CN102175968A - 一种换流阀用晶闸管的开通电流耐受特性分析模型 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种换流阀用晶闸管的开通电流耐受特性分析模型。晶闸管电流开通时，受限于其物理结构，电流从注入点扩散至整个盘面需要一定时间，在这个扩散过程中，开通初期的电流跃变、电流强度、电流变化率、电流峰值、电流波谷值等都需要有一定的限值，方能确保晶闸管能够正常开通而不受损坏。本发明建立晶闸管开通过程中，标定开通电流的完整参数及限值，为换流阀在开通期间的各项电气分析奠定理论基础。所提取的电流耐受模型物理概念清晰，操作简单，方便易行。

Description

一种换流阀用晶闸管的开通电流耐受特性分析模型

技术领域

本发明涉及电力系统器件领域，尤其涉及一种换流阀用晶闸管的开通电流耐受特性分析模型。

背景技术

直流输电换流阀内最关键最核心的器件是晶闸管，随着换流阀的电气等级不断提高，其中所采用的晶闸管功率也大幅度提高。在换流阀实际运行中，晶闸管开通期间晶闸管自身的耐受特性是换流阀开通过程各项电气分析中最基础也是最本质的依据。晶闸管开通初期，电流的扩散需要一定的时间。当电流从注入点扩散至整个盘面时，电流强度或者电流变化率的过大都会导致晶闸管盘面局部过热导致烧坏晶闸管，而这样的实例也时有发生。开通期间，晶闸管两端电压为下降过程，电流为上升过程，那么其上所承受的功率强度为从小到大再减小的过程，因此明确晶闸管的电流耐受特性是为了确保晶闸管能够正常开通的一个基础。

国标《GB/T 20992-2007》中晶闸管的性能参数中关于开通电流耐受特性方面的参数只有通态电流临界上升率、不重复通态电流临界上升率以及这两个参数的测试条件，但是晶闸管开通开通期间，流过晶闸管的电流为一条随时间变化的曲线，仅仅用电流变化率以及测试条件不能完整地揭示晶闸管开通初期的电流限值。这些不足限制了换流阀内晶闸管开通工况相关的电气性能分析。

本发明以曲线形式给出了晶闸管开通期间的电流耐受特性，并且根据开通时间段定义了几个关键参数指标，根据典型的晶闸管特性给出了定量化的数据，相比于现在国标中的两个参数而言要完整全面，而且揭示了关键参数的物理含义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种晶闸管，尤其是换流阀用晶闸管的开通电流耐受特性分析模型。晶闸管电流开通时，受限于其物理结构，电流从注入点扩散至整个盘面需要一定时间，在这个扩散过程中，开通初期的电流跃变、电流强度、电流变化率、电流峰值、电流波谷值等都需要有一定的限值，方能确保晶闸管能够正常开通而不受损坏。本发明建立晶闸管开通过程中，标定开通电流的完整参数及限值，为换流阀在开通期间的各项电气分析奠定理论基础。所提取的电流耐受模型物理概念清晰，操作简单，方便易行。

本发明的一种换流阀用晶闸管的开通电流耐受特性分析模型，包括以下步骤：

(1)建立晶闸管开通电流耐受特性的定性曲线形式；

晶闸管开通电流的耐受特性体现为一条电流曲线波形，从晶闸管开通时刻起一定时间门槛内，所述时间门槛为10-90微秒，晶闸管所能够承受的电流强度波形，即在此时间门槛内，要确保晶闸管开通时流过的电流要小于此耐受波形，根据时间段划分，此电流耐受波形有几个关键参数：

1)在晶闸管开通时刻起0.5～1个微秒内，晶闸管可以耐受一定量值的阶跃电流，记此量为Istep，单位为安培，此电流一般小于几百安培，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性；

2)在晶闸管开通时刻后1～5个微秒内，晶闸管可承受一定电流上升率的电流特性，记此阶段的电流上升率为di/dt1，单位为A/us，此阶段允许的电流上升率一般为几百安培/微秒，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性；

3)在晶闸管开通时刻后4～20个微秒内，晶闸管可以承受一定电流上升率的电流特性，记此阶段的电流上升率为di/dt2，单位为A/us，此阶段允许的电流上升率一般为几千安培/微秒，这一阶段能够承受的电流变化率di/dt2要高于di/dt1；同时这一阶段内，晶闸管所允许的电流峰值记为电流峰值门槛，记此电流峰值为Ipk，单位为安培，所述电流峰值为数千安至数十个千安，具体数值查询选用特定型号的晶闸管特性确定；

4)在晶闸管开通时刻后10～90微秒内，晶闸管可以承受一定电流波谷值，记此电流波谷值为Ibg，单位为安培，此电流波谷值一般要大于晶闸管的擎住电流和维持电流，数值一般在几个安培，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性，即要确保流过晶闸管的电流要大于此电流波谷值；

(2)建立晶闸管开通电流耐受特性的模型参数；

t0时刻，对应开通电流的阶跃值①；

t1时刻，开通电流初期电流上升率的第一阶段最大值②di/dt及对应的电流幅值⑥；

t2时刻，开通电流初期电流上升率的第二阶段最大值③di/dt；

t3时刻，开通电流的第一个峰值④；

t4时刻，开通电流的第一个波谷值⑤；

其中，

所述开通电流的阶跃值①描述了电流从无到有建立时所允许的一个电流快速突变过程的一个限制；

所述开通电流上升率的第一个阶段最大值②描述了电流从晶闸管盘面的注入点开始扩散过程中的扩散速度限制，所述电流幅值⑥描述了扩散电流的强度，间接反映了一定盘面上的扩散电流密度的限制；

开通电流初期电流上升率的第二个阶段最大值③描述了电流扩散后半段时间内的扩散速度限制，由于扩散面积已经增大，所允许的扩散速度也比第一个阶段的扩散速度要大；

开通电流的第一个峰值④描述了在扩散过程中所允许的最大电流强度，间接反映了一定盘面上的扩散电流最大密度限制；

开通电流的第一个波谷值⑤描述了晶闸管开通过程中在经过第一个峰值后能够正常开通所允许的电流最小值，由于电流强度的降低会使得建立的电流扩散过程有所回退，因此如果第一个电流波谷值过低，那么晶闸管有可能无法正常建立开通过程，因此此数值描述了所允许的电流最小值限制；

(3)建立晶闸管开通电流耐受特性的物理含义；

晶闸管开通初期，电流的扩散需要一定的时间，当电流从注入点扩散至整个盘面时，电流强度或者电流变化率的过大都会导致晶闸管盘面局部过热导致烧坏晶闸管，因此(1)中晶闸管开通电流耐受特性的曲线形式和模型参数描述了晶闸管开通过程中的物理限制。

本发明的有益效果是：

1.依据本发明的开通电流耐受特性分析模型物理概念清晰；

2.依据本发明的开通电流耐受特性分析模型提取模型参数全面；

3.依据本发明的开通电流耐受特性分析模型界定晶闸管开通更加规范。

附图说明

图1示出了晶闸管开通电流耐受曲线，横轴为时间(单位微秒)，纵轴为电流(单位千安)。

图2示出了晶闸管开通电流模型示意图，横轴为时间，纵轴上面一副图为电流波形，下面一副图为对应电流波形的电流变化率波形。

图3示出了依据本发明的建立分析模型的流程图。

具体实施方式

针对晶闸管开通期间电流耐受特性，本发明建立模型的步骤如下：

(1)晶闸管开通电流耐受能力；

晶闸管开通电流耐受能力曲线如图一所示。这是试验获得的开通电流耐受曲线，分别为上限和下限两条，即晶闸管开通电流的范围介于上下限之间，那么晶闸管即可以正常开通。

(2)晶闸管开通电流耐受模型；

由于晶闸管开通期间的功率强度与开通电压、结温、频率等试验条件有关，但是试验条件确定了，受影响地只是晶闸管开通电流耐受模型中的具体数值，并不影响模型正确性。

晶闸管开通电流耐受模型如图二所示。具体包括以下参数：

t0时刻，对应开通电流的阶跃值①；

t1时刻，开通电流初期电流上升率的第一阶段最大值②di/dt及对应幅值⑥；

t2时刻，开通电流初期电流上升率的第二阶段最大值③di/dt；

t3时刻，开通电流的第一个峰值④；

t4时刻，开通电流的第一个波谷值⑤；

针对不同型号的晶闸管，上述各个参数在对应时刻下都有相应的约束范围。同时，确定此模型后，当真正施加在晶闸管上的电流应力对应的各参数都在上述5个时刻下相应参数的范围内时，那么晶闸管可以确保正常开通而不受损坏。另外，也可以将施加在晶闸管开通期间的电流应力曲线和图一所示的曲线直接对比，如果介于晶闸管固有特性上下限之间，也可以确保晶闸管能够正常开通。但曲线对比中关键的参数仍然为上述模型中所提及。

一个建模实例为：t0＝0.5微秒，开通电流的阶跃值①＝300A；t1＝3微秒，开通电流初期电流上升率的第一阶段最大值②di/dt＝250安培/微秒及对应幅值⑥＝1000安培；t2＝5微秒，开通电流初期电流上升率的第二阶段最大值③di/dt＝5千安/微秒；t3＝7微秒，开通电流的第一个峰值④＝10千安；t4＝10微秒刻，开通电流的第一个波谷值⑤＝5安培；

以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种换流阀用晶闸管的开通电流耐受特性分析模型，其特征在于包括以下步骤：

(1)建立晶闸管开通电流耐受特性的定性曲线形式；

晶闸管开通电流的耐受特性体现为一条电流曲线波形，从晶闸管开通时刻起一定时间门槛内，所述时间门槛为10-90微秒，晶闸管所能够承受的电流强度波形，即在此时间门槛内，要确保晶闸管开通时流过的电流要小于此耐受波形，根据时间段划分，此电流耐受波形有几个关键参数：

1)在晶闸管开通时刻起0.5～1个微秒内，晶闸管可以耐受一定量值的阶跃电流，记此量为Istep，单位为安培，此电流一般小于几百安培，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性；

2)在晶闸管开通时刻后1～5个微秒内，晶闸管可承受一定电流上升率的电流特性，记此阶段的电流上升率为di/dt1，单位为A/us，此阶段允许的电流上升率一般为几百安培/微秒，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性；

3)在晶闸管开通时刻后4～20个微秒内，晶闸管可以承受一定电流上升率的电流特性，记此阶段的电流上升率为di/dt2，单位为A/us，此阶段允许的电流上升率一般为几千安培/微秒，这一阶段能够承受的电流变化率di/dt2要高于di/dt1；同时这一阶段内，晶闸管所允许的电流峰值记为电流峰值门槛，记此电流峰值为Ipk，单位为安培，所述电流峰值为数千安至数十个千安，具体数值查询选用特定型号的晶闸管特性确定；

4)在晶闸管开通时刻后10～90微秒内，晶闸管可以承受一定电流波谷值，记此电流波谷值为Ibg，单位为安培，此电流波谷值一般要大于晶闸管的擎住电流和维持电流，数值一般在几个安培，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性，即要确保流过晶闸管的电流要大于此电流波谷值；

(2)建立晶闸管开通电流耐受特性的模型参数；

t0时刻，对应开通电流的阶跃值①；

t1时刻，开通电流初期电流上升率的第一阶段最大值②di/dt及对应的电流幅值⑥；

t2时刻，开通电流初期电流上升率的第二阶段最大值③di/dt；

t3时刻，开通电流的第一个峰值④；

t4时刻，开通电流的第一个波谷值⑤；

其中，

所述开通电流的阶跃值①描述了电流从无到有建立时所允许的一个电流快速突变过程的一个限制；

所述开通电流上升率的第一个阶段最大值②描述了电流从晶闸管盘面的注入点开始扩散过程中的扩散速度限制，所述电流幅值⑥描述了扩散电流的强度，间接反映了一定盘面上的扩散电流密度的限制；

开通电流初期电流上升率的第二个阶段最大值③描述了电流扩散后半段时间内的扩散速度限制，由于扩散面积已经增大，所允许的扩散速度也比第一个阶段的扩散速度要大；

开通电流的第一个峰值④描述了在扩散过程中所允许的最大电流强度，间接反映了一定盘面上的扩散电流最大密度限制；

开通电流的第一个波谷值⑤描述了晶闸管开通过程中在经过第一个峰值后能够正常开通所允许的电流最小值，由于电流强度的降低会使得建立的电流扩散过程有所回退，因此如果第一个电流波谷值过低，那么晶闸管有可能无法正常建立开通过程，因此此数值描述了所允许的电流最小值限制；

(3)建立晶闸管开通电流耐受特性的物理含义；

晶闸管开通初期，电流的扩散需要一定的时间，当电流从注入点扩散至整个盘面时，电流强度或者电流变化率的过大都会导致晶闸管盘面局部过热导致烧坏晶闸管，因此(1)中晶闸管开通电流耐受特性的曲线形式和模型参数描述了晶闸管开通过程中的物理限制。

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