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光触发晶闸管与高压直流输电<br /> 田 方<br /> （西安西电电力整流器有限责任公司，西安，710000） <br /><br /><br /> 摘 要：简要介绍光触发晶闸管及其在高压直流输电换流阀中的应用<br /> 关键词：光触发晶闸管 直流输电 晶闸管单元 换流阀；<br /> <br /> Light trigger thyristor and HVDC transmission<br /> TIAN fang<br /> Abstract: Light trigger thyristor and it’s application in HVDC transmission converter valve are presented<br /> Keyword: light trigger thyristor HVDC transmission thyristor unit converter valve<br /> <br /> 1 概 况<br /> 按照目前世界上流行的土 500kV高压直流输电HVDCT(High Voltage Direct Current Transmission)工程的要求，每个工程通常需要数千个大功率晶闸管(例如三峡——常州HVDCT就有4176个3000A/7.2kV大功率晶闸管)。每一个晶闸管单元（包括晶闸管、阻尼均压回路及晶闸管控制单元）的任何改进，都意味着可观的成本降低和明显的可靠性的提高。因此，世界上各大HVDCT设备供货商都十分重视晶闸管单元的优化工作。 <br /> 二十多年来，试图以光触发晶闸管LTT（Light Trigger Thyristor）替代电触发晶闸管ETT(Electric Trigger Thyristor)的努力一直在继续。九十年代后期，西门子公司首先将正向电压保护功能成功地集成到大功率的LTT上，决定性地扫除了LTT用于HVDCT的巨大障碍。目前，LTT用于HVDCT的换流阀已投入商业运行。<br /> 2 直流输电换流阀<br /> HVDCT是一个庞大、复杂且前沿的输变电系统。作为其核心设备的换流阀主要包括换流阀和阀基电子设备。<br /> 晶闸管换流阀主要由晶闸管单元、阳极饱和电抗器串联而成。不同晶闸管单元电位互不相同。常规晶闸管单元包括：晶闸管本身、RC(R-Resistor；C-Capacitor)阻尼回路、静态均压电阻及晶闸管控制单元TCU（Thyristor Control Unit）或晶闸管电子设备TE(Thyristor Electronic)。其中TCU(或TE)是一块复杂的电子线路板，其功能主要有：<br /> · 自取能。<br /> 从对应晶闸管工作电压中获取能量，支持自身电子线路工作。<br /> · 触发晶闸管。<br /> · 正向电压保护功能<br /> 晶闸管由于某种原因没有正常成功触发，从而承受正向电压升高，在电压升高达到晶闸管转折电压之前强迫触发晶闸管，达到保护晶闸管的目的。<br /> 葛洲坝——上海HVDCT用BOD(Break Over Diode)；<br /> 天生桥——广洲HVDCT 用BTC（Backup Trigger Circuit）；<br /> 三峡——常州HVDCT 用PF(Protection Firing)。<br /> · 恢复期保护功能RP(Recovery Protection)<br /> 晶闸管在关断反向恢复区间十分脆弱。过大的dv/dt电压扰动会损坏晶闸管。该保护功能在dv/dt扰动超过一定数值时保护晶闸管。<br /> · 晶闸管状态检测。<br /> · 光——电、电——光转换。<br /> TCU(或TE)受控于处于地电位的阀基电子设备VBE(Valve base Electronic)，并将晶闸管的工作状态报告阀基电子设备VBE。由于电位隔离及抗电磁干扰的需要，二者之间的信号传输需要通过光缆实现。<br /> 由于光缆良好的信号传输性能及电隔离、抗电磁干扰性能，以及发光管、光敏管及光电转换技术的发展，使这一技术广泛应用于高电压系统及测量领域。HVDCT利用了这些优良条件，实现了晶闸管控制单元TCU（或TE）与阀基电子设备VBE间的信号通讯，从而彻底取代了复杂庞大的电磁触发方式。LTT的应用则更大限度地利用了这些优良性能。<br /> 3 光触发晶闸管LTT<br /> 对光触发晶闸管LTT的成功研制已有20多年的历史，其机理十分明了。即用光直接照射晶闸管芯片来触发晶闸管。<br /> 然而，欲将LTT用于中、高压领域，如HVDCT, 背靠背（Back To Back）,静止无功补偿SVC(Static Var Compensation) 等系统，需要解决如下两个技术难题：<br /> （一.)LTT需很高的光灵敏度，以适应远距离控制和长寿命发光管的实际要求。<br /> （二.)将正向过电压保护功能（BOD）集成到晶闸管本身，从而从根本上简化晶闸管控制单元TCU（或TE）。<br /> 第一难题，LTT要求光灵敏度必须很高。这就是说LTT的光敏区必须很小，否则其抗dv/dt能力将降到每微秒数千伏，使得LTT在反向恢复期的抗电压扰动能力降低。另外，很小的光敏区同时带来了晶闸管开通时的电流冲击问题。这一问题主要依靠了多级放大（五级）和级间增加侧面限流电阻的工艺方法得到解决。<br /> 很小光敏区的优点是，光触发的能量可以较小（40mW，而ETT需要数瓦的大功率门脉冲）。这样，延长了发光管的使用寿命（达40年以上）。同时使得光缆的传输距离达100米以上。由此可将阀基电子设备VBE从容地置于远离阀厅的控制室中。<br /> 第（二）个难题，将正向过电压保护功能（BOD）集成到晶闸管本身，这是因为HVDCT、背靠背和SVC等高压换流设备中，每个单阀要求很多晶闸管（通常为数十个）串联运行。陡坡冲击、局部不均压或开通分散性等都会引起部分晶闸管的正向过电压，从而损坏晶闸管。所以，正向电压保护功能必不可少。常规的ETT依靠TCU（或TE）单元实现该功能。<br /> 而LTT需将BOD功能集成于晶闸管本体中。西门子开发了一种新的结构和生产工艺，解决了这个问题。方法是，在硅片中心的P基上刻蚀出特殊的刻槽。采用特殊的设计，使参数不受生产工艺的影响而变化。刻槽导致局部电场集中，使BOD电压低于晶闸管转折电压（功能要求）。刻槽的相对大小可准确控制BOD电压值。LTT的五级放大及集成限流电阻结构，保证了它可靠的正常触发和保护触发。同时，在BOD表面附近区域增加的P形保护层，保证了BOD电压的长期稳定性。另外，测试显示，在摄氏20至150度的整个温度范围内，BOD功能均能正常实现（BOD电压温度系数与转折电压温度系数趋势保持一致）。<br /> 4 LTT换流阀<br /> 90年代后半期，西门子在上述技术问题上得到了重大突破，并将LTT用于HVDCT商业线路中。分析西门子用于HVDC的8kV，5英寸ETT和LTT的技术指标，两种晶闸管的性能参数基本相当。都能满足HVDCT对晶闸管的要求。另外，两者在外型尺寸上也基本相同。所以，可以将已运行的ETT阀方便地更新成LTT阀。<br /> LTT换流阀与ETT换流阀从功能、原理和形式等方面没有差别。只是TCU(或TE)单元大幅简化，仅在每个晶闸管组件上增加了一个光偶合器。<br /> 由于光触发信号直接送到了带有BOD功能的LTT上，所以LTT安装比ETT 简单，LTT没有晶闸管门极触点，没有BOD到门极连接线等，而TCU（或TE）只剩下相对次重要的部分晶闸管状态回报功能（已不必再检测BOD状态）和恢复期dv/dt保护功能（若晶闸管没有集成）。其电子回路只要通过静态均压电阻检测晶闸管状态，并将信号通过光缆传送到阀基电子设备。没有复杂的电子控制逻辑电路，其线路将十分简单，更重要的是提高了可靠性。<br /> 相对于传统的晶闸管换流阀，LTT换流阀每个组件（24-30个晶闸管单元）增加了一个光偶合器。它其实是一个光学分配器，并无电子器件。该偶合器将来自阀基电子设备VBE的控制触发信号直接分配给每个晶闸管。这样明显减少了由换流阀组件到阀基电子设备VBE的长距离高压光缆数（通常60米左右）。节省了昂贵的光缆费用（用于HVDCT的高压光缆较一般通讯光缆贵数十倍）。<br /> 从以上分析可以看出，LTT换流阀较ETT换流阀具有明显的技术优势。它可以最大限度地减少强电磁场中的电子器件，大大增强了换流阀的运行可靠性，延长换流阀的检修周期，同时，也降低了设备成本。<br /> 然而，实用的高压直流输电已有六十年的发展历史，今天广泛使用的晶闸管换流阀也已有三十多年的运行实践。世界上各大HVDCT生产商在发展过程中积累了丰富的经验，并形成了自己的风格。比如，在HVDCT换流阀结构方面，ABB公司采用小组件（6个晶闸管单元），串联水路，多电阻多电容的一次阻尼及取能回路，无高电压器件的晶闸管控制单元TCU，没有组件冲击电容等。而西门子公司则采用大组件（24-30晶闸管单元），并联水路，简单的一次RC阻尼回路，包含直流静态均压及正向电压保护（BOD或BTC）的晶闸管电子设备单元TE等。各个厂家技术更新都建立自身已有的产品结构模式上，尤其是已建立的复杂而自成体系的控制系统上。LTT与各自原已有结构的相容性和可替换性等原因，都造成了各自对LTT优越性的不同理解。HVDC是一个系统工程，所以需要综合考虑各方面的影响因素来分析LTT的应用前景。<br /> 5 结束语<br /> 中国电力电子器件的发展现状较国际先进水平仍存在较大的差异。目前国家已依托三峡——常州HVDCT工程引进了ABB公司8kV、5英寸电触发晶闸管的生产技术与部分生产设备。因此，国产化换流阀的模式要考虑电触发晶闸管方式。但是我国已进入WTO，应不失时机，抓主机遇，利用“引进技术合作生产”的有利条件，研制生产国产化的LTT换流阀。<br /> 参考文献:<br /> [1] H. J. Schulze, M. Ruff, B. Baur, F. Pfirsch, H. Kabza, U. kllner, P. Voss. Light Triggered 8kVThyristor with a New Type of Integrated Breakover Diode. .POWER CONVERSION.MAY 1996 PROCEEDINGS<br /> [2] Nils Horle Description of proposed thyristor valve. ABB Technical Report 1JNL100022-350 REV.03<br /> 作者简介：<br /> 田 方（1949—） 男,工程师主要从事高压直流输电换流阀的研究工作<br /> <br /> <br />
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