恢復過程C1兩端電壓變化曲線

（d）晶閘管T1承受反向電壓時間變化曲線

圖4 各參數隨晶閘管組件T0觸發時刻t1變化情況表

上圖4表明，隨著晶閘管組件T0導通時間t1增加，即強迫換流支路投入時間的增大，晶閘管T1中流過的正向電流峰值快速增加，同時承受反向電壓的時間大幅降低。在強迫換流電容充電電壓和電容參數確定的情況下，強迫換流回路投入時間增大，投入時刻短路電流增加，將導致晶閘管T1電流過零時刻，C1中剩余能量減小。雖然能在一定程度上通過降低uc以及晶閘管T1的關斷di/dt來降低反向恢復過程中組件兩端的反向恢復過電壓，但是由于反向電壓時間的大幅降低，可能導致重加正向電壓時晶閘管的正向擊穿。因此，應合理控制電流轉移時間，盡可能的減小強迫換流回路投入時間。

下圖5可以看出，隨著C1值增大，晶閘管組件T0的關斷di/dt以及反向恢復過程電容C1施加在組件兩端的電壓也會增大。當關斷短路電流IF保持不變的情況下，增大C1值，電容儲存能量增加，雖然會導致反向恢復過程中組件T1反向恢復過電壓峰值增大，但是卻能為晶閘管提供長的反向電壓時間，這對于組件T1恢復正向阻斷能力是有力的。

保持晶閘管組件T0觸發時刻t1，C1值不變，隨著L1值增大，各參數變化情況如圖5所示。

（a）晶閘管T0關斷di/dt變化曲線

（b）反向恢復過程C1兩端電壓變化曲線

（c）晶閘管T0承受反向電壓時間變化曲線 圖5 各參數隨著強迫換流電容C1增大變化情況表

強迫換流回路中電感增大，會導致強迫換流電流峰值降低，在關斷相同短路電流情況下，導致電容C1中剩余電壓uc降低。因此，隨著L1值增大，晶閘管組件T1的關斷di/dt和反向恢復過程中電容器電壓電壓uc（t2，）均減小，晶閘管組件T1在反向恢復過電壓減小的同時，兩端的反壓承受時間ta也會大幅降低，容易導致重加正向電壓時器件的正向擊穿。

（a）晶閘管T0關斷di/dt變化曲線

（b）反向恢復過程C1兩端電壓變化曲線

（c）晶閘管T0承受反向電壓時間變化曲線 圖6 各參數隨L1增大各變化情況表

3 結論

文中采用函數解析的方法依次分析了強迫換流支路投入時間、強迫換流電容值、強迫換流電感值對電流轉移支路中晶閘管組件T1正向電流峰值、關斷di/dt、反向電壓時間的影響，得出結論如下：

1）隨著強迫換流支路投入時間t1增加，晶閘管正向電流峰值呈直線上升，反向電壓時間ta大幅降低，無論對于電流轉移支路中晶閘管T1關斷，還是重加正向電壓恢復正向介質阻斷能力均是不利的；

2）增大強迫換流電容C1會帶來晶閘管組件T1關斷di/dt以及反向恢復過程電容C1電壓增大，導致反向恢復過電壓升高。但是卻能使晶閘管T1承受反向電壓的時間增長，有利于提高重加正向電壓時恢復正向介質阻斷能力的速度，因此可以合理增大C1值，然后設計合理的晶閘管反向恢復過電壓保護電路，來實現晶閘管反向恢復過程中的過電壓保護。

（1）讀開頭。誰能把這幾個自然段讀成一句話？（寫媽媽告訴“我”真愛像茉莉，我不理解）指名讀。結合理解“嗔怪”的意思以及使用范圍，力求讀出不同人說話的語氣

據antconc統計，《魯迅小說》用詞總詞形數(tokens)為92066個，詞類(types)為9176個，其中單音節詞為2297個。總體語料中的詞性分布(見表3)與前100詞趨同，前5類依次為動詞、名詞、副詞、助詞和代詞。

3）增大換流電感L1同樣會導致晶閘管承受反向電壓時間大幅降低，從而導致重加正向電壓時的器件正向擊穿。

參考文獻：

[1] 解婷, 湯廣福, 鄭健超等. 高壓直流晶閘管閥故障電流下反向電壓特性的分析[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(1): 140-146.

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Analysis of the Influence for Forced Commutation Parameters on the Operating Characteristics of the Thyristors

Liu Yiqiang

（Xiangtan Representatives Office, Naval Wuhan Representatives Bureau, Xiangtan 411101, Hunan, China）

Abstract: Reverse recovery overvoltage breakdown and re-added forward voltage breakdown of thyristors in current-transfer branches of the hybrid circuit breaker are key factors leading to short-circuit breaking failure. Thus studying the working conditions of thyristor devices in the process of short-circuit breaking is of great significance for improving the reliability of short-circuit breaking. In this paper, the method of function analysis is used to analyze the forced commutation process of the hybrid circuit breaker in detail. The effects of forced commutation loop input time, forced commutation capacitor parameters, forced commutation inductance parameters on thyristor forward current peak, turn-off di/dt and reverse voltage time are investigated respectivly. The results obtained have certain guiding significance for the design of thyristor components in hybrid circuit breakers.

Keywords: hybrid circuit breaker; reverse overvoltage; forward Voltage; thyristor; forced commutation;

中圖分類號：TM612

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2019）11-0018-05

收稿日期：2019-09-27

作者簡介：劉軼強（1974-），男，高級工程師。研究方向：電氣工程。Email: lytftiger@163.com