《大功率聚變變流器短路試驗(yàn)方法 T-CPSS 1007-2018》

ICS號(hào)29.200

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)分類(lèi)號(hào)K46

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CPSS1007－2018

大功率聚變變流器短路試驗(yàn)方法

Short-circuittestmethodforhighpowerconverterin

fusiondevice

2018-06-06發(fā)布2018-06-06實(shí)施

中國(guó)電源學(xué)會(huì)發(fā)布

T/CPSS1007－2018

大功率聚變變流器短路試驗(yàn)方法

1范圍

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了額定容量20MVA以上的使用晶閘管的大功率變流器短路試驗(yàn)方法，包括相關(guān)專(zhuān)業(yè)術(shù)

語(yǔ)的定義、短路試驗(yàn)的要求、動(dòng)穩(wěn)定能力試驗(yàn)和熱穩(wěn)定能力試驗(yàn)的試驗(yàn)方法、測(cè)試流程及其合格判定準(zhǔn)

則。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于核聚變電源應(yīng)用領(lǐng)域，電解鋁應(yīng)用領(lǐng)域的電壓超過(guò)1000V的大功率變流器短路試驗(yàn)

也可參考本標(biāo)準(zhǔn)。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T2900.33－2004電工術(shù)語(yǔ)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/T3859.2－2013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/T3859.3－2013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/T13422－1992半導(dǎo)體電力變流器電氣試驗(yàn)方法

GB/T16927.4－2014高電壓和大電流試驗(yàn)技術(shù)第4部分：試驗(yàn)電流和測(cè)量系統(tǒng)的定義和要求

3術(shù)語(yǔ)和定義

GB/T2900.33－2004界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。為便于使用，以下重復(fù)列出了GB/T

2900.33－2004中的一些術(shù)語(yǔ)和定義。

3.1

交流/直流變流器a.c./d.c.converter

用于整流或逆變，或既可以整流也可以逆變的電力電子變流器。

3.2

半導(dǎo)體變流器semiconductorconverter

使用半導(dǎo)體閥器件的電力電子變流器。

注：類(lèi)似術(shù)語(yǔ)也適用于其他的半導(dǎo)體或特定電子閥器件額變流器，或具體類(lèi)型的變流器，例如晶閘管變流器，晶體

管逆變器。

[GB/T2900.33－2004，定義551-12-42]

3.3

可控閥器件controllablevalvedevice

在導(dǎo)電方向，其電流通路為雙穩(wěn)態(tài)可控的一種器件。

[GB/T2900.33－2004，定義551-14-03]

1

T/CPSS1007－2018

3.4

不可控閥器件non-controllablevalvedevice

整流二極管rectifierdiode

無(wú)需施加任何控制信號(hào)，電流通路即可在其導(dǎo)電方向?qū)ǖ囊环N反向阻斷閥器件。

[GB/T2900.33－2004，定義551-14-04]

3.5

（閥）臂（valve）arm

電力電子變流器或開(kāi)關(guān)的一部分電路，以任意兩個(gè)交流或直流端子為界，包括一個(gè)或多個(gè)連接在一

起的同時(shí)導(dǎo)電的電子閥器件及其他組件（如有）。

[GB/T2900.33－2004，定義551-15-01]

3.6

橋臂bridgearm

橋式聯(lián)結(jié)變流器中的閥臂。臂的一端連接交流電路的相端子，另一端連接直流端子。

3.7

觸發(fā)triggering

使擎住閥器件或由其構(gòu)成的臂實(shí)現(xiàn)開(kāi)通的控制動(dòng)作。

[GB/T2900.33－2004，定義551-16-61]

3.8

觸發(fā)（延遲）角triggering(delay)angle

相控時(shí)，觸發(fā)脈沖滯后于基準(zhǔn)點(diǎn)的時(shí)間間隔，以電角度表示。

[GB/T2900.33－2004，定義551-16-33]

3.9

額定直流電流rateddirectcurrent

對(duì)于規(guī)定的負(fù)載條件和運(yùn)行條件，制造商規(guī)定的直流電流平均值。

3.10

理想空載直流電壓idealno-loaddirectvoltage

假設(shè)相位控制不減弱、電子閥器件無(wú)門(mén)檻電壓且輕載時(shí)電壓不上升，交流/直流變流器的理論空載

直流電壓。

[GB/T2900.33－2004，定義551-17-15]

3.11

短路電流short-circuitcurrent

在系統(tǒng)運(yùn)行中，變流器發(fā)生短路時(shí)流過(guò)的電流。

3.12

峰值電流peakcurrent

電流瞬態(tài)過(guò)程起始后，出現(xiàn)的第一個(gè)大半波電流的峰值。

3.13

熱累積heataccumulation

電流平方在單位時(shí)間內(nèi)的積分，其物理意義是在單位導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量。

2

T/CPSS1007－2018

3.14

非彈性形變inelasticdeformation

一個(gè)物體在彈性限度外受到較大力時(shí)可能會(huì)發(fā)生斷裂、變形，無(wú)法回到原來(lái)形狀的現(xiàn)象。

3.15

動(dòng)態(tài)均流dynamiccurrentbalance

動(dòng)態(tài)變化的電流在變流器各并聯(lián)支路上的分布情況。

3.16

動(dòng)態(tài)均流系數(shù)dynamiccurrentbalancecoefficient

短路電流峰值對(duì)應(yīng)的各并聯(lián)支路電流的平均值與承擔(dān)電流最大的支路電流的比值。

3.17

容許偏差tolerance

測(cè)量值與規(guī)定值之間的允許差值與規(guī)定值之比。

4短路試驗(yàn)的要求

4.1總則

外部短路包括直流側(cè)直接短路和直流側(cè)經(jīng)電抗器后短路故障。

變流器的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受直流側(cè)直接短路的動(dòng)穩(wěn)定效應(yīng)而不發(fā)生非彈性變形或損壞，其組件在直

流側(cè)直接短路后（如半導(dǎo)體器件或快速熔斷器）能否損壞由制造方和用戶(hù)協(xié)商。在動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)的短路試

驗(yàn)中，測(cè)試電流采用短路電流的沖擊峰值，短路電流的持續(xù)時(shí)間一般為不低于80ms。

在變流器外接電抗器的電路中，變流器及其組件應(yīng)能承受直流側(cè)經(jīng)電抗器后短路的熱穩(wěn)定效應(yīng)而不

損壞。在熱穩(wěn)定校驗(yàn)的短路試驗(yàn)中，測(cè)試電流采用短路電流的穩(wěn)態(tài)值，短路電流的持續(xù)時(shí)間為2s，對(duì)

于某些特殊變流器，經(jīng)制造方與用戶(hù)協(xié)商后，短路電流持續(xù)時(shí)間可以小于2s。

在短路試驗(yàn)中，試驗(yàn)電流一般取短路電流計(jì)算值的1.0~1.1倍。試驗(yàn)電流的容許偏差不超過(guò)表1的規(guī)

定值。

大功率變流器短路試驗(yàn)，如無(wú)另行規(guī)定，推薦的試驗(yàn)次數(shù)如下：

——對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定能力試驗(yàn)，每相短路沖擊一次；

——對(duì)于熱穩(wěn)定能力試驗(yàn)，短路沖擊2次；

——對(duì)于用于特殊場(chǎng)合的變流器，經(jīng)制造方和用戶(hù)協(xié)商，可適當(dāng)增加試驗(yàn)次數(shù)，但不超過(guò)3次；

——相鄰兩次短路沖擊試驗(yàn)之間至少間隔20min。

表1容許偏差

參數(shù)最大容許偏差

試驗(yàn)電流15%

耐受時(shí)間5%

直流電壓3%

3

T/CPSS1007－2018

4.2確定短路電流

4.2.1基本假定

基本假定如下：

a)假定供電電壓為三相對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)（正弦波），除特殊情況外，電壓振幅恒定不變：

1)當(dāng)供電電源的額定容量為整流裝置額定容量的50倍以上時(shí)，按無(wú)限大功率電源考慮，計(jì)

算其短路電流穩(wěn)態(tài)分量時(shí)，可忽略電源電抗；

2)當(dāng)供電系統(tǒng)的短路容量為整流裝置額定容量的50倍以上時(shí)，或以電源額定容量為基準(zhǔn)，

至短路點(diǎn)的綜合計(jì)算電抗相對(duì)值XΣ大于3時(shí)，可不考慮電源電抗的暫態(tài)變化，因此短路

電流穩(wěn)態(tài)分量的振幅恒定不變。

b)假定短路點(diǎn)的電阻和電抗恒等于零。

c)假定突然短路，并且短路電源電壓初始相角φ0=0的情況下發(fā)生。

d)假定換相回路無(wú)損耗，并設(shè)整流元件加上正向電壓時(shí)立即導(dǎo)通。

e)當(dāng)分支阻抗Zzh小于總阻抗的20%時(shí)，按僅有公共阻抗Zg處理。

f)基于非相控整流電路分析短路故障電流。對(duì)于相控整流器，若在自然換相點(diǎn)處（即α=0°）觸

發(fā)相應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通，其工作情況與非相控整流器的工作情況一樣，所分析的短路電流為最嚴(yán)

重的短路故障電流。

4.2.2直流側(cè)直接短路的故障電流

4.2.2.1三相橋式接線(xiàn)直流側(cè)短路

按阻抗在電路中的位置及其所起作用不同，可以分為僅有公共阻抗Zg，以及兼有公共阻抗Zg和分支

阻抗Zzh兩種情況，對(duì)三相橋式接線(xiàn)而言，電源阻抗和整流變壓器阻抗為公共阻抗，橋臂阻抗屬于分支

阻抗。具體情況如下：

a)僅有公共阻抗Zg

三相橋式接線(xiàn)直流側(cè)短路電路如圖1(a)所示，其中Xg是公共感抗、Rg是公共電阻，與公共阻抗

之間的關(guān)系為：22。通常橋臂阻抗較小，在變壓器閥側(cè)同相逆并聯(lián)接線(xiàn)系統(tǒng)

ZgZg=XRgg+Zb

中，變壓器二次引線(xiàn)和橋臂電抗均較小，絕大多數(shù)情況可按僅有公共阻抗來(lái)處理，此時(shí)三相

橋式接線(xiàn)直流側(cè)短路的等值電路如圖1(b)和(c)所示。

4

T/CPSS1007－2018

EaXgRg

i1i3i5

A

iDAD

gBiDB

XRgD

AXd

BCiDC

(b)三相等值電路

C

Rd

eAiDARb3×

eBiDBEaXgRg

eCiDCXbi4i6i2

D

三相橋式接線(xiàn)直流側(cè)短路電路(c)單相等值電路

(a)

圖1三相橋式接線(xiàn)直流側(cè)短路電路

假定：Xb=0、Rb=0，短路前負(fù)荷電流Id=0，Xd=0、Rd=0，整流元件上加正向電壓立即導(dǎo)通，

且電源各相電壓eA、eB、eC按式（1）定義：

2π

=ω+

eEtAa2sin

3

··························（1）

eEtBa=2sin(ω)

2π

eECa=2sinωt?

3

1)直流側(cè)短路電流的穩(wěn)態(tài)值IdDP、IdDm按式（2）定義：

332E

a平均值

IIdDP=3bDP=IDm=()

ππZg

23II

或dNdN平均值··························（2）

IdDP=?=1.1()

πZZg*g*

π2E

I=II==a(峰值)

dDmdDPDm

3Zg

式中：

IbDP——橋臂穩(wěn)態(tài)電流的平均值；

IDm——變壓器閥側(cè)線(xiàn)電流穩(wěn)態(tài)短路值的振幅；

公共阻抗22；

Zg——XRgg+

Zg*——公共阻抗的標(biāo)幺值；

Ea——電源相電壓的有效值；

IdN——額定直流電流。

2)直流側(cè)短路電流的沖擊峰值idch按式（3）定義：

2E

a（）

idch=?=?KIchDmKch··························3

Zg

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T/CPSS1007－2018

式中：

Kch——沖擊值暫態(tài)系數(shù)，可按圖2查?。▍⒁?jiàn)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》）。一般對(duì)于感性回路來(lái)說(shuō)，

1＜Kch＜2。

圖2沖擊值暫態(tài)系數(shù)曲線(xiàn)

b)兼有公共阻抗Zg和分支阻抗Zzh

對(duì)于三相橋式接線(xiàn)，當(dāng)橋臂電阻Rb和橋臂電抗Xb不可忽略時(shí)，作為兼有公共阻抗和分支阻抗來(lái)

處理，并視橋臂阻抗為分支阻抗（即Zb=Zzh），此時(shí)圖1(a)所示的三相橋式接線(xiàn)短路電路的等

值電路相當(dāng)于三個(gè)單相等值電路，可按圖3確定等效分支阻抗。

對(duì)于兼有公共阻抗和分支阻抗的情況，分析短路電流時(shí)應(yīng)分以下幾步進(jìn)行：

1)根據(jù)Lb/Rb=Lzh/Rzh，按曲線(xiàn)查取相應(yīng)的LDx和RDx，從而確定等效分支阻抗ZDx。

2)確定變壓器閥側(cè)線(xiàn)電流穩(wěn)態(tài)短路值IDm，按式（4）計(jì)算：

2Ea··························（4）

I=

Dm22

(RRg+Dx)++(XgXDx)

式中：

Rg——公共阻抗的電阻值；

Xg——公共阻抗的電抗值；

RDx——等效分支阻抗的電阻值，可按圖4查?。?/p>

XDx——等效分支阻抗的電抗值，可按圖4查取。

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T/CPSS1007－2018

Xg

Xg

iDRg

iDxRg

ib2Xzh

ib1

XDx

zh（近似）

zh

ERzh

E

RDx

(a)(b)

圖3確定等效分支阻抗ZDx的的等值電路

1.4

RDx/Rzh

1.2

1.0

0.8

0.6ZDx/Zzh

LDx/Lzh

0.4

0246810

ωLzh/Rzh

圖4等效阻抗ZDx系數(shù)曲線(xiàn)

3)確定支路兩端電壓Ezh，按式（5）計(jì)算：

E（）

E=a?+RX22··························5

zh22DxDx

(RRg+Dx)++(XgXDx)

4)確定不計(jì)暫態(tài)分量時(shí)橋臂電流的周期分量（正弦全波波形）的振幅值IbDm、和半波平均值

IbDP，按式（6）計(jì)算：

22EE

I=zh=zh

bDmZ22（）

zhRXzh+zh··························6

IbDm2Ezh

IbDP==

ππZzh

5)確定計(jì)入暫態(tài)分量后橋臂支路電流的穩(wěn)態(tài)平均值IbDP′，按式（7）計(jì)算：

′··························（7）

IIbDP=KPZ?bDP

6)確定直流側(cè)短路電流的穩(wěn)態(tài)值。

由可以看出，當(dāng)兼有公共阻抗和分支阻抗時(shí)，直流短路電流穩(wěn)態(tài)平均值仍為三個(gè)橋臂電

流穩(wěn)態(tài)平均值之和，可按式（8）計(jì)算直流側(cè)短路電流的穩(wěn)態(tài)值為IdDP：

7

T/CPSS1007－2018

′（）

IdDP=×=×?33IbDPKIPZbDP··························8

式中：

KPZ——平均值暫態(tài)系數(shù)，可按圖2查??；

IbDP——橋臂電流周期分量半波平均值。

7)計(jì)算直流側(cè)短路電流的沖擊峰值。

按圖5查取沖擊電流倍數(shù)，取其1/2為三相橋式變流器系統(tǒng)的沖擊電流。查曲線(xiàn)依據(jù)的阻抗

值應(yīng)為支路阻抗Xzh、Rzh，其百分值應(yīng)按支路電勢(shì)Ezh歸算。

4.2.2.2雙反星形帶平衡電抗器接線(xiàn)直流側(cè)短路

從短路回路中阻抗配置的不同情況來(lái)區(qū)分，雙反星形帶平衡電抗器接線(xiàn)的直流側(cè)短路可分為三種情

況：

a)僅有公共阻抗Zg的直流側(cè)短路

當(dāng)整流變壓器閥側(cè)同名相繞組完全交錯(cuò)排列（相互間無(wú)漏抗），而陽(yáng)極回路其它電抗又可以

忽略時(shí)，其支路阻抗為零，則只有公共阻抗Zg。發(fā)生直流側(cè)短路時(shí)，其三相等值電路與圖1所

示的三相橋式接線(xiàn)等值電路一樣。因此對(duì)于直流側(cè)短路電流計(jì)算，可參照4.2.2.1所述的方法處

理。

假定匝比為1，則直流側(cè)短路電流穩(wěn)態(tài)值IdDP、IdDm按式（9）計(jì)算：

662E

a平均值

IIdDP=6bDP=IDm=()

ππZg

23II

或dNdN平均值··························（9）

IdDP=?=1.1()

πZZg*g*

π22E

I=II=2=a(峰值)

dDmdDPDm

3Zg

式中：

Zg——是公共阻抗，對(duì)于雙反星形帶平衡電抗器接線(xiàn)，公共阻抗在網(wǎng)側(cè)，如果網(wǎng)側(cè)與閥側(cè)之間匝比不為1，

則Zg是利用匝比歸算至閥側(cè)的公共阻抗值。

當(dāng)只有公共阻抗時(shí)，直流側(cè)短路與變壓器二次側(cè)交流三相短路一樣，故短路電流的沖擊峰值idch

按式（10）計(jì)算（假定匝比為1）：

22Ea························（10）

idch=??KIchdDm=Kch

Zg

式中：

Kch——沖擊值暫態(tài)系數(shù)，可按圖2查取。

b)僅有分支阻抗Zzh的直流側(cè)短路

若系統(tǒng)熱容量很大，其阻抗可以忽略，且整流變壓器的繞組布置及結(jié)構(gòu)尺寸，又恰好使得一

次繞組與兩個(gè)同名二次繞組間漏抗之和等于兩二次繞組間的漏抗時(shí)，按三繞組變壓器阻抗歸

算方式計(jì)算后，就出現(xiàn)僅有分支阻抗Zzh的情況。

如果公共阻抗Zg可以忽略，僅考慮分支阻抗Zzh，則直流側(cè)短路電流的平均值IdDP為各橋臂電流

平均值之和，可由式（11）計(jì)算：

8

T/CPSS1007－2018

2E

a························（11）

IIKdDP=6bDP=6PZ?

πZzh

式中：

KPZ——平均值暫態(tài)系數(shù)，可按圖2查取。

短路電流的沖擊峰值可按圖5曲線(xiàn)確定。由分支阻抗的百分值（以整流變壓器額定參數(shù)為基

準(zhǔn)），從圖5可直接查出短路電流峰值的倍數(shù)，及峰值出現(xiàn)的時(shí)間（電角度）。

051015202530354045idch/IDN

020406080100idch/√2I2N

1213119876Xzh%

ψR(shí)zh%

10

8

zh6

/R

zh

X

4

2

0

190230270(電角度)(?)

從短路開(kāi)始至峰值出現(xiàn)時(shí)的電角度

圖5直流側(cè)短路峰值電流與阻抗的關(guān)系

c)兼有公共阻抗Zg和分支阻抗Zzh的直流側(cè)短路

當(dāng)整流臂總阻抗較大，網(wǎng)側(cè)阻抗也不可忽略時(shí)，應(yīng)作為兼有公共阻抗和分支阻抗來(lái)處理。

當(dāng)兼有公共阻抗和分支阻抗時(shí)，雙反星形帶平衡電抗器接線(xiàn)整流裝置直流側(cè)短路的等值電路變

換過(guò)程如圖6所示。直流側(cè)短路時(shí)，六個(gè)整流臂都向短路點(diǎn)饋入電流，因此可按式（12）計(jì)算

直流側(cè)短路電流的穩(wěn)態(tài)平均值IdDP：

2Ezh························（12）

IIKdDP=6bDP=6PZ?

πZzh

式中：

Ezh——分支阻抗兩端的支路電壓；

Zzh——分支阻抗；

KPZ——平均值暫態(tài)系數(shù)，可按圖2查取。

采用4.2.2.1條列項(xiàng)b)直流側(cè)短路電流的分析方法，先按圖4確定等效分支阻抗ZDx，然后確定支

路電動(dòng)勢(shì)Ezh，進(jìn)而確定整流臂電流穩(wěn)態(tài)平均值IbDP和直流側(cè)短路電流的穩(wěn)態(tài)平均值IdDP。

直流側(cè)短路電流沖擊峰值仍按圖5的曲線(xiàn)確定，圖中阻抗的百分值應(yīng)按Ezh換算。

9

T/CPSS1007－2018

0

閥側(cè)Ⅰ閥側(cè)Ⅰ

b

網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)

0平衡電抗器

閥側(cè)Ⅱ閥側(cè)Ⅱ

a

分離為兩個(gè)獨(dú)立換相回路

(a)直流側(cè)短路電路0(b)

公共阻抗Zg

3×

(近似)

分支阻抗Zzh

轉(zhuǎn)換為三相橋式直流側(cè)短路三個(gè)獨(dú)立的等值回路

(c)(d)

圖6雙反星形帶平衡電抗器直流側(cè)短路等值電路的變換過(guò)程（兼有公共阻抗和分支阻抗時(shí)）

4.2.2.3確定公共阻抗和分支阻抗

計(jì)算直流側(cè)短路電流時(shí)，網(wǎng)側(cè)供電系統(tǒng)阻抗，屬于公共阻抗Zg。

對(duì)于三相橋式接線(xiàn)，整流變壓器阻抗屬于公共阻抗，橋臂阻抗屬于分支阻抗。通常橋臂阻抗較小，

可按僅有公共阻抗處理。

對(duì)于雙反星形帶平衡電抗器接線(xiàn)，除陽(yáng)極線(xiàn)路阻抗屬于分支阻抗外，應(yīng)區(qū)分整流變壓器的公共阻抗

和分支阻抗，可通過(guò)兩個(gè)試驗(yàn)獲得這種接線(xiàn)整流變壓器的公共阻抗和分支阻抗數(shù)值：

——短接閥側(cè)一個(gè)星形繞組，網(wǎng)側(cè)在額定電流下進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果為公共阻抗與分支阻抗之和，

即Zg+Zzh；

——將兩個(gè)反星形繞組全部短接，網(wǎng)側(cè)在額定電流下進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果為公共阻抗與一半支路阻

1

抗之和，即Zg+Zzh；

2

——聯(lián)立兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，可確定整流變壓器的公共阻抗Zg和分支阻抗Zzh。

4.2.3直流側(cè)經(jīng)電抗器后短路的故障電流

對(duì)于三相橋式變流器，當(dāng)變流器輸出接直流電抗器，且短路發(fā)生在直流電抗器之后，在分析直流側(cè)

短路電流時(shí)，可將變流器等效成帶內(nèi)阻的直流電源，其等效電路模型如圖7所示。直流側(cè)突發(fā)短路時(shí)，

短路電流idf按式（13）計(jì)算：

U?+(RR)tL/

=d?Srr························（13）

idf(1e)

RRSr+

式中：

10

T/CPSS1007－2018

Ud——三相橋式變流器直流輸出電壓的平均值；

3X

Rs——系統(tǒng)的等效內(nèi)阻，其值取決于折算到整流變二次側(cè)的系統(tǒng)漏電抗，即R=B；

Sπ

Rr——直流電抗器的電阻；

Lr——直流電抗器的電感；

T——短路持續(xù)的時(shí)間。

RSLrRr

+

idf

Ud

-

圖7三相橋式變流器經(jīng)直流電抗器后短路的等效電路模型

對(duì)于大功率的三相橋式變流器，發(fā)生短路時(shí)，變流器以3個(gè)橋臂和4各橋臂輪流導(dǎo)通的運(yùn)行方式。從

交流側(cè)看，相當(dāng)于交流兩相和三相短路交替轉(zhuǎn)換的過(guò)程。此種情況下，可由式（14）計(jì)算變流器的直流

輸出電壓的平均值Ud：

9ωL

S························（14）

UUd=3d0cos(αp?30°?)id

π

式中：

αp——強(qiáng)制觸發(fā)角；

LS——交流系統(tǒng)每相等值電感；

ω——系統(tǒng)基波角頻率；

Ud0——不計(jì)換相且觸發(fā)角為零時(shí)的變流器整流電壓平均值，即理想空載直流電壓，其值為交流系統(tǒng)等值電源線(xiàn)電

壓有效值的1.35倍。

短路故障導(dǎo)致高壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，變流器僅起到續(xù)流作用，此時(shí)電路為一階零輸入響應(yīng)，其等效的電

路模型如圖8所示。短路電流idf按式（15）計(jì)算：

??U?+(RRt)/L

iI=?=eRtrr//Ld1e?eSr0r?RtrrL························（15）

dfdf(tt=0)()

RRSr+

式中：

t0——短路故障發(fā)生到高壓開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)刻所需的時(shí)間；

I——高壓開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的短路電流值。

df(tt=0)

r

LRr

idf

圖8高壓開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后的等效電路模型

11

T/CPSS1007－2018

綜合高壓開(kāi)關(guān)斷開(kāi)前后短路電流的表達(dá)式，按式（16）計(jì)算直流電抗器后短路時(shí)變流器直流側(cè)的短

路電流idf：

U?+(RR)tL/

d1?∈eSrrtt[0,]

RR+()0

Sr·······················（16）

idf=

U?+(RRt)/L?

d1?eSr0r?eRtrr/Ltt∈∞[,]

()0

RRSr+

4.3試驗(yàn)環(huán)境條件

試驗(yàn)推薦在以下條件下進(jìn)行：

a)溫度：5℃~35℃；

b)相對(duì)濕度：45%~75%（或最高以不出現(xiàn)凝露為準(zhǔn)）；

c)氣壓：86kPa~106kPa。

5動(dòng)穩(wěn)定能力試驗(yàn)

5.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

動(dòng)穩(wěn)定能力試驗(yàn)用于檢驗(yàn)變流器的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)短路電動(dòng)力的承受能力，變流器能否有電氣損傷由使

用方和生產(chǎn)方協(xié)商。

5.2試驗(yàn)方法

對(duì)于允許變流器組件電氣損傷的動(dòng)穩(wěn)定能力試驗(yàn)，為方便控制和確保試驗(yàn)電流達(dá)到測(cè)試要求，本試

驗(yàn)可采用器件等效的試驗(yàn)方法。例如用二極管替代可控的半導(dǎo)體器件；用鋁錠替代快速熔斷器（如果存

在）。

對(duì)于大功率變流器，動(dòng)穩(wěn)定能力試驗(yàn)可采用圖9所示的測(cè)試電路，變流器輸出端直接短路，脈沖變

壓器給被試變流器供電，在脈沖變壓器回路中接入分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)、選相合閘開(kāi)關(guān)和調(diào)壓阻抗。調(diào)壓阻抗應(yīng)能

調(diào)整到滿(mǎn)足規(guī)定試驗(yàn)電流的條件，電流傳感器安裝在變流器的輸出端，其測(cè)量范圍應(yīng)滿(mǎn)足測(cè)試要求。分

斷開(kāi)關(guān)用于切斷試驗(yàn)電源，控制試驗(yàn)電流的耐受時(shí)間。

電流

分?jǐn)噙x相合閘調(diào)壓脈沖傳感器

開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)阻抗變壓器

被試

電源變流器

圖9動(dòng)穩(wěn)定能力試驗(yàn)的測(cè)試電路

在圖9中，變流器的輸入回路也可采用其他連接方式，但測(cè)試電路中的電源應(yīng)有足夠容量以保證被

試變流器的動(dòng)穩(wěn)定性能夠得到驗(yàn)證。

5.3測(cè)試流程

5.3.1計(jì)算試驗(yàn)電流對(duì)應(yīng)的調(diào)壓阻抗接入值

12

T/CPSS1007－2018

試驗(yàn)前應(yīng)計(jì)算試驗(yàn)電流所對(duì)應(yīng)的調(diào)壓阻抗值。在X/R>10的感性回路中，計(jì)算沖擊電流時(shí)回路電阻

R可忽略不計(jì)，沖擊電流ich按式（17）計(jì)算：

22EEaa························（17）

iKch=ch?≈?Kch

22

XXTZ+

R++(XXTZ)

式中：

Kch——短路沖擊系數(shù)；

Ea——變流器交流輸入電壓的相電壓有效值；

R——回路電阻值，通常忽略不計(jì)；

XT——回路的電抗；

XZ——調(diào)壓阻抗歸算到脈沖變壓器閥側(cè)的電抗值。

調(diào)壓阻抗的電感值LZ可按式（18）計(jì)算：

Xk?2

L=Z························（18）

Z2πf

式中：

k——脈沖變壓器的變比；

f——交流電的頻率。

5.3.2試驗(yàn)電路整定

試驗(yàn)電路整定時(shí)采用內(nèi)阻與被試變流器相當(dāng)?shù)倪B接排代替被試變流器，將脈沖變壓器輸出端短接，

調(diào)整調(diào)壓阻抗的接入值、選相合閘開(kāi)關(guān)的合閘角以及分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)的分?jǐn)嘌訒r(shí)，以獲得滿(mǎn)足規(guī)定的短路試驗(yàn)

電流峰值和耐受時(shí)間。

在不超過(guò)30%短路電流的情況下，進(jìn)行小電流試驗(yàn)，校驗(yàn)測(cè)量和采集設(shè)備，校準(zhǔn)選相合閘角和分?jǐn)?/p>

延時(shí)。

結(jié)合5.3.1計(jì)算的調(diào)壓阻抗值和小電流試驗(yàn)的情況，確定調(diào)壓阻抗的接入值，并將調(diào)壓阻抗調(diào)整到適

合調(diào)壓阻抗接入值的位置，進(jìn)行100%短路電流試驗(yàn)。

若短路電流峰值與規(guī)定值偏差超出表1的規(guī)定值，則微調(diào)調(diào)壓阻抗的接入值，重復(fù)測(cè)試，直至輸出

電流峰值達(dá)到規(guī)定的要求。

5.3.3測(cè)量絕緣電阻

用絕緣電阻測(cè)試儀，測(cè)量被試變流器主回路對(duì)地的絕緣電阻。

試驗(yàn)中施加的電壓由委托方提供。

按照－中判斷試品的絕緣電阻值是否滿(mǎn)足絕緣要求。對(duì)于電壓UM不超

GB/T3859.120137.2.3.12

過(guò)的，絕緣電阻不得小于；電壓UM超過(guò)時(shí)，絕緣電阻應(yīng)大于。

1000V1MΩ21000V1000Ω/V

若絕緣電阻不滿(mǎn)足其絕緣要求，則不能對(duì)其進(jìn)行過(guò)電流能力試驗(yàn)。

5.3.4記錄試品的初始狀態(tài)

在被試變流器機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位（匯流排或支路的連接處等）和支撐的關(guān)鍵位置，做好標(biāo)記，并

且記錄標(biāo)記位置的初始形態(tài)。

5.3.5小電流試驗(yàn)

回路小電流（不超過(guò)短路電流的30%）試驗(yàn)，以檢驗(yàn)測(cè)量和采集設(shè)備、核定試驗(yàn)電流。

13

T/CPSS1007－2018

5.3.6100%短路電流試驗(yàn)

調(diào)壓阻抗調(diào)到適合調(diào)壓阻抗接入值的位置，對(duì)試品進(jìn)行A相100%短路電流試驗(yàn)。

運(yùn)行結(jié)束后，觀察試品及其關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)有無(wú)變形或損壞。若有非彈性形變或損壞，則試品不合

格，終止試驗(yàn)；否則試驗(yàn)繼續(xù)。

至少間隔20min，對(duì)試品進(jìn)行B相100%短路電流試驗(yàn)。

運(yùn)行結(jié)束后，觀察被試變流器及其關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)有無(wú)變形或損壞。若有非彈性形變或損壞，則試

品不合格，終止試驗(yàn)；否則試驗(yàn)繼續(xù)。

至少間隔20min，對(duì)試品進(jìn)行C相100%短路電流試驗(yàn)。

運(yùn)行結(jié)束后，記錄標(biāo)記位置的最終狀態(tài)。

5.3.7空載試驗(yàn)

對(duì)于不允許電氣組件損壞的變流器，短路電流試驗(yàn)之后，對(duì)被試變流器施加額定電壓，進(jìn)行空載試

驗(yàn)，以檢驗(yàn)被試變流器在耐受規(guī)定的短路電流沖擊之后，其半導(dǎo)體器件是否均仍保持其阻斷特性。

5.4合格判定準(zhǔn)則

對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定能力試驗(yàn)，如果試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足以下條件，則試驗(yàn)合格：

a)測(cè)試電流及其耐受時(shí)間滿(mǎn)足試驗(yàn)要求；

b)測(cè)量結(jié)果的偏差應(yīng)不超過(guò)表1的規(guī)定值；

c)在耐受符合要求的短路電流沖擊之后，變流器的機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)非彈性形變或損壞。

6熱穩(wěn)定能力試驗(yàn)

6.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

熱穩(wěn)定能力試驗(yàn)用于檢驗(yàn)變流器及其組件對(duì)短路電流熱效應(yīng)的耐受能力。

6.2試驗(yàn)方法

6.2.1直接試驗(yàn)法

直接試驗(yàn)法可采用圖10（b）所示的測(cè)試電路，用變壓器給被試變流器供電，變壓器回路接分?jǐn)嚅_(kāi)

關(guān)和調(diào)壓阻抗，被試變流器的輸出端接電抗器，通過(guò)閉合短路開(kāi)關(guān)形成電抗器后短路。

利用大電阻負(fù)載，確保被試變流器各并聯(lián)支路的半導(dǎo)體器件在小電流下全導(dǎo)通，然后閉合短路開(kāi)關(guān)

實(shí)現(xiàn)對(duì)被試變流器的短路沖擊；通過(guò)分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)控制試驗(yàn)電流的耐受時(shí)間。

在圖10（b）中，變流器的輸入回路也可有其他連接方式，但測(cè)試電路中的電源應(yīng)有足夠的容量以

保證被試變流器對(duì)電抗器后短路故障抑制能力能夠得到驗(yàn)證。

14

T/CPSS1007－2018

分?jǐn)嗾{(diào)壓脈沖電流傳感器

開(kāi)關(guān)阻抗變壓器短

被試負(fù)路

電源變流器載開(kāi)

控制器關(guān)

(a)不帶直流電抗器的短路

分?jǐn)嗾{(diào)壓脈沖電抗器

開(kāi)關(guān)阻抗變壓器

短

被試負(fù)路

電流傳感器

電源變流器載開(kāi)

控制器關(guān)

直流電抗器后短路

(b)

圖10直接試驗(yàn)法的測(cè)試電路

6.2.2等效試驗(yàn)法

6.2.2.1等效試驗(yàn)法方法介紹

對(duì)于短路容量可達(dá)上百兆伏安的大功率變流器，試驗(yàn)電源很難直接滿(mǎn)足直流電抗器后短路試驗(yàn)的要

求，一般采用等效試驗(yàn)法，即驗(yàn)證變流器上單個(gè)半導(dǎo)體器件和快速熔斷器對(duì)最大支路短路電流的耐受能

力。

等效試驗(yàn)法是將全功率下變流器的直流電抗器后短路試驗(yàn)分解成動(dòng)態(tài)均流試驗(yàn)和額定電壓下單個(gè)

半導(dǎo)體器件短路試驗(yàn)。

6.2.2.2等效試驗(yàn)法——?jiǎng)討B(tài)均流試驗(yàn)

在動(dòng)態(tài)均流試驗(yàn)中，可采用圖10（a）所示的測(cè)試電路，施加的試驗(yàn)電流峰值及其上升時(shí)間應(yīng)與被

試變流器實(shí)際短路電流一致，且試驗(yàn)條件應(yīng)能模擬變流器實(shí)際運(yùn)行時(shí)的最嚴(yán)重情況。

在圖10（a）中，變流器的輸入回路也可采用其他連接方式，但試驗(yàn)電源應(yīng)有足夠容量以保證被試

變流器的動(dòng)態(tài)均流特性能夠得以驗(yàn)證。

試驗(yàn)后，利用橋臂支路電流和式（19）計(jì)算各橋臂的動(dòng)態(tài)均流系數(shù)KI：

∑

Ii························（19）

KI=

nIpM?

式中：

∑Ii——被測(cè)橋臂各并聯(lián)支路電流之和；

IM——被測(cè)橋臂中最大的支路電流；

np——被測(cè)橋臂的并聯(lián)支路數(shù)。

取最小的動(dòng)態(tài)均流系數(shù)，進(jìn)而確定單個(gè)半導(dǎo)體器件承受的最大短路電流IMmax，按式（20）計(jì)算：

∑I

i························（20）

IMmax=

nKp?Imin

式中：

IMmax——單個(gè)半導(dǎo)體器件承受的最大短路電流；

KImin——變流器的最小動(dòng)態(tài)均流系數(shù)，取自動(dòng)態(tài)均流試驗(yàn)結(jié)果或由制造商規(guī)定。

15

T/CPSS1007－2018

6.2.2.3額定電壓下單個(gè)半導(dǎo)體器件短路試驗(yàn)

額定電壓下單個(gè)半導(dǎo)體器件短路試驗(yàn)可采用圖11所示的測(cè)試電路，整流變壓器的輸出電壓應(yīng)能夠滿(mǎn)

足變流器額定輸入電壓的要求，電源和負(fù)載應(yīng)能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)電流條件，試驗(yàn)電流的峰值由直流電抗器后

短路的動(dòng)態(tài)均流試驗(yàn)獲得，峰值耐受時(shí)間由制造商規(guī)定，試驗(yàn)電流在整個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的熱累積應(yīng)是實(shí)際

短路故障中最大支路電流產(chǎn)生的熱累積的1.0~1.1倍。

分?jǐn)嗾麟娏鱾鞲衅?/p>

電抗器

開(kāi)關(guān)變壓器

被試開(kāi)

電源變流器

負(fù)載關(guān)

控制器

圖11額定電壓下單個(gè)半導(dǎo)體器件短路試驗(yàn)的測(cè)試電路

在試驗(yàn)中，被試變流器的每個(gè)橋臂上僅一個(gè)支路的半導(dǎo)體器件被觸發(fā)導(dǎo)通，其余并聯(lián)支路的半導(dǎo)體

器件均處于阻斷狀態(tài)。

6.3測(cè)試流程

6.3.1直接試驗(yàn)法的測(cè)試流程

6.3.1.1選擇合適的調(diào)壓阻抗

利用試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)、試驗(yàn)電流參數(shù)以及直流電抗器（如有）參數(shù)，按式（21）計(jì)算調(diào)壓阻抗的等效

內(nèi)阻：

1.35U?++(RRR)tL/

=2?SZrdd························（21）

It(1e)

RRS++ZrRd

式中：

It——直流側(cè)試