thyristor valve
简介
由晶闸管元件及其辅助设备组成的换流阀。20世纪70年代以后，在直流输电工程中广泛采用。与汞弧阀相比，晶闸管阀的优点是：①不会发生逆弧，无需设置处理逆弧故障的旁通阀，可靠性高;②无需预热与复杂的温度控制和真空技术;③维修简便;④因由众多晶闸管串联而成，换流阀额定电压的选择有很大的自由度;⑤价格有相对降低的趋势等。因此，晶闸管阀在直流输电、灵活交流输电技术、静止无功补偿装置、抽水蓄能电站，以及大容量电动机变频调速等方面得到了广泛的应用。
晶闸管是组成晶闸管换流阀的关键元件。高压直流输电中使用的晶闸管芯片直径已达到125 mm，反向非重复阻断电压已高于8 kV，稳态直流电流和浪涌电流能力分别达4 kA和36 kA以上。为提高晶闸管承受电压的能力，其表面造型有双正角型、正负角型和双负角型。为保证晶闸管阀具有足够的短路电流承受能力，在正常运行时所允许的最大结温一般不超过90℃。除电触发晶闸管外，光直接触发晶闸管也已在HVDC工程中得到应用。例如，日本的新信浓(Shin-shinano)变频站采用了6kV、2.5 kA的光直接触发晶闸管，纪伊(Kii-Channel)高压直流输电工程中采用了8 kV、3.5 kA的光直接触发晶闸管;美国太平洋联络线的赛里罗(Celilo)换流站也装有光直接触发晶闸管换流阀，进行运行考验。光直接触发晶闸管可将BOD保护和恢复期内的du/dt保护集成在晶闸管芯片内，同时可省略触发回路中的光电转换电路，使换流阀的电子电路得以极大简化。
晶闸管换流阀的结构 直流输电工程采用的晶闸管换流阀大多是户内式、空气绝缘、水或水和乙二醇混合冷却的多重阀结构。也有个别工程采用油浸式的户外结构。如图所示为一个12脉动换流阀组(也称12脉动换流器)示意图。由图可知，每个12脉动换流阀组包括3个四重阀或6个二重阀或12个单阀。每个单阀由多个串联的阀组件组成。阀组件中又包括串联的晶闸管组件和阀电抗器。组成晶闸管组件的每一晶闸管级都备有电子电路，负责晶闸管的触发、保护及监视。晶闸管换流阀内还有阻尼、均压回路等辅助电路，以及冷却管路等。换流阀有悬吊式(悬吊在阀厅顶部的钢梁上)和支承式(安装在阀厅内的防震基座上)两种型式。
12脉动换流阀组示意图
晶闸管换流阀的电压设计 晶闸管阀通过一定数量晶闸管级的串联达到规定的电压承受能力。此外，每个阀中还必须按规定增加一些晶闸管级， 作为两次计划检修之间损坏元件的备用，称为冗余晶闸管级。为确保阀能承受各种过电压， 在进行阀的耐压设计时应考虑足够的绝缘强度。假定所有冗裕晶闸管级数都损坏，晶闸管换流阀仍应具有下列规定的绝缘强度： 对于标准操作冲击电压波， 应高于避雷器标准操作保护水平的15%;对于标准雷电冲击电压波，应高于避雷器标准雷电保护水平的15%; 对于陡波头雷电冲击电压波， 应高于避雷器陡波头雷电保护水平的20%。
设计时阀中晶闸管元件的串联数可根据下式确定
式中n1为单阀中串联晶闸管总数; nr为冗余晶闸管数; SIPLf为阀避雷器的反向操作冲击过电压保护水平;Ursm为晶闸管的反向非重复电压额定值;Kd为电压不均匀系数，操作冲击电压的不均匀系数一般取1.05～1.075; Km为电压设计系数， 一般取1.15。
晶闸管换流阀的电流设计 晶闸管换流阀除了能承受额定负载电流及过负荷电流外，还必须承受由于故障引起的暂态过电流。在计算阀过电流时，应考虑最严重的故障类型，如：换流桥端短路故障、桥臂短路故障以及换流变压器Y型接线的阀侧绕组中性点对地短路故障等。早期的晶闸管换流阀，由于单个晶闸管的负载电流能力和浪涌电流能力较低， 有时需要采用晶闸管并联以提高阀的电流能力。目前，随着晶闸管制造水平的提高，单个晶闸管已具有足够的电流能力，从而不再需要晶闸管的并联。
晶闸管换流阀的阻尼及均压电路 包括RC阻尼电路、直流均压电阻和阀电抗器，有些设计中还具有均压电容。其作用是在各种波形的电压下使阀内电压分布均匀，在各种暂态过程中阻尼振荡，以保护晶闸管。RC阻尼电路的作用是动态均压和在晶闸管关断时阻尼振荡以及为晶闸管电子设备提供电源等。直流均压电阻的作用是稳态均压以及为晶闸管提供监控和保护触发信号等。阀电抗器的作用是：①在陡波冲击条件下减轻晶闸管所承受的电压;②限制晶闸管的开通电流;③改善阀内的电压分布等。均压电容的作用主要是在陡波冲击下改善阀内的电压分布， 使晶闸管等元件不受损坏。
晶闸管换流阀的冷却系统 通过冷却介质的循环，吸收晶闸管换流阀在运行中产生的热量。晶闸管换流阀冷却系统所使用的冷却介质有水、油、空气等。但目前使用最多的还是水，其它冷却介质很少使用。一般容量小的可使用空气， 油的使用则更少。
阀的水冷却系统可分为单环冷却系统和双环冷却系统。单环冷却系统，具有结构简单、造价低、可靠性高、占地少、维护量少等优点，但防冻问题较难解决。有的制造商采用去离子水中加乙二醇的方法解决防冻问题。另外一些制造商则采用双环冷却系统解决防冻问题，但这种冷却系统耗电量大、设备多、投资大，同时二次水的水量较大， 对水质和水源的可靠性有较高要求，维护工作量较大。若非环境温度极端恶劣，一般都采用单环冷却系统。
每个多重阀都安装有冷却水管。阀组件内部的冷却水路一般有并联和串联两种。冷却管路的设计应保证尽可能不需解开冷却管路连接就能更换晶闸管， 而更换晶闸管组件时必须解开的接头数目应最少。冷却系统还应保证运行时无漏水，维修时漏水量最小。如果有局部的泄漏发生，也不应降低阀的可用率。所以，晶闸管换流阀一般都有泄漏监视及保护系统， 当泄漏发生时会自动报警或跳闸。与冷却水接触的各种材料必须具有很好的防腐蚀和抗老化性能。冷却管路中一般还设有均压电极，以收集冷却介质中的泄漏电流，减少冷却管路的电解腐蚀。
晶闸管换流阀的触发系统 从换流器控制装置的触发信号输出端到相应的换流阀晶闸管门极之间实现触发信号的传输、分送、变换和触发脉冲形成的整套系统。触发系统的主要功能是将地电位的触发信号转换成n个(n为换流阀中的晶闸管数)信号，分别传送到处于高电位的晶闸管的门极回路， 并在高电位对触发信号进行放大和整形，使其能够可靠地触发晶闸管。晶闸管换流阀触发系统的技术要求是：①可靠性高，能保证换流阀的正常工作;②同期性好，使阀中全部串联元件在允许的时差范围内同时开通， 避免最后开通的元件承受过电压而损坏; ③保证处于地电位的控制设备与晶闸管门极回路间具有足够的绝缘强度; ④抗干扰能力强，避免触发脉冲丢失或误触发;⑤处于高电位的触发脉冲形成回路耗能低，能产生具有足够陡度(波头时间约为0.5～1μs) 和幅值 (约为5～10 A) 的触发脉冲， 确保晶闸管可靠触发等。
早期的直流输电曾用电磁耦合方式来实现触发脉冲在地电位和高电位之间的传送， 但现在均采用光电传输方式。对于电触发晶闸管阀，触发系统先将地电位的触发信号转换成光脉冲信号， 经光纤传送到处于高电位的光电转换器，再转换成电信号，经放大和整形，产生符合要求的触发脉冲，送到晶闸管门极。在高电位的门极电路中有一个储能回路，以提供触发脉冲所需的能量。对于光直接触发晶闸管阀，触发系统可省去在高电位的光电传换及触发脉冲形成回路，直接将光信号送至晶闸管的门极，使触发系统得以简化。
晶闸管换流阀的监视和保护系统 为保证晶闸管换流阀的安全运行，特别是避免运行中晶闸管元件损坏，提高运行可靠性而采取的一系列措施。晶闸管监视系统的功能主要有：晶闸管故障监视、触发回路(包括光纤系统和电源)故障监视、阻尼回路故障监视、以及保护触发动作监视等。所有的监视信号通过光纤传至处于地电位的监视和控制系统。晶闸管换流阀除采用避雷器保护外，还具有以下保护功能：①正向保护触发，当晶闸管元件两端出现过大的正向电压时该保护动作，使晶闸管导通。②恢复期内的du/dt保护，在恢复期内，如果过早出现正向电压，或出现陡度很大的正向电压，则该保护动作，使晶闸管导通。③反向过电压保护，当晶闸管元件遭受过大的反向过电压时，首先可利用元件本身的雪崩特性，限制过电压，如果过电压幅值还较高，则避雷器动作，起到过电压保护的作用。
晶闸管换流阀的防火要求 晶闸管阀在设计、制造、安装上应能消除任何原因导致的火灾，及火灾在阀内蔓延的可能性。对于换流阀的防火应考虑以下要求：①阀内的非金属材料必须是难燃的，并具有自熄灭性能;②阻尼和均压电容，应尽量避免采用充油元件;③阀内电子设备应使用安全可靠的难燃元件，并具有充分的热容量，最好用阻燃材料将电子设备完全隔离;④阀内的电气连接应可靠，并具有充分的热容量，避免产生过热和电弧;⑤在相邻的材料和光纤通道之间都应设置不燃的防火板，或采用其它措施，阻止火灾的蔓延。阀内的防火隔板布置要合理，避免由于隔板设置不当导致阀内元件过热;⑥冷却系统应安全可靠，避免因漏水、冷却水中含杂质以及冷却系统腐蚀等原因导致的电弧和火灾。