《T CPSS 1008-2019-基于晶閘管的聚變電源用四象限整流系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》

ICS號(hào)17.220.20

中國標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)分類號(hào)A55

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CPSS1008—2019

基于晶閘管的聚變電源用四象限整流系統(tǒng)

技術(shù)規(guī)范

Technicalspecificationforfour-quadrantthyristor

convertersystemforfusionpowersupply

2019-07-31發(fā)布2019-08-01實(shí)施

中國電源學(xué)會(huì)發(fā)布

T/CPSS1008—2019

基于晶閘管的聚變電源用四象限整流系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范

1范圍

本規(guī)范規(guī)定了基于晶閘管的聚變電源用四象限整流系統(tǒng)的使用條件、技術(shù)要求、關(guān)鍵部件、整體結(jié)

構(gòu)、加工工藝、試驗(yàn)驗(yàn)證以及其他要求。

本規(guī)范適用于脈沖或穩(wěn)態(tài)高功率大電流運(yùn)行的四象限變流系統(tǒng)，其典型應(yīng)用為磁約束核聚變磁體電

源系統(tǒng)和大電流綜合交直流試驗(yàn)系統(tǒng)。具體應(yīng)用中，該類型變流系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)千安至上百千安的直流電

流輸出，系統(tǒng)直流電壓多為數(shù)百伏至數(shù)千伏。

本規(guī)范也適用于兩象限運(yùn)行的大電流變流系統(tǒng)。

本規(guī)范中所述四象限變流系統(tǒng)，多采用晶閘管作為換流器件。

本技術(shù)規(guī)范不適用于直流輸電及靜止無功補(bǔ)償?shù)入娋W(wǎng)應(yīng)用。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的條款通過本標(biāo)準(zhǔn)的引用而成為本標(biāo)準(zhǔn)的條款。被引用文件的條款，通過本規(guī)范的引用

而成為本規(guī)范的規(guī)定條款。凡是注明日期的引用文件，其隨后所有的修改單（不包括勘誤的內(nèi)容）或修

訂版均不適用于本標(biāo)準(zhǔn)，凡是不注明日期的引用文件，其最新版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

GB311.1—2012絕緣配合第1部分：定義、原則和規(guī)則

GB/T311.2—2013絕緣配合第2部分：使用導(dǎo)則

GB1094.1—2013電力變壓器第1部分：總則

GB1094.2—2013電力變壓器第2部分：液浸式變壓器的溫升

GB1094.3電力變壓器第3部分：絕緣水平、絕緣試驗(yàn)和外絕緣空氣間隙

GB1094.5—2008電力變壓器第5部分：承受短路的能力

GB/T1094.6—2011電力變壓器第6部分：電抗器

GB/T1094.10—2003電力變壓器第10部分：聲級(jí)測(cè)定

GB1094.11電力變壓器第11部分：干式變壓器

GB1985—2014高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)

GB/T2900.33—2004電工術(shù)語電力電子技術(shù)

GB/T3859.1—2013半導(dǎo)體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-1部分：基本要求規(guī)范

GB/T3859.2—2011半導(dǎo)體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-2部分：應(yīng)用導(dǎo)則

GB/T3859.3—2010半導(dǎo)體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器第1-3部分：變壓器和電抗器

GB/T5585.1—2005電工用銅、鋁及其合金母線第1部分：銅和銅合金母線

GB/T5585.2—2005電工用銅、鋁及其合金母線第2部分：鋁和鋁合金母線

GB5749生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

GB/T6892—2006一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材

GB/T8349—2000金屬封閉母線

GB/T10236—2006半導(dǎo)體變流器與供電系統(tǒng)的兼容及干擾防護(hù)導(dǎo)則

GB/T11022—2011高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求

1

T/CPSS1008—2019

GB/T12325電能質(zhì)量供電電壓偏差

GB/T12326電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變

GB12668.501—2013調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)第5-1部分：安全要求電氣、熱和能量

GB14048.1—2012低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分：總則

GB14048.3—2008低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第3部分：開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)以及熔斷器

組合電器

GB/T14549電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波

GB/T15543電能質(zhì)量三相電壓不平衡

GB/T16927.1—2011高電壓試驗(yàn)技術(shù)第1部分：一般定義及試驗(yàn)要求

GB/T16935.1低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合第1部分：原理、要求和試驗(yàn)

GB/T17626.3—2006電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)

GB/T17626.16—2007電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)0Hz～150kHz共模傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)

GB/T17950—2000半導(dǎo)體變流器第6部分：使用熔斷器保護(hù)半導(dǎo)體變流器防止過電流的應(yīng)用

導(dǎo)則

GB/T18494.1—2014變流變壓器第1部分：工業(yè)用變流變壓器

GB50255—2014電氣裝置安裝工程電力變流設(shè)備施工及驗(yàn)收規(guī)范

GB50150—2016電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

DL/T5222—2005導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定

JB/T8636—1997電力變流變壓器

NB/T25035—2014發(fā)電廠共箱封閉母線技術(shù)要求

NB/T25036—2014發(fā)電廠離相封閉母線技術(shù)要求

IEC60071-2Insulationco-ordination–part2applicationguide

IEC60146-1-1—2009Semiconductorconverters–Generalrequirementandlinecommutatedconverter

–Part1-1:Specificationofbasicrequirements

IEC60146-1-2—2011Semiconductorconverters–Generalrequirementsandlinecommutated

converters–Part1-2:Applicationguide

3術(shù)語和定義

除本章節(jié)給出的術(shù)語定義外，GB/T2900.33—2004中所界定的術(shù)語及定義同樣適用于本規(guī)范。

3.1

（6脈波）變流器(6-pulse)converter

以晶閘管為換流器件的6脈波變流橋，是構(gòu)成四象限變流系統(tǒng)的基本單元。為了實(shí)現(xiàn)直流大電流變

換，通常采用非同相逆并聯(lián)、同相逆并聯(lián)、雙反星形連接等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.2

四象限運(yùn)行four-quadrantoperation

變流系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)直流電流和直流電壓的雙向可變輸出，兩個(gè)方向的直流電壓和兩個(gè)方向的直流

電流相聯(lián)系，構(gòu)成變流系統(tǒng)四種不同的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流電能在兩個(gè)可能方向流動(dòng)。

3.3

（高功率大電流）四象限變流模塊（high-powerhigh-current）four-quadrantconvertermodule

2

T/CPSS1008—2019

變流模塊convertermodule

由多個(gè)變流橋及其附屬控制設(shè)備構(gòu)成、能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運(yùn)行的高功率大電流變流模塊，該模塊是實(shí)

現(xiàn)交直流能量變換的核心設(shè)備，也是四象限變流系統(tǒng)的主要組成部分。在本規(guī)范中，高功率大電流四象

限變流模塊有時(shí)也簡(jiǎn)稱變流模塊。

3.4

（高功率大電流）四象限變流系統(tǒng)（high-powerhigh-current）conversionsystem

變流系統(tǒng)conversionsystem

由變流模塊、變流變壓器、旁通單元、金屬屏蔽母線、直流電抗器、交流隔離開關(guān)、直流隔離開關(guān)、

直流連接排及其他附屬設(shè)備構(gòu)成的高功率大電流四象限變流系統(tǒng)。在本規(guī)范中，高功率大電流四象限變

流系統(tǒng)有時(shí)也簡(jiǎn)稱變流系統(tǒng)。

3.5

旁通（單元）bypass

旁通單元是以晶閘管為控制器件的雙向通流設(shè)備，旁通單元開通后，能夠在變流模塊和負(fù)載之間提

供一個(gè)電流通路，阻斷變流模塊和負(fù)載之間的電能交換，實(shí)現(xiàn)直流電流續(xù)流。

3.6

交流排ACbusbar

快熔排fusebusbar

6脈波變流橋的橋臂中，以晶閘管為分界點(diǎn)，位于交流側(cè)的導(dǎo)體排，一般將快速熔斷器壓裝在交流

排。本規(guī)范中，也稱為快熔排。

3.7

直流排DCbusbar

晶閘管排thyristorbusbar

6脈波變流橋的橋臂中，以晶閘管為分界點(diǎn)，位于直流側(cè)的導(dǎo)體排，并聯(lián)晶閘管通常壓裝在直流排

上。本規(guī)范中，也稱為晶閘管排。

3.8

直流匯流排DCconfluentbusbar

6脈波變流橋中連接相同極性組三個(gè)直流排的母排，通常分正負(fù)兩套，通常，正負(fù)母排宜預(yù)留各自

的直流輸出端。

3.9

交流接入排ACconnectingbar

6脈波變流橋中，交流接入排是連接變流變壓器交流輸出的導(dǎo)體排。其一端連接對(duì)應(yīng)相的交流排，

另一端連接低壓交流引線。

3.10

（交流）金屬封閉母線metalenclosedbusbar

連接變流變壓器和變流橋、帶金屬屏蔽外殼的交流導(dǎo)體排。

3

T/CPSS1008—2019

3.11

均一聯(lián)結(jié)uniformconnection

所有主臂都可控或都不可控的一種聯(lián)結(jié)。

[GB/T2900.33—2004，定義551-15-15]

3.12

模塊化modularization

借助簡(jiǎn)潔和清晰的接口定義，以及標(biāo)準(zhǔn)化和均一化功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成不同功能

及結(jié)構(gòu)模塊的組合，從而顯著降低現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試、管理和維護(hù)，并且提高設(shè)備可靠性、可用性、可操

作性及零部件通用性的設(shè)計(jì)思想。

4使用條件

4.1環(huán)境條件

變流系統(tǒng)的環(huán)境條件主要包括室內(nèi)/外、海拔（≤1000m）、氣溫范圍（室內(nèi)：-5℃～40℃；室外：

-10℃～45℃）、相對(duì)濕度范圍（15%～無凝露條件下的最大相對(duì)濕度）、污穢等級(jí)、地震等級(jí)等條件。

訂貨商應(yīng)根據(jù)變流系統(tǒng)的實(shí)際使用環(huán)境，提供上述環(huán)境條件。

對(duì)于室外運(yùn)行的設(shè)備，除了上述主要環(huán)境條件，訂貨商還要提供相應(yīng)的雪載、風(fēng)速、覆冰厚度等條

件。

污穢等級(jí)的確定，應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60071-2中的相應(yīng)條款進(jìn)行，對(duì)于特殊的應(yīng)用條件，可參考GB/T

16935.1的相應(yīng)條款。

設(shè)備抗震要求應(yīng)由需方根據(jù)當(dāng)?shù)貧v史地震記錄給出具體的要求（地震烈度、峰值加速度、動(dòng)態(tài)安全

系數(shù)等），同時(shí)應(yīng)給出當(dāng)?shù)氐卣痦憫?yīng)譜及相應(yīng)的加速度分布。

4.2冷卻條件

4.2.1冷卻介質(zhì)

訂貨商需要規(guī)定變流系統(tǒng)主要的設(shè)備的冷卻介質(zhì)。大型變流系統(tǒng)中，變流橋、旁通單元、直流電

抗器和其他交直流連接設(shè)備采用水或空氣作為冷卻介質(zhì)，變流變壓器采用油（油浸式變壓器）或空氣（干

式變壓器）作為冷卻介質(zhì)。

4.2.2冷卻水的水質(zhì)

供應(yīng)商應(yīng)提供冷卻水的主要參數(shù)，冷卻水質(zhì)在溶解性總固體、ph值、硬度、氯化物、硫酸鹽等其

他方面的要求，應(yīng)不低于標(biāo)準(zhǔn)GB5749的相關(guān)要求，見表1。

表1冷卻水水質(zhì)的其他要求

參數(shù)要求值

溶解性總固體含量/（mg·L-1）≤1000

PH值范圍6.5≤ph≤8.5

-1

硬度（以CaCO3計(jì)）/（mg·L）≤450

氯化物/（mg·L-1）≤250

硫酸鹽/（mg·L-1）≤250

4

T/CPSS1008—2019

4.2.3冷卻水主要電氣參數(shù)

不同絕緣電壓等級(jí)的變流系統(tǒng)，其冷卻水的水質(zhì)和電導(dǎo)率（在25℃條件下）的選擇應(yīng)符合表2中

的規(guī)定。

表2冷卻水的電導(dǎo)率分級(jí)和適用的電壓等級(jí)

電導(dǎo)率閥側(cè)額定電壓UvN

水質(zhì)級(jí)別

mS/mV

I5UvN≤630

II1630<UvN≤1250

III0.21250<UvN≤10000

IV0.05UvN>10000

4.2.4設(shè)備腐蝕和介質(zhì)品質(zhì)管理

如果變流系統(tǒng)和其他設(shè)備共用冷卻水系統(tǒng)的可能，訂貨商應(yīng)提供其他共享水路設(shè)備的材料屬性，

以避免變流設(shè)備和其他設(shè)備之間發(fā)生電化學(xué)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于水冷濕面中有銅材料的情況，還應(yīng)注意水

冷系統(tǒng)中的溶解氧含量（≤50ppb）。

對(duì)于油浸式變流變壓器，應(yīng)對(duì)油品材料特性、雜質(zhì)含量、絕緣性能、可燃性等參數(shù)進(jìn)行規(guī)定。

4.2.5冷卻方式

采用水冷方式的變流設(shè)備，訂貨商應(yīng)給出設(shè)備水冷系統(tǒng)的進(jìn)口水壓、出口水壓、水溫范圍、允許流

量范圍、水管道接口等參數(shù)。

對(duì)于變流變壓器也應(yīng)考慮變壓器的冷卻方式或空氣循環(huán)方式。

對(duì)于控制柜等附屬設(shè)備，如果現(xiàn)場(chǎng)無法滿足運(yùn)行條件，可以考慮加裝空調(diào)或風(fēng)扇等降溫設(shè)備。

4.3電氣條件

4.3.1電網(wǎng)條件

電網(wǎng)條件包括電網(wǎng)電壓及波動(dòng)范圍、電網(wǎng)頻率及波動(dòng)范圍、最大過電壓倍數(shù)/時(shí)間及其次數(shù)、最大

和最小運(yùn)行模式條件下的系統(tǒng)容量、負(fù)荷等級(jí)等。如果供需雙方?jīng)]有特殊要求，具體技術(shù)指標(biāo)可以依據(jù)

GB/T3859.1—2013中5.3.2的相應(yīng)內(nèi)容。

4.3.2電能質(zhì)量要求

訂貨商應(yīng)對(duì)變流系統(tǒng)引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)、電壓閃變、電壓不平衡、電壓偏差和電網(wǎng)諧波給出具體

的規(guī)定。若無特殊要求，可以參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T12325、GB/T12326、GB/T14549和GB/T15543中的

相應(yīng)條款。

4.3.3抗擾度等級(jí)

對(duì)于大電流應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求規(guī)定設(shè)備的抗擾度等級(jí)，各參量可選擇不同的抗擾度等

級(jí)。

4.4特殊運(yùn)行條件

對(duì)于特殊運(yùn)行條件，供需雙方應(yīng)協(xié)商根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等效折算。主要的特殊運(yùn)行條件，標(biāo)準(zhǔn)GB/T

5

T/CPSS1008—2019

3859.1—2013中5.4條款給出具體說明。

5系統(tǒng)配置和設(shè)計(jì)

5.1系統(tǒng)運(yùn)行

5.1.1系統(tǒng)構(gòu)成

四象限變流系統(tǒng)通常由交流隔離開關(guān)、變流變壓器、變流模塊、低壓交流引線、直流連接排、旁通

單元、直流電抗器、直流隔離開關(guān)以及控制、測(cè)量裝置等主要設(shè)備和儀器儀表構(gòu)成。在實(shí)際的工程應(yīng)用

中，為了滿足更大的直流電流輸出和對(duì)紋波電流的限制，有時(shí)也采用更多的變流器構(gòu)成18脈波、24脈

波等更多脈波數(shù)的變流系統(tǒng)。

5.1.2運(yùn)行特性

根據(jù)變流系統(tǒng)中能量和電流方向關(guān)系，變流系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)間可以分為四個(gè)象限。表3給出了變流系

統(tǒng)四個(gè)運(yùn)行象限中，直流電壓、電流及能量傳輸方向。直流側(cè)的電壓和電流，可以根據(jù)負(fù)載運(yùn)行需求，

實(shí)現(xiàn)直流電壓、電流的雙向輸出。本規(guī)范中，變流系統(tǒng)通常運(yùn)行于整流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)向直流負(fù)載的單

向功率輸出，工作于逆變狀態(tài)的變流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載側(cè)能量回饋電網(wǎng)。聚變電源變流系統(tǒng)運(yùn)行于整流和

逆變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)磁體能量和電網(wǎng)之間的雙向流動(dòng)，根據(jù)等離子控制的需求，對(duì)磁體電流進(jìn)行控制。

表3四象限運(yùn)行中直流電壓、電流及能量傳輸方向

象限直流電壓直流電流電能傳輸方向運(yùn)行狀態(tài)

I（+）（+）電網(wǎng)→變流系統(tǒng)→直流負(fù)載整流

II（-）（+）直流負(fù)載→變流系統(tǒng)→電網(wǎng)逆變

III（-）（-）電網(wǎng)→變流系統(tǒng)→直流負(fù)載整流

IV（+）（-）直流負(fù)載→變流系統(tǒng)→電網(wǎng)逆變

5.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

5.2.1技術(shù)條件

不同負(fù)載運(yùn)行特性對(duì)變流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求各不相同。變流系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)從設(shè)計(jì)輸入條件

和系統(tǒng)運(yùn)行工作制開始，訂貨商需要提供變流系統(tǒng)的額定電壓、額定電流、直流紋波、電壓響應(yīng)時(shí)間、

系統(tǒng)損耗和變換效率、并聯(lián)變流橋之間平衡系數(shù)等主要運(yùn)行參數(shù)，以及負(fù)載特性和運(yùn)行工作制。對(duì)于變

流變壓器，訂貨商需要提供各次諧波含量作為變壓器設(shè)計(jì)參考。磁約束核聚變磁體電源系統(tǒng)的負(fù)載多為

大電感或超導(dǎo)電感，電感值高達(dá)亨級(jí)。磁約束核聚變運(yùn)行中，有的磁體負(fù)載要求穩(wěn)定的磁體電流，有的

磁體負(fù)載處于脈沖功率運(yùn)行，并且要求輸出電壓或電流有快速的響應(yīng)速度。對(duì)于大電流的綜合交直流試

驗(yàn)系統(tǒng)，其運(yùn)行特性則根據(jù)被試設(shè)備和具體的而定，系統(tǒng)參數(shù)配置時(shí)，應(yīng)充分考慮試驗(yàn)系統(tǒng)所規(guī)定的功

能范圍。

訂貨商應(yīng)參考GB/T3859.1—2013中6.5給出的工作制等級(jí)，提供變流系統(tǒng)的運(yùn)行工作制，如果

在GB/T3859.1—2013中表14中難以找到合適的工作制登記，供需雙方須協(xié)商確定等效工作制并選擇

相適應(yīng)的額定電流。

5.2.2選型原則

大電流變流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)遵循如下的基本原則，確保滿足上述設(shè)計(jì)輸入的同時(shí)，做到變流

系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)：

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T/CPSS1008—2019

a)提高變流變壓器的容量利用率，并且避免鐵芯出現(xiàn)不平衡磁動(dòng)勢(shì)；

b)選擇合適的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高并聯(lián)晶閘管的電氣容量；

c)增加變流器的并聯(lián)數(shù)目和直流輸出脈波數(shù)，增大直流輸出并抑制系統(tǒng)諧波；

d)優(yōu)化控制系統(tǒng)，降低運(yùn)行損耗。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T3859.2—2013中表1給出了多種電氣連接及其相應(yīng)的計(jì)算因子，可供大電流變流系統(tǒng)

電氣結(jié)構(gòu)選型時(shí)參考。

5.2.3系統(tǒng)拓?fù)?/p>

圖1給出了一個(gè)12脈波四象限變流系統(tǒng)的電氣接線圖。圖中，兩個(gè)6脈波變流橋直流側(cè)經(jīng)直流電抗器

（L1&L2或L3&L4）反并聯(lián)，兩組反并聯(lián)變流橋?qū)Ψ謩e由兩組移相30°的變流變壓器供電，構(gòu)成一套基

于晶閘管的12脈波四象限運(yùn)行高功率大電流變流系統(tǒng)。變流橋直流輸出端串接的直流電抗器，用以吸收

移相相位差引起的瞬時(shí)電壓差，平抑變流器之間的脈動(dòng)環(huán)流，因此也稱環(huán)流電抗器。

如果單個(gè)變流單元無法滿足直流電壓要求，宜采用多個(gè)變流單元（如圖1所示）串聯(lián)增壓。從安全

性和可靠性考慮，應(yīng)避免采用晶閘管直接串聯(lián)或6脈波變流橋直接串聯(lián)的方式獲得更高的直流電壓輸

出。

圖112脈波四象限運(yùn)行變流系統(tǒng)

5.2.4主要系統(tǒng)參數(shù)

變流系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)輸入初步確定系統(tǒng)的絕緣等級(jí)、額定電流、額定電壓、變流

橋拓?fù)?、旁通單元拓?fù)?、變流橋連接方式、晶閘管型號(hào)、晶閘管并聯(lián)數(shù)目、快速熔斷器、直流電抗器阻

抗、變流變壓器額定容量、變壓器連接組別和連接方式、變壓器容量、電壓比、短路阻抗、導(dǎo)體材料等

主要參數(shù)或信息。

6變流橋和旁通單元

6.1總體要求

變流橋和變流模塊的設(shè)計(jì)宜符合標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的原則，器件、配件、線纜宜采用成熟穩(wěn)定的標(biāo)

7

T/CPSS1008—2019

準(zhǔn)型號(hào)，導(dǎo)體、絕緣件及其他結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)加工宜采用標(biāo)準(zhǔn)化的型材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中，宜根據(jù)

通用性原則，合并和減少組件的型號(hào)和結(jié)構(gòu)件的種類，簡(jiǎn)化生產(chǎn)維護(hù)管理和相應(yīng)的工藝流程，提高系統(tǒng)

和設(shè)備的可靠性、可用性、可維護(hù)性和可檢查性。

6.2電氣設(shè)計(jì)

6.2.1變流橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

6.2.1.1拓?fù)溥x型

雙反星形、同相逆并聯(lián)和非同相逆并聯(lián)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適用于高功率大電流應(yīng)用中變流橋電氣結(jié)構(gòu)。

雙反星形結(jié)構(gòu)適合于低壓大電流的應(yīng)用，設(shè)備投資成本較低；同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)也適用于低壓大電流的應(yīng)

用，該結(jié)構(gòu)換流效率高，對(duì)周圍環(huán)境電磁干擾相對(duì)較小，雙反星形和同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)都需要同相逆并聯(lián)

變壓器相配合。非同向逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)，適合于大電流的應(yīng)用，該結(jié)構(gòu)可以承受較高電壓，整流變壓器投資

相對(duì)較低，設(shè)備結(jié)構(gòu)和布局相對(duì)簡(jiǎn)單。四象限變流系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，宜根據(jù)具體的應(yīng)用需求，從上述三種結(jié)

構(gòu)中選取，也可從標(biāo)準(zhǔn)GB/T3859.2—2013的表1中選取合適的變流橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

6.2.1.2基本參數(shù)計(jì)算

本規(guī)范關(guān)于變流系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算，所采用的參數(shù)符號(hào)和標(biāo)記引用自標(biāo)準(zhǔn)GB/T3859.1－2013中的表1。

本部分的計(jì)算基于如下的假設(shè)條件：

——變流橋采用均一聯(lián)結(jié)；

——負(fù)載為無限大直流電感，即忽略直流電流紋波；

——變流橋脈波數(shù)p=6，換相數(shù)為q=3；

——忽略交流三相電壓不平衡；

——穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，即直流電流和電壓為常數(shù)；

——換相重疊角μ小于一個(gè)脈波寬度２π/p。

對(duì)于一個(gè)給定直流電壓和直流電流的6脈波變流橋，根據(jù)下列公式可算出以下主要參數(shù)的近似值：

有功功率：

PU=dd×I·················································（1）

基頻視在功率/表觀功率：

SU1=di×Id················································（2）

位移因數(shù)：

?=

cos11PS/················································（3）

基頻無功功率：

Q=SP22?

11···············································（4）

表1給出了常用大電流變流橋或橋?qū)Φ碾姎膺B接和計(jì)算因數(shù)。其中，電流系數(shù)Iv/Id為閥側(cè)交流線電

流和直流電流的比值，電壓系數(shù)Udi為直流側(cè)理想直流電壓和閥側(cè)交流線電壓的比值，調(diào)整系數(shù)dxtN中

Uv0exN

dxtN是由變流變壓器電抗引起的直流電壓調(diào)整值，該值是以Udi為基值的標(biāo)幺值，exN是變流變壓器短路

壓降中的感性分量，也是標(biāo)幺值。對(duì)于連接方式2和4，如果變流變壓器采用兩個(gè)相互獨(dú)立變流變壓器

供電，則其dxtN分別應(yīng)為0.5和0.519。

exN

更多的變流系統(tǒng)電氣連接和常用計(jì)算因數(shù)，可以參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T3859.2—2013的表1。

8

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表1常用大電流變流電流電氣連接和常用計(jì)算因數(shù)

變壓器結(jié)構(gòu)脈波換相電流系數(shù)電壓系數(shù)調(diào)整系數(shù)

序號(hào)變流器結(jié)構(gòu)

原邊副邊數(shù)p次數(shù)qIv/IdUdi/Uv0dxtN/exN

0.2890.675

163（1）（3）0.5

23π2

0.4081.35

263（1）320.25

（）

6π

0.8161.35

3632320.5

（）（）

3π

0.4081.35

4123（1）0.259a

（32）

6π

0.8161.35

563（1）0.5

（32）

6π

a

調(diào)整系數(shù)dxtN/exN計(jì)算中，exN是基于整流變壓器額定網(wǎng)側(cè)電流（而非一半）計(jì)算。

9

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6.2.1.3直流電壓相關(guān)計(jì)算

對(duì)于6脈波變流橋，直流電壓和理想直流電壓之間存在如下關(guān)系：

Id（整流狀態(tài)）（5）

UUd=×dicosα??UT0(UdrN+UdxN)×························

IdN

Id（逆變狀態(tài)）

UUd=di×cos(αμ+?)UT0?(UdrN?UdxN)×····················（6）

IdN

式中：

Ud——實(shí)際直流電壓；

Udi——理想直流電壓，可以根據(jù)閥側(cè)交流線電壓Uv0和表4中的電壓系數(shù)求得；

α——為相控觸發(fā)角；

UT0——變流回路中所有串聯(lián)半導(dǎo)體器件的門檻電壓之和；

UdrN，UdxN——分別是額定直流電流條件下，電阻性直流電壓調(diào)整值和電感性直流電壓調(diào)整值，

具體的計(jì)算可以參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T3859.2—2013中5.1.4.1的內(nèi)容；

μ——換相重疊角。

6.2.1.4位移角

位移角?1和相控觸發(fā)角α及換相重疊角μ之間存在如下關(guān)系式：

2μ+?sin2αsin[2(αμ+)]（）

tan?1=········································7

cos2α?+cos[2(αμ)]

其中，μ的角度以弧度計(jì)算。用式（8）也能獲得位移因數(shù)。

Ud++UT0UdrN×IIddN（8）

cos?1=··········································

Udi

6.2.1.5有功功率和無功補(bǔ)償

變流系統(tǒng)的功率消耗計(jì)算，應(yīng)從其負(fù)載工作制的分析入手。對(duì)于負(fù)載工作制的確定和分級(jí)可以參考

標(biāo)準(zhǔn)GB/T3859.1—2013中6.5的相關(guān)內(nèi)容。負(fù)載工作制反應(yīng)變流系統(tǒng)實(shí)際的工作需求。有功負(fù)荷和無

功負(fù)荷的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)中，應(yīng)以長(zhǎng)期最經(jīng)常出現(xiàn)的工作為基礎(chǔ)確定基本工作制。

對(duì)于6脈波及以上的大電流變流應(yīng)用，位移因數(shù)和全功率因數(shù)數(shù)值差別不大?？梢酝ㄟ^有功功率和

位移因數(shù)角獲得無功消耗，即：

QP=×tan?1·······················································（9）

而需要補(bǔ)償?shù)臒o功容量可以根據(jù)式（10）獲得。其中，P為前述所得變流系統(tǒng)的有功功率，?1為

沒有補(bǔ)償時(shí)的位移因數(shù)角，?2無功補(bǔ)償后的位移因數(shù)角。

QPC=×?(tan??12tan)········································（10）

對(duì)于大電流的直流試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)和磁約束核聚變電源系統(tǒng)，其應(yīng)用需求和運(yùn)行工況很不穩(wěn)定。推薦

采用預(yù)測(cè)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算的方式求得變流系統(tǒng)的無功和有功功率，從而為其變流系統(tǒng)的電源配置和設(shè)計(jì)提供

依據(jù)。

6.2.1.6諧波計(jì)算

關(guān)于變流橋網(wǎng)側(cè)諧波的分析和計(jì)算，可以參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T10236—2006中4.2的內(nèi)容。

10

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6.2.2短路電流計(jì)算

6.2.2.1直流側(cè)短路

變流系統(tǒng)根據(jù)短路點(diǎn)位置，可分為變流橋內(nèi)部短路和外部短路。內(nèi)部短路主要發(fā)生在變流橋臂，外

部故障主要發(fā)生在直流側(cè)輸出端。

各種短路故障中，直流側(cè)短路可能導(dǎo)致更加嚴(yán)重的破壞。短路電流的波形和短路電流值決定于短路

回路內(nèi)的電氣參數(shù)，短路電流的上升率僅被回路中的阻抗所延遲，其穩(wěn)態(tài)值取決于變流裝置的阻抗壓降、

變流系統(tǒng)配置和短路回路內(nèi)的電阻值。對(duì)于多個(gè)6脈波變流橋并聯(lián)輸出的大電流系統(tǒng)，如果某個(gè)變流橋

直流側(cè)發(fā)生短路，其他并聯(lián)變流橋短路電流貢獻(xiàn)及其連接回路的阻抗也應(yīng)進(jìn)行分析計(jì)算。

6.2.2.2電抗器后短路

對(duì)于配置平衡電抗器（或相間變壓器）的變流系統(tǒng)，如果短路故障發(fā)生在平衡電抗器下游回路，則

平衡電抗器能夠顯著抑制瞬時(shí)短路電流的沖擊。單個(gè)6脈波變流橋構(gòu)成的變流系統(tǒng)，電抗器下游短路的

破壞相對(duì)較小；對(duì)于由多個(gè)6脈波變流橋并聯(lián)組成的變流系統(tǒng)，直流側(cè)短路的危害，需根據(jù)具體的系統(tǒng)

配置進(jìn)行分析。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T3859.2—2013中表16，給出了該標(biāo)準(zhǔn)中表1所列部分變流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流側(cè)短路時(shí)的

短路電流值，可以用于直流側(cè)短路電流的估算分析。

6.2.2.3變流橋臂短路

變流橋臂晶閘管器件反向擊穿，易引起變流橋臂內(nèi)部短路故障。多并聯(lián)器件的變流橋，發(fā)生單個(gè)（或

少量）器件反向阻斷特性失效，其串聯(lián)快速熔斷器應(yīng)能夠可靠熔斷，從而防止故障擴(kuò)大。

三相橋式（同相逆并聯(lián)和非同向逆并聯(lián)等結(jié)構(gòu)）變流橋，橋臂內(nèi)短路本質(zhì)上是交流兩相短路和交流

三相短路相互交替的相間短路，非故障相向故障向貢獻(xiàn)故障電流。橋式結(jié)構(gòu)上下串聯(lián)的兩個(gè)/組晶閘管

器件接在直流正負(fù)母線之間，變流橋個(gè)別橋臂短路，不會(huì)導(dǎo)致正負(fù)母線的直接連通，其短路特征也不同

于直流側(cè)短路。

雙反星形帶平衡電抗器（又稱相間變壓器）的變流系統(tǒng)，如果發(fā)生橋臂短路，則同時(shí)構(gòu)成交流回路

和直流回路的短路。非故障橋臂、并聯(lián)運(yùn)行的其他變流橋、以及反電動(dòng)勢(shì)的直流負(fù)載，都會(huì)向故障點(diǎn)貢

獻(xiàn)故障電流。雙反星形結(jié)構(gòu)變流橋并聯(lián)成的變流系統(tǒng)，如果發(fā)生橋臂短路故障，其故障電流和對(duì)系統(tǒng)的

危害，將比相同配置的其他變流系統(tǒng)更嚴(yán)重。

6.2.2.4短路時(shí)刻的影響

直流側(cè)短路或橋臂內(nèi)部短路，都會(huì)在短路點(diǎn)疊加交流分量，不同的短路時(shí)刻，短路電流交流分量的

沖擊系數(shù)不同。如果短路發(fā)生時(shí)刻，某相交流電壓在過零點(diǎn)附近，短路電流交流分量將獲得較大的短路

沖擊值，變流橋結(jié)構(gòu)的電磁力沖擊更大。變流橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)分析最嚴(yán)重短路時(shí)刻的電磁力沖擊，

考慮短路電流交流分量和直流分量的疊加作用，并做好相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和故障抑制措施。

6.2.3晶閘管選型

6.2.3.1器件參數(shù)初選

晶閘管是大電流變流系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其性能參數(shù)的選擇將顯著影響變流系統(tǒng)的運(yùn)行性能和安全可

靠性。

器件參數(shù)選擇的分析和計(jì)算，應(yīng)以6脈波變流橋?yàn)閱挝?。根?jù)已經(jīng)確定變流變壓器閥側(cè)額定線電壓

Uv0，合理確定晶閘管的斷態(tài)反向重復(fù)峰值電壓URRM和斷態(tài)正向重復(fù)峰值電壓UDRM，URRM/UDRM取正

常峰值電壓的2～3倍，以確保足夠的安全裕量。

11

T/CPSS1008—2019

大電流變流橋中，器件額定電流IT(AV)M和并聯(lián)數(shù)目是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)，參數(shù)計(jì)算和選型，需要

同步進(jìn)行，綜合考慮變流橋運(yùn)行特性、均流性能和成本，選擇比較均衡的器件參數(shù)和并聯(lián)數(shù)目。

根據(jù)變流系統(tǒng)最經(jīng)常的工作制等級(jí)和運(yùn)行需求，確定變流橋的基本運(yùn)行工況，然后計(jì)算出6脈波變

流橋的額定直流電流。而根據(jù)式（11）計(jì)算單個(gè)橋臂的平均電流IA(AV)。

sIdN

IA(AV)=·············································（11）

p

式中：

s——串聯(lián)換相組數(shù)，對(duì)于三相橋式為s=2，對(duì)于雙反星形為s=1；

IdN——為變流橋額定直流電流；

p——為橋臂數(shù)目，對(duì)于雙反星形、同向逆并聯(lián)、非同向逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)也是脈波數(shù)。

6脈波變流橋并聯(lián)器件數(shù)目，由橋臂平均電流IA(AV)、備選器件的平均通態(tài)電流IT(AV)M、均流系數(shù)、

電流波形、海拔、散熱條件等因素影響和制約。

IA(AV)??KKRAI（12）

np=································

IAM(AV)?KCI????KKKKItθVh?K

式中：

KR——變流橋電流過載系數(shù)，可以根據(jù)表5中的工作制等級(jí)查詢使用；

KAI——電流設(shè)計(jì)的安全裕量，根據(jù)可靠性要求取1.1～1.5；

KCI——與KR和結(jié)溫相關(guān)的允許過載倍數(shù)，晶閘管的運(yùn)行結(jié)溫應(yīng)不能超過最高規(guī)定結(jié)溫（125℃）。

正常運(yùn)行時(shí)，器件結(jié)溫為T，則T～125℃的溫度區(qū)間，可以被過載運(yùn)行利用，只要過載

過程和結(jié)束后，結(jié)溫不超過125℃。如果允許過載運(yùn)行利用該溫度區(qū)間，則KIR1?T，

KCI=

ITM(AV)

其中IT1為連續(xù)工作時(shí)器件的平均電流，如果不允許過載利用T~125℃的溫度區(qū)間，則

KCI=1；

KI——均流系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求可取0.8~0.9；

Kt——晶閘管電流波形系數(shù)，決定于器件的工作方式和負(fù)載特性；可查詢表6；

Kθ——環(huán)境溫度系數(shù)，大電流變流系統(tǒng)的晶閘管器件基本都采用水冷，Kθ=1；

KV——對(duì)于水冷設(shè)備的介質(zhì)流速系數(shù)，取KV=1；

Kh——海拔系數(shù)，對(duì)于低于1000m應(yīng)用環(huán)境的設(shè)備，取Kh=1；高于1000m的設(shè)備應(yīng)用，請(qǐng)參

考其他標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)校正。

表5變流器電流過載系數(shù)

工作制等級(jí)1KR典型用途

I1.0電化學(xué)工藝等

II1.5電化學(xué)工藝等

III2.0輕工業(yè)和輕型牽引站應(yīng)用

IV2.0工業(yè)應(yīng)用，重載工作制

V2.0中型牽引站和礦山

VI3.0重型牽引站

注：該表中的工作制等級(jí)引用標(biāo)準(zhǔn)GB/T3859.1—2013中表15的工作制等級(jí)的定義。

12

T/CPSS1008—2019

表6波形系數(shù)Kt

器件導(dǎo)通角λ

器件通流波形備注

30°60°90°120°

0.150.640.911.11電感Ld=∞的情況

電感Ld=0的情況

0.150.640.891.0

（α+γ<π）

電阻負(fù)載情況下的

0.270.560.861.0交流相控開關(guān)

（α+γ=π）

6.2.3.2晶閘管參數(shù)細(xì)化和校驗(yàn)

晶閘管額定電壓URRM/UDRM的參數(shù)選型，應(yīng)根據(jù)變流變壓器和變流橋電壓參數(shù)，不斷迭代細(xì)化，

直至最終定型。

器件參數(shù)的校核和變流橋電氣參數(shù)的細(xì)化，要對(duì)晶閘管器件的結(jié)溫分析計(jì)算。器件選型、并聯(lián)數(shù)目

確定以及電氣設(shè)計(jì)校核，需要從正常運(yùn)行和故障情況兩方面，分析驗(yàn)證器件的結(jié)溫和熱效應(yīng)：

a)結(jié)溫的分析驗(yàn)證

圖2半導(dǎo)體器件熱學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型（考爾模型）

圖2給出半導(dǎo)體器件及其冷卻系統(tǒng)的熱學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型，在圖中，

Ci=CthiρiiV[/]JK·······································（13）

+?

1xxidx

=··································（14）

Ri∫[/]KW

xi

σiiSxeff_()

式中：

Cthi——為材料的比熱容，J/(K×kg)；

3

ρi——材料密度，kg/m；

3

Vi——單元體積，m；

σi——傳熱系數(shù)，W/(K×m)；

13

T/CPSS1008—2019

Δx——單元厚度，m；

2

Seff_i——熱通量有效區(qū)域面積，m。

圖2中的每個(gè)基本單元代表半導(dǎo)體器件傳熱回路中的一個(gè)零件的集中參數(shù)模型。Pi為半導(dǎo)體器

件總功率損耗，左側(cè)開關(guān)S打開，圖中所示考爾模型可以模擬器件單面冷卻的熱學(xué)模型，S閉

合可以模擬器件雙面冷卻。

圖3半導(dǎo)體器件熱學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型（福斯特模型）

n

?τ??ττ

Zt()=R(1?eti)=R1?ett12+R1?e+???

thjc∑thith1()th2()（15）

i=1·················

??ττ

???+Re11?ttin+???+R?e

thi()thn()

式中：

Pth——半導(dǎo)體器件的總功率損耗，W；

虛擬結(jié)溫，；

Tvj——℃

TC——外殼溫度，℃。

圖3為晶閘管器件傳熱的福斯特模型，各部分的參數(shù)可以從晶閘管器件的技術(shù)說明書中直接查

詢。代入典型工作制中器件的總發(fā)熱功率，即可計(jì)算器件傳熱回路中各點(diǎn)的溫度分布。另外，

結(jié)溫的校驗(yàn)也需要考慮變流橋故障時(shí)的瞬時(shí)發(fā)熱功率波形，從而校驗(yàn)器件結(jié)溫變化曲線，確保

變流橋在最嚴(yán)重的短路故障情況下，不致發(fā)生嚴(yán)重?fù)p害。

晶閘管結(jié)溫校驗(yàn)，也可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3859.2—2013中7.3所推薦的方法進(jìn)行。

b)熱效應(yīng)（i2t）校驗(yàn)

熱效應(yīng)（i2t）校驗(yàn)主要用于短路故障情況