● 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——B0D(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。

●       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 Base Electronics)，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。

● 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)。

● LTT换流阀

20世纪90年代后半期，西门子在上述L1TT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。

● 结语

商用的高压直流输电已有6O年的发展历史，今天广泛使用的晶闸管换流阀也已有3O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(24～3O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。