CN112415355A - 一种评估高压换流阀晶闸管阻断状态的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开揭示了一种评估高压换流阀晶闸管阻断状态的方法，包括以下步骤：选取若干同型号晶闸管，测量不同温度条件下每个晶闸管的伏安特性并获得其电流‑电压曲线，根据所述电流‑电压曲线获得不同温度条件下每个晶闸管的电阻‑电压曲线，建立若干同型号晶闸管的电阻‑电压曲线簇；测量用于工作现场的换流阀晶闸管级的静态均压电阻值和阻尼电容值；对用于工作现场的换流阀晶闸管级施加阶跃电压，同时采集换流阀晶闸管级两端的电压波形，根据电压波形及静态均压电阻值、阻尼电容值计算换流阀晶闸管的等效绝缘电阻；通过将所述换流阀晶闸管的等效绝缘电阻和电阻‑电压曲线簇进行对比，评估换流阀晶闸管的阻断状态。
Description
技术领域
本公开属于功率半导体器件和电力电子技术领域，具体涉及一种评估高压换流阀晶闸管阻断状态的方法。
背景技术
换流阀作为特高压换流站的核心设备，现阶段，特高压直流输电换流阀仍以晶闸管阀为主。晶闸管作为换流阀中最核心的器件，通过其开通关断，实现电能变换，其可靠性又是制约换流阀设备安全运行的关键。晶闸管器件在服役期间承受长期的电、热应力，不可避免地会出现工作特性的退化，一旦晶闸管器件特性退化引发系统性失效，则会严重影响换流阀的安全运行，威胁直流输电工程乃至电网系统的安全运行。因此需要定期针对高压换流阀晶闸管级状态进行试验评估。
阻断特性作为评估晶闸管状态的重要性能参数，更是关系到换流阀设备安全可靠运行的关键。但受制于晶闸管级单元电气结构限制，目前在现场针对换流阀中晶闸管进行阻断状态测试时，通常用工频交流电源进行测试，但需要将阻尼电阻、阻尼电容以及直流均压电阻等元件拆卸，由于高压换流阀中包含有大量晶闸管级，因此，会导致试验过程费时费力，影响试验效率。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种评估高压换流阀晶闸管阻断状态的方法，能够在不拆除电阻和电容等外围电路的情况准确评估换流晶闸管的阻断特性。
为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
一种评估高压换流阀晶闸管阻断状态的方法，包括：
S100：选取若干同型号的换流阀晶闸管，测量不同温度条件下每个换流阀晶闸管的伏安特性并获得其电流-电压曲线，根据所述电流-电压曲线获得每个换流阀晶闸管在对应温度条件下的电阻-电压曲线，并建立若干同型号换流阀晶闸管的电阻-电压曲线簇；
S200：测量在工作现场运行的换流阀晶闸管级的静态均压电阻值和阻尼电容值；
S300：对在工作现场运行的换流阀晶闸管级施加阶跃电压，同时采集换流阀晶闸管级两端的电压波形，根据电压波形及静态均压电阻值和阻尼电容值计算换流阀晶闸管的等效绝缘电阻；
S400：通过将所述换流阀晶闸管的等效绝缘电阻和电阻-电压曲线簇进行对比，评估换流阀晶闸管的阻断状态。
优选的，步骤S100中，求取电流-电压曲线上每一点的静态电阻值，并根据所述静态电阻值获得每个换流阀晶闸管的电阻-电压曲线。
优选的，步骤S300中，对在工作现场运行的换流阀晶闸管级所施加的阶跃电压的幅值为换流阀晶闸管阻断状态耐受电压规定的最高值。
优选的，步骤S300中，所施加的阶跃电压的电压上升率不高于换流阀晶闸管的断态临界电压上升率。
优选的，步骤S100中，所选取的换流阀晶闸管的数量不小于100个。
优选的，步骤S300中，换流阀晶闸管的等效绝缘电阻通过下式获得：
τ＝CtRt＝(C1+C2)(Ri+Rd)
其中，U(t)为施加到换流阀晶闸管级两端的阶跃电压，U0为电压波形峰值，t波尾时间，τ为时间常数，Ct、Rt分别为试验回路的等效电容和电阻，C1、C2分别为试验电路的主电容和换流阀晶闸管级的阻尼电容，Rd为换流阀晶闸管级直流均压电阻，Ri为换流阀晶闸管的等效绝缘电阻。
优选的，步骤S300中，若换流阀晶闸管的等效绝缘电阻值小于电阻-电压曲线簇的下包络线所对应阶跃电压的绝缘电阻的95％，则该换流阀晶闸管的阻断特性处于劣化状态，否则处于良好状态。
本公开还提供一种评估高压换流阀晶闸管阻断状态的电路，包括高压直流电源U1、第一开关S1、充电电阻R1、主电容C1、波头电阻Rf、第二开关S2、第三开关S3和泄放电阻R；其中，
高压直流电源U1的正极连接第一开关S1，负极接地；
第一开关S1通过充电电阻R1连接主电容C1，主电容C1的两端与波头电阻Rf、第二开关S2、第三开关S3和泄放电阻R并联；
第三开关S3和泄放电阻R并联在高压换流阀晶闸管两端。
优选的，需要采集高压换流阀晶闸管两端的电压时，闭合第一开关S1，高压直流电源U1经充电电阻R1给主电容C1充电，达到设定充电电压后，第一开关S1断开，并闭合第二开关S2，从而在高压换流阀晶闸管两端产生阶跃电压。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：能够在不拆卸晶闸管外围电路的情况下，准确评估晶闸管的阻断特性。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种评估高压换流阀晶闸管阻断状态的方法流程图；
图2是本公开另一个实施例提供的一种评估高压换流阀晶闸管阻断状态的电路结构示意图；
图3是本公开另一个实施例提供的晶闸管级的电路结构示意图；
图4是本公开另一个实施例提供的晶闸管级两端试验电压波形图；
图5是本公开另一个实施例提供的晶闸管的电流-电压曲线示意图；
图6是本公开另一个实施例提供的晶闸管的电阻-电压曲线示意图；
图7是本公开另一个实施例提供的100个晶闸管的电阻-电压曲线示意图。
具体实施方式
下面将参照附图1至图7详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，如图1所示，一种评估高压换流阀晶闸管阻断状态的方法，包括如下步骤：
S100：选取若干同型号的换流阀晶闸管，测量不同温度条件下每个晶闸管的伏安特性并获得其伏安特性曲线，根据所述电流-电压曲线获得每个换流阀晶闸管在对应温度条件下的电阻-电压曲线，并建立若干同型号换流阀晶闸管的电阻-电压曲线簇；
S200：测量在工作现场运行的换流阀晶闸管级的静态均压电阻值、阻尼电容值；
S300：对在工作现场运行的换流阀晶闸管级施加阶跃电压，同时采集换流阀晶闸管级两端的电压波形，根据电压波形及静态均压电阻值、阻尼电容值计算换流阀晶闸管的等效绝缘电阻；
S400：通过将所述换流阀晶闸管的等效绝缘电阻和电阻-电压曲线簇进行对比，评估换流阀晶闸管的阻断状态。
上述实施例中，所选取的若干同型号换流阀晶闸管均为阻断特性良好的晶闸管，通过在25℃-125℃，测量间隔为10℃的温度环境下测得每个换流阀晶闸管的电阻-电压曲线并形成曲线簇，从而作为评估现场运行的晶闸管级的阻断状态的评估标准。然后通过测量运行于现场的换流阀晶闸管级的静态均压电阻值、阻尼电容值以及通过对换流阀晶闸管级进行波形测量，从而能够消除换流阀晶闸管外围电路带来的干扰的情况下，计算获得换流阀晶闸管的等效绝缘电阻，通过将该等效绝缘电阻与曲线簇进行比对，能够实现对现场换流阀晶闸管的阻断特性的评估。通过上述方案可以实现在不拆卸晶闸管外围电路的情况下，正确评估换流阀晶闸管的阻断特性，能够克服现有技术中存在的问题，提高评估效率。
另一个实施例中，步骤S100中，求取电流-电压曲线上每一点的静态电阻值，并根据所述静态电阻值获得每个换流阀晶闸管的电阻-电压曲线。
本实施例中，所测得的单个换流阀晶闸管的电流-电压曲线如图5所示，计算图5所示曲线上的每个点的静态电阻值，即R＝U/I，根据所求得静态电阻值可获得每个换流阀晶闸管的电阻-电压曲线，如图6所示。另外，即使是相同型号的换流阀晶闸管，但由于换流阀晶闸管个体之间的差异，每个换流阀晶闸管的电阻-电压曲线之间会存在一定差异，因此，所选若干同型号的换流阀晶闸管的电阻-电压曲线最终形成了一组曲线簇，如图7所示。
另一个实施例中，对用于工作现场的换流阀晶闸管级所施加的阶跃电压的幅值为换流阀晶闸管阻断状态耐受电压规定的最高值。
本实施例中，由于换流阀晶闸管长期运行在高电压下，一般来说，若处于高电压下的换流阀晶闸管的阻断特性能够满足正常运行的条件，则低电压下也肯定满足，因此，使用低电压测量换流阀晶闸管的等效绝缘电阻，不具有代表性。
另一个实施例中，步骤S300中，所施加的阶跃电压的电压上升率不高于换流阀晶闸管的断态临界电压上升率。
本实施例中，由于换流阀晶闸管内存在着结电容，在阻断状态下，当加在换流阀晶闸管上的正向电压的上升率du/dt大于换流阀晶闸管器件手册规定的断态临界电压上升率时，便会有较大的充电电流流过结电容，起到触发电流的作用，使换流阀晶闸管误导通。
需要了解的是，本实施例之所以选用阶跃电压对换流阀晶闸管级进行测量，原因在于通过施加阶跃电压能够直观的获得整体回路电荷泄放过程，而其他电压则不具备此特点。
另一个实施例中，步骤S100中，所选取的换流阀晶闸管的数量不小于100个。
本实施例中，当样本数量较少时，由于换流阀晶闸管的制作工艺等因素会导致换流阀晶闸管之间的性能会产生较大的差异，因此，样本数量越多测试结果越准确。一般地，当样本数量不小于100个时可以视为较大数量，在概率统计中可以视为结果准确。
另一个实施例中，步骤S300中，换流阀晶闸管的等效绝缘电阻通过下式获得：
τ＝CtRt＝(C1+C2)(Ri+Rd)
其中，U(t)为施加到换流阀晶闸管级两端的阶跃电压，U0为电压波形峰值，t表示时间，τ为时间常数，Ct、Rt分别为试验回路的等效电容和电阻，C1、C2分别为试验电路的主电容和换流阀晶闸管级的阻尼电容，Rd为换流阀晶闸管级的直流均压电阻，Ri为换流阀晶闸管的等效绝缘电阻。
另一个实施例中，步骤S400中，若换流阀晶闸管的等效绝缘电阻值小于电阻-电压曲线簇的下包络线所对应阶跃电压的绝缘电阻的95％，则该换流阀晶闸管级的阻断特性处于劣化状态，否则处于良好状态。
本实施例中，由于换流阀晶闸管劣化后会导致其等效绝缘电阻变小，即在同样的电压下，流过晶闸管的漏电流会更大。漏电流大，会使晶闸管内部温度更高，反过来又会加速晶闸管的劣化。本实施例在综合考虑了晶闸管散热问题的基础上，并根据经验可知，当换流阀晶闸管的等效绝缘电阻值小于电阻-电压曲线簇的下包络线所对应阶跃电压的绝缘电阻的95％时，说明晶闸管在长时间运行后，其内部产生了不可逆的缺陷。
另一个实施例中，如图2所示，本公开还提供一种评估高压换流阀晶闸管阻断状态的电路，包括：高压直流电源U1、第一开关S1、充电电阻R1、主电容C1、波头电阻Rf、第二开关S2、第三开关S3和泄放电阻R；其中，高压直流电源U1的正极连接第一开关S1，负极接地；第一开关S1通过充电电阻R1连接主电容C1，主电容C1的两端与波头电阻Rf、第二开关S2、第三开关S3和泄放电阻R并联；第三开关S3和泄放电阻R并联在高压换流阀晶闸管两端。
本实施例中，在试验前，开关S1-S3均处于断开状态。需要对高压换流阀晶闸管施加阶跃电压时，首先闭合第一开关S1，高压直流电源U1经充电电阻R1给主电容C1充电，达到预先设定的充电电压后，断开开关S1，并闭合开关S2，对晶闸管级试品放电，在试品两端产生阶跃电压。当阶跃电压持续时间达到设定值后，闭合S2，将试验回路中的残余能量泄放，试验过程中采集晶闸管级两端电压波形，然后，针对被测晶闸管级等效电路和晶闸管级两端电压波形，根据公式(1)拟合换流阀晶闸管两端电压波形的下降趋势并求取时间常数τ，进一步按照公式(2)和公式(3)即可计算得出换流阀晶闸管的绝缘电阻Ri。
下面通过具体实施例对本公开的技术方案进行详细说明。
以图4为例，通过公式拟合得到了如实线所示的波尾曲线公式为：
该试验过程中的参数设置为C1＝10μF；
本试品中的测量结果为C2≈C21+C22＝1.2μF，Rd≈R4＝125Ω；
其中C21、C22与Rd为图3中的试品(即晶闸管级)电路中的电容和电阻值，通过计算得到试品的等效绝缘电阻为：
将通过上述试验得到的等效绝缘电阻与健康晶闸管的电阻-电压曲线簇进行对比，由图7可知，在该曲线簇中，阶跃电压的峰值4884.83V对应的最大值为22132，最小值为16785。可知该换流阀晶闸管的等效绝缘电阻值在曲线簇包络线以内，且该等效绝缘电阻值大于下包络线所对应阶跃电压的绝缘电阻的95％，说明本试品的阻断特性良好。
为验证本公开所述方法的可靠性，在一个具体的实施例中，分别选取10个健康的晶闸管与10个在现场运行多年的晶闸管级进行试验，使用本公开所述方法与传统的阻断特性评估方法进行评估对比，评估结果如表1所示：
表1
由表1可知，评估健康的晶闸管时，本方法与传统的评估方法的准确率一致，但用时明显大幅度减少；评估在现场运行多年的晶闸管级时，除了第2个晶闸管级的评估结果不一致外，其余晶闸管的评估结果均一致，且本方法的评估用时大幅度减少。基于此，说明利用本公开所述方法对晶闸管的阻断特性进行评估时，在用时很短的情况下就能达到与传统评估方法基本一致的准确率。
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
Claims (9)
1.一种评估高压换流阀晶闸管阻断状态的方法，包括如下步骤：
S100：选取若干同型号的换流阀晶闸管，测量不同温度条件下每个换流阀晶闸管的伏安特性并获得其电流-电压曲线，根据所述电流-电压曲线获得每个换流阀晶闸管在对应温度条件下的电阻-电压曲线，并建立若干同型号换流阀晶闸管的电阻-电压曲线簇；
S200：测量在工作现场运行的换流阀晶闸管级的静态均压电阻值和阻尼电容值；
S300：对在工作现场运行的换流阀晶闸管级施加阶跃电压，同时采集换流阀晶闸管级两端的电压波形，根据电压波形及静态均压电阻值和阻尼电容值计算换流阀晶闸管的等效绝缘电阻；
S400：通过将所述换流阀晶闸管的等效绝缘电阻和电阻-电压曲线簇进行对比，评估换流阀晶闸管级的阻断状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，步骤S100中，求取电流-电压曲线上每一点的静态电阻值，并根据所述静态电阻值获得每个换流阀晶闸管的电阻-电压曲线。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S300中，对在工作现场运行的换流阀晶闸管级所施加的阶跃电压的幅值为换流阀晶闸管级阻断状态耐受电压规定的最高值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S300中，所施加的阶跃电压的电压上升率不高于换流阀晶闸管的断态临界电压上升率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S100中，所选取的换流阀晶闸管的数量不小于100个。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S300中，换流阀晶闸管的等效绝缘电阻通过下式获得：
τ＝CtRt＝(C1+C2)(Ri+Rd)
其中，U(t)为施加到换流阀晶闸管级两端的阶跃电压，U0为电压波形峰值，t为波尾时间，τ为时间常数，Ct、Rt分别为试验回路的等效电容和电阻，C1、C2分别为试验电路的主电容和换流阀晶闸管级的阻尼电容，Rd为换流阀晶闸管级直流均压电阻，Ri为换流阀晶闸管的等效绝缘电阻。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S400中，若换流阀晶闸管的等效绝缘电阻值小于电阻-电压曲线簇的下包络线所对应阶跃电压的绝缘电阻的95％，则该换流阀晶闸管的阻断特性处于劣化状态，否则处于良好状态。
8.一种评估高压换流阀晶闸管阻断状态的电路，包括高压直流电源U1、第一开关S1、充电电阻R1、主电容C1、波头电阻Rf、第二开关S2、第三开关S3和泄放电阻R；其中，
高压直流电源U1的正极连接第一开关S1，负极接地；
第一开关S1通过充电电阻R1连接主电容C1，主电容C1的两端与波头电阻Rf、第二开关S2、第三开关S3和泄放电阻R并联；
第三开关S3和泄放电阻R并联在高压换流阀晶闸管两端。
9.根据权利要求8所述的电路，其中，需要采集高压换流阀晶闸管两端的电压时，闭合第一开关S1，高压直流电源U1经充电电阻R1给主电容C1充电，达到设定充电电压后，第一开关S1断开，并闭合第二开关S2，从而在高压换流阀晶闸管两端产生阶跃电压。
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