田方

(西安西电电力整流器有限责任公司，陕西 西安 710077）

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 。
关键词： 光 触 发 晶 闸 管 ； 高 压 直 流 输 电 ； 晶 闸 管 单 元 ； 换 流 阀

1 引 言
目 前 世 界 上 已 投 运 的 高 压 直 流 输 电 工 程 中 电 压 ± 500kV级 的 居 多 ， 每 个 ± 500kV级 的 工 程 通 常 需 要 数 千 个 大 功 率 晶 闸 管 (例 如 三 峡 — — 常 州 HVDCT工 程 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 电 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 可 靠 性 的 明 显 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 。
20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 。 上 世 纪 90年 代 后 期 ， 西 门 子 公 司 首 先 将 具 有 正 向 过 电 压 保 护 功 能 的 器 件 — — BOD(Breakover Diode)成 功 地 集 成 到 大 功 率 的 LTT上 ， 从 而 决 定 性 地 扫 除 了 LTT用 于 HVDCT的 巨 大 障 碍 。 目 前 ， 采 用 LTT的 HVDCT用 换 流 阀 已 投 入 商 业 运 行 。
2 直 流 输 电 换 流 阀
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 。
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阻 尼 电 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 Electronics)。 其 中 TCU(或 TE)是 一 块 复 杂 的 印 制 电 子 线 路 板 ， 其 功 能 主 要 有 ：
1） 自 取 能 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 。
2） 触 发 晶 闸 管 。
3） 正 向 过 电 压 保 护 功 能 晶 闸 管 在 工 作 过 程 中 由 于 某 种 原 因 没 有 被 正 常 触 发 ， 从 而 要 承 受 正 向 过 电 压 ， 在 过 电 压 升 高 达 到 晶 闸 管 转 折 电 压 之 前 正 向 过 电 压 保 护 器 件 （ 或 电 路 ） 动 作 ， 强 迫 触 发 晶 闸 管 ， 达 到 保 护 晶 闸 管 的 目 的 。 HVDCT工 程 中 采 用 的 正 向 过 电 压 保 护 器 件 （ 或 电 路 ） 主 要 有 3种 ， 例 如 ： 葛 洲 坝 — — 上 海 HVDCT用 BOD； 天 生 桥 — — 广 州 HVDCT 用 BTC（ Backup Trigger Circuit） ； 三 峡 — — 常 州 HVDCT 用 PF(Protection Firing)。
4） 恢 复 期 保 护 功 能 RP(Recovery Protection) 晶 闸 管 在 关 断 反 向 恢 复 期 间 ， 由 于 阻 断 特 性 尚 未 完 全 恢 复 ， 过 高 的 dv/dt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 。
5） 晶 闸 管 工 作 状 态 检 测 。
6） 光 — — 电 、 电 — — 光 转 换 TCU(或 TE)受 控 于 处 于 地 电 位 的 阀 基 电 子 设 备 VBE(Valve BaseElectronics)， 并 将 晶 闸 管 的 工 作 状 态 报 告 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 。
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 特 性 ， 实 现 了 TCU（ 或 TE） 与 VBE之 间 的 控 制 、 检 测 、 保 护 等 信 息 的 传 递 ， 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 。
3 光 触 发 晶 闸 管 LTT
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 。 然 而 ， 欲 将 LTT用 于 中 、 高 压 领 域 ， 如 HVDCT， 静 止 无 功 补 偿 SVC(Static Var Compensation) 等 系 统 ， 则 需 要 解 决 如 下 两 个 技 术 难 题 。
1） 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 。
LTT要 求 光 灵 敏 度 必 须 很 高 ， 也 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 。 然 而 ， 很 小 的 光 敏 区 同 时 也 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 （ 五 级 ） 放 大 和 级 间 增 加 侧 面 限 流 电 阻 的 工 艺 方 法 得 到 解 决 。
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 极 触 发 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 100m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 。
2） 将 正 向 过 电 压 保 护 器 件 （ BOD） 集 成 到 晶 闸 管 本 身 ， 从 而 从 根 本 上 简 化 了 晶 闸 管 控 制 单 元 TCU（ 或 TE） 。
因 为 HVDCT和 SVC等 高 压 换 流 设 备 中 ， 每 个 换 流 阀 是 由 很 多 晶 闸 管 （ 通 常 为 数 十 个 ） 串 联 组 成 的 ， 在 换 流 阀 的 运 行 过 程 中 ， 经 常 发 生 的 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 过 电 压 保 护 功 能 必 不 可 少 。 常 规 的 ETT则 是 通 过 将 一 个 分 立 的 BOD器 件 并 接 在 晶 闸 管 的 阳 极 和 门 极 之 间 来 实 现 正 向 过 电 压 保 护 功 能 的 ， 这 使 得 保 护 电 路 不 仅 增 加 了 连 接 点 与 安 装 空 间 ， 增 加 了 成 本 ， 而 且 降 低 了 可 靠 性 。 而 LTT需 将 BOD功 能 集 成 于 晶 闸 管 本 体 中 ， 以 减 少 晶 闸 管 的 外 围 电 路 ， 并 大 大 提 高 可 靠 性 ， 这 是 一 个 难 题 。 而 由 西 门 子 公 司 开 发 的 一 种 新 的 晶 闸 管 结 构 和 生 产 工 艺 ， 解 决 了 这 个 问 题 。 其 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转 折 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转 折 电 压 值 。 LTT的 五 级 放 大 及 集 成 限 流 电 阻 结 构 ， 保 证 了 它 可 靠 地 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 20～ 150℃ 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 ） 。
4 LTT换 流 阀
20世 纪 90年 代 后 半 期 ， 西 门 子 在 上 述 LTT的 技 术 问 题 上 取 得 了 重 大 突 破 ， 并 将 LTT用 于 HVDCT商 业 线 路 中 。 分 析 西 门 子 用 于 HVDCT的 阻 断 电 压 8kV， 硅 片 d=127mm(5 inch)的 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 。
LTT换 流 阀 与 ETT换 流 阀 在 功 能 、 原 理 和 形 式 等 方 面 没 有 差 别 。 只 是 前 者 的 TCU(或 TE)单 元 被 大 幅 度 简 化 了 ， 仅 在 每 个 晶 闸 管 组 件 上 增 加 了 一 个 光 耦 合 器 。
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 ， 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 。 其 电 子 电 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 。
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 耦 合 器 。 它 其 实 是 一 个 光 学 分 配 器 ， 并 无 电子 器 件 。 该 耦 合 器 将 来 自 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 VBE的 长 距 离 高 压 光 缆 数 （ 通 常 每 根 光 缆 长 60m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 ） 。
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 了 换 流 阀 的 检 修 周 期 ， 同 时 也 降 低 了 设 备 的 运 行 成 本 。
5 结 语
商 用 的 高 压 直 流 输 电 已 有 60年 的 发 展 历 史 ， 今 天 广 泛 使 用 的 晶 闸 管 换 流 阀 也 已 有 30多 年 的 运 行 实 践 。 世 界 上 各 大 HVDCT制 造 商 在 发 展 过 程 中 都 积 累 了 丰 富 的 经 验 ， 并 形 成 了 各 自 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 电 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 电 路 ， 包 含 直 流 静 态 均 压 及 正 向 过 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 在 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 已 有 结 构 的 相 容 性 和 可 替 换 性 等 原 因 ， 都 形 成 了 各 自 对 LTT优 越 性 的 不 同 理 解 。 HVDCT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 。
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 距 。 目 前 国 家 已 依 托 三 峡 — — 常 州 HVDCT工 程 从 ABB公 司 引 进 了 阻 断 电 压 8kV、 硅 片 d=127mm(5 inch)的 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 研 制 既 要 考 虑 电 触 发 晶 闸 管 模 式 ， 也 要 抓 住 机 遇 ， 利 用 与 西 门 子 公 司 进 行 “ 引 进 技 术 合 作 生 产 ” 的 有 利 条 件 ， 研 制 国 产 化 的 LTT换 流 阀 。 <?XML:NAMESPACE PREFIX = O />

参 考 文 献
[1] H. J. Schulze, M. Ruff, B. Baur, F. Pfirsch, H. Kabza, U. kllner, P. Voss. Light Triggered 8kV Thyristor with a New Type of Integrated Breakover Diode[C].POWER CONVERSION.MAY 1996 PROCEEDINGS
[2] Nils Horle.Debbbbbbion of proposed thyristor valve[R]. ABB Technical Report,1JNL100022－ 350 REV.03