摘要：本文介紹直流輸電工程逆變站發(fā)生換相失敗的外界誘因，通過實(shí)例分析換相失敗后電力系統(tǒng)參數(shù)的變化，最后從晶閘管結(jié)構(gòu)及特性方面闡述換相失敗的發(fā)生機(jī)理，得出晶閘管關(guān)斷過程就是積累的非平衡載流子消失的過程，如果在晶閘管電流過零到承受正向電壓這段時間內(nèi)，非平衡載流子的濃度沒有下降到比臨界存儲電荷小的程度，那么晶閘管在承受正向電壓后將重新導(dǎo)通的結(jié)論。

    換相失敗是換流站最常見故障之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011～2015年，中國南方電網(wǎng)公司天廣直流、高肇直流輸電工程所發(fā)生的故障中，線路故障占52%，換相失敗占37%，其它故障占11%。一次換相失敗后，若無法在規(guī)定時間內(nèi)自動恢復(fù)，將發(fā)展為連續(xù)換相失敗，導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)急停，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性及供電可靠性，威脅到電網(wǎng)安全。

    1 換相失敗特征
    1.1換相失敗的外界誘因
    我國電力系統(tǒng)逆變站都采用電網(wǎng)換相方式。當(dāng)換流閥的兩個橋臂之間完成換相后，如果剛關(guān)斷的閥在承受反向電壓的一段時間內(nèi)未能完全恢復(fù)阻斷能力，或在承受反向電壓期間換相過程未能進(jìn)行完畢，那么在閥所承受電壓變?yōu)檎�向電壓時，剛關(guān)斷的閥又會重新導(dǎo)通，導(dǎo)致?lián)Q流器無法按正常運(yùn)行的順序換相，這就是換相失敗。從換流閥關(guān)斷到換流閥由承受反向電壓變?yōu)槌惺苷�向電壓的過零點(diǎn)之間的電角度稱為熄弧角，用7來表示，運(yùn)行中的熄弧角7過小將直接導(dǎo)致?lián)Q相失敗。
    交流系統(tǒng)對稱時，逆變器的關(guān)斷角為：

    式中，k為換流變變比；UL為逆變器交流側(cè)母線線電壓有效值；Id為直流電流；Xc為等效換相電抗；9為超前觸發(fā)角。
    當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障，換相線電壓過零點(diǎn)前移角度滬時，逆變器的關(guān)斷角為：

    由式（1）、式（（2）可知，運(yùn)行中的熄弧角7與交流系統(tǒng)電壓、直流輸送電流、超前觸發(fā)角、換流變變比、等效換相電抗有關(guān)，在交流系統(tǒng)發(fā)生非對稱故障時，還與交流電壓過零點(diǎn)偏移角度有關(guān)。
    在電力系統(tǒng)既定的運(yùn)行方式下，影響熄弧角Y的最主要因素為逆變站所聯(lián)接的交流系統(tǒng)短路故障。交流系統(tǒng)短路故障將導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓幅值下降和交流電壓零點(diǎn)漂移。交流系統(tǒng)電壓降低導(dǎo)致逆變側(cè)換相電壓降低，引發(fā)熄弧角減小。事實(shí)證明，不同類型的故障如三相短路故障、單相短路故障和相間短路故障等對換相失敗的影響不同，交流系統(tǒng)故障的發(fā)生地點(diǎn)和嚴(yán)重程度對換相失敗的影響亦不同。離故障點(diǎn)電氣距離越近的逆變站發(fā)生換相失敗的情況越嚴(yán)重。
    除逆變站所聯(lián)接的交流系統(tǒng)短路故障外，逆變器丟失觸發(fā)脈沖、換流閥短路故障等也是引發(fā)換相失敗的主要外界因素。
    1.2換相失敗故障特征
    換相失敗發(fā)生后，最顯著的故障特征就是熄弧角7減小。換相失敗時直流側(cè)發(fā)生短路，逆變器承受的直流電壓短時下降，直流電流短時上升。其它顯著特征還包括逆變器的交流側(cè)短時開路，交流電流減小。如果發(fā)生連續(xù)換相失敗，那么工頻分量將進(jìn)入直流系統(tǒng)。
    某日，某±500kV逆變站因交流電網(wǎng)接地短路而發(fā)生換相失敗，由故障的暫態(tài)波形（如圖1所示）可知，換相失敗由交流系統(tǒng)C相故障引起，換相失敗發(fā)生后直流高壓母線電流IDLH短時增大，直流線路電壓UDL下降，換流變閥側(cè)電流IVY、IVD呈周期性變化。

    2 換相失敗發(fā)生機(jī)理
    2.1晶閘管工作原理
    換流閥由幾十個晶閘管串聯(lián)而成，每個晶閘管都是一種四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件，有陽極（A）、陰極（K）、門極（G）三個引出極。晶閘管在N1型硅片中雙向擴(kuò)散P型雜質(zhì)（硼或鋁）形成P1N1P1結(jié)構(gòu)，然后在P2區(qū)域擴(kuò)散N型雜質(zhì)（磷或銻）形成陰極，同時在P2上引出門極，在P1區(qū)域引出陽極。

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