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逆变站换相失败故障特征及发生机理
来源:电工技术  作者:佚名  2016-12-09 11:38:29



    摘要:本文介绍直流输电工程逆变站发生换相失败的外界诱因,通过实例分析换相失败后电力系统参数的变化,最后从晶闸管结构及特性方面阐述换相失败的发生机理,得出晶闸管关断过程就是积累的非平衡载流子消失的过程,如果在晶闸管电流过零到承受正向电压这段时间内,非平衡载流子的浓度没有下降到比临界存储电荷小的程度,那么晶闸管在承受正向电压后将重新导通的结论。

    换相失败是换流站最常见故障之一。据统计,2011~2015年,中国南方电网公司天广直流、高肇直流输电工程所发生的故障中,线路故障占52%,换相失败占37%,其它故障占11%。一次换相失败后,若无法在规定时间内自动恢复,将发展为连续换相失败,导致直流输电系统急停,影响系统稳定性及供电可靠性,威胁到电网安全。

    1 换相失败特征
    1.1换相失败的外界诱因
    我国电力系统逆变站都采用电网换相方式。当换流阀的两个桥臂之间完成换相后,如果刚关断的阀在承受反向电压的一段时间内未能完全恢复阻断能力,或在承受反向电压期间换相过程未能进行完毕,那么在阀所承受电压变为正向电压时,刚关断的阀又会重新导通,导致换流器无法按正常运行的顺序换相,这就是换相失败。从换流阀关断到换流阀由承受反向电压变为承受正向电压的过零点之间的电角度称为熄弧角,用7来表示,运行中的熄弧角7过小将直接导致换相失败。
    交流系统对称时,逆变器的关断角为:

    式中,k为换流变变比;UL为逆变器交流侧母线线电压有效值;Id为直流电流;Xc为等效换相电抗;9为超前触发角。
    当逆变侧交流系统发生不对称故障,换相线电压过零点前移角度沪时,逆变器的关断角为:

    由式(1)、式((2)可知,运行中的熄弧角7与交流系统电压、直流输送电流、超前触发角、换流变变比、等效换相电抗有关,在交流系统发生非对称故障时,还与交流电压过零点偏移角度有关。
    在电力系统既定的运行方式下,影响熄弧角Y的最主要因素为逆变站所联接的交流系统短路故障。交流系统短路故障将导致换流母线电压幅值下降和交流电压零点漂移。交流系统电压降低导致逆变侧换相电压降低,引发熄弧角减小。事实证明,不同类型的故障如三相短路故障、单相短路故障和相间短路故障等对换相失败的影响不同,交流系统故障的发生地点和严重程度对换相失败的影响亦不同。离故障点电气距离越近的逆变站发生换相失败的情况越严重。
    除逆变站所联接的交流系统短路故障外,逆变器丢失触发脉冲、换流阀短路故障等也是引发换相失败的主要外界因素。
    1.2换相失败故障特征
    换相失败发生后,最显著的故障特征就是熄弧角7减小。换相失败时直流侧发生短路,逆变器承受的直流电压短时下降,直流电流短时上升。其它显著特征还包括逆变器的交流侧短时开路,交流电流减小。如果发生连续换相失败,那么工频分量将进入直流系统。
    某日,某±500kV逆变站因交流电网接地短路而发生换相失败,由故障的暂态波形(如图1所示)可知,换相失败由交流系统C相故障引起,换相失败发生后直流高压母线电流IDLH短时增大,直流线路电压UDL下降,换流变阀侧电流IVY、IVD呈周期性变化。

    2 换相失败发生机理
    2.1晶闸管工作原理
    换流阀由几十个晶闸管串联而成,每个晶闸管都是一种四层结构的大功率半导体器件,有阳极(A)、阴极(K)、门极(G)三个引出极。晶闸管在N1型硅片中双向扩散P型杂质(硼或铝)形成P1N1P1结构,然后在P2区域扩散N型杂质(磷或锑)形成阴极,同时在P2上引出门极,在P1区域引出阳极。

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