整流設(shè)備的保護(hù)

1、一 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)1.1 過電壓及其產(chǎn)生的原因整流設(shè)備晶閘管能夠承受的最大峰值電壓是重要參數(shù)之一，該參數(shù)表征晶閘管承受過電壓的能力。過電壓主要是指電氣系統(tǒng)內(nèi)部合閘、分閘和電力電子器件的關(guān)斷等原因造成的操作過電壓。例如，降壓變壓器初次合閘時(shí)，初級(jí)施加的高壓會(huì)通過初、次級(jí)繞組間的分布電容耦合到次級(jí)，使之出現(xiàn)感應(yīng)過電壓；交、直流側(cè)的分閘操作切斷電感回路電流時(shí)，會(huì)因電感釋放磁場儲(chǔ)能而形成數(shù)倍額定電壓的過電壓；在晶閘管管斷過程中，因反向電流迅速減小。回路電感中會(huì)產(chǎn)生很高的換相過電壓。除了操作過電壓外，還有由于雷擊等外部因素侵入電網(wǎng)的偶然性的浪涌過電壓，過電壓倍數(shù)會(huì)很高。采取過電壓保護(hù)措施后，會(huì)

2、使經(jīng)常發(fā)生的操作過電壓限制在器件額定電壓以下，偶然性的浪涌電壓限制在其間的斷態(tài)和反向不重復(fù)峰值電壓數(shù)值以下。過電壓保護(hù)措施有基于吸收原理的阻容保護(hù)和基于泄放原理的非線性元件保護(hù)兩種，其目的都是為將過電壓限制在允許范圍之內(nèi)。1.2 阻容保護(hù)及參數(shù)計(jì)算 交流側(cè)阻容保護(hù)參數(shù)計(jì)算為吸收變壓器釋放出來的磁場能量，可在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻和電容吸收保護(hù)，接線形式如圖1-1。由于電容量端的電壓不能突變，可以快速吸收造成過電壓的磁場能量，電阻可以起阻尼作用，并可在電磁過程中消耗造成過電壓的能量。圖1中交流側(cè)阻容保護(hù)元件為、，其參數(shù)的計(jì)算與整流器的容量有關(guān)。圖1-1 阻容保護(hù)電路（1）單相變壓器或三相小功率變壓

3、器（以下），（）可由下式計(jì)算：式中，為整流變壓器的等值容量，為臂反向峰值電壓，為計(jì)算系數(shù)，見表1-1，可按整流電路接線形式和阻容保護(hù)接線方式選取。表1-1 計(jì)算系數(shù)電路形式單相三相保護(hù)電路（星形接法）三相保護(hù)電路（三角形接法）雙拍雙拍單拍雙拍雙拍單拍注：單拍電路指各種半波整流電路；雙拍電路指各種橋式整流電路阻尼電阻（）可由下式計(jì)算：式中，為電源頻率，。當(dāng)阻容保護(hù)電路接在整流變壓器的初級(jí)時(shí)，仍可用上式計(jì)算的容量，只是此時(shí)的為電網(wǎng)電壓峰值。如果整流變壓器為降壓型，吸收電路介于初級(jí)時(shí)，的容量減小，但其耐壓值增大。（2）大容量變壓器，阻容吸收裝置中（）的計(jì)算公式為：的阻值（）計(jì)算公式為：的功率（）計(jì)算

4、公式為：以上各式中，為變壓器次級(jí)空載線電壓，為變壓器次級(jí)線電流，為電源頻率，、為計(jì)算系數(shù)，見表1-2，為變壓器勵(lì)磁電流對(duì)額定電流的標(biāo)么值，一般取。表1-2 計(jì)算系數(shù)、電路形式單相橋式三相橋式三相半波三相雙反星形三相保護(hù)電路可為星形連接，也可為三角形鏈接，以上各式適用于星形連接方式。當(dāng)為三角形鏈接方式時(shí)，電容應(yīng)取計(jì)算值的的，而電阻應(yīng)取計(jì)算值的3倍。阻容保護(hù)的電路中，電阻發(fā)熱量較大，也不利于限制晶閘管的電流上升率。為克服上述缺點(diǎn)，可采用如圖1-2所示的整流式阻容保護(hù)電路。圖1-2 整流式阻容保護(hù)電路正常工作時(shí)。保護(hù)的三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級(jí)電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護(hù)元件的

5、發(fā)熱。過電壓出現(xiàn)時(shí)，該整流橋用于提供吸收過電壓能量的通路，電容將吸取的過電壓能量轉(zhuǎn)換為電場能量；過電壓消失后，電容經(jīng)、放電，將儲(chǔ)存的電場能量釋放，逐漸將電壓恢復(fù)到正常值。電容器的電容量可按下式計(jì)算：，用于限制的充電電流，其數(shù)值為：式中，為變壓器每相漏抗，單位為。用于提供放電通路，近似為電路的放電時(shí)間。則為:為使保護(hù)電路盡快恢復(fù)正常狀態(tài)，時(shí)間常數(shù)越小越好，一般取。 直流側(cè)阻容保護(hù)直流側(cè)也有可能發(fā)生過電壓。當(dāng)快速熔斷器熔斷或直流快速開關(guān)切斷時(shí)，因直流側(cè)電抗器釋放儲(chǔ)能，會(huì)在整流器直流輸出端造成過電壓。另外，由于直流側(cè)快速開關(guān)（或熔斷器）切斷負(fù)載電流時(shí)，變壓器釋放的儲(chǔ)能也產(chǎn)生過電壓，盡管交流側(cè)保護(hù)裝置

6、適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)這種過電壓，仍會(huì)通過導(dǎo)通著的晶閘管反應(yīng)到直流側(cè)來，為此，直流側(cè)也應(yīng)裝設(shè)過電壓保護(hù)，用于抑制過電壓保護(hù)。直流側(cè)過電壓抑制電路元件參數(shù)的選擇計(jì)算方法見表1-3。表中，為直流輸出電壓的交流成分中幅值最大的諧波電壓有效值，即最低次諧波幅值；為與相應(yīng)的諧波頻率；是與相應(yīng)的電流有效值。表1-3 直流側(cè)保護(hù)的參數(shù)計(jì)算電路形式單相橋式三相橋式 換相過電壓的抑制晶閘管元件在反向阻斷能力恢復(fù)前，將在反向電壓作用下流過相當(dāng)大的反向恢復(fù)電流。當(dāng)阻斷能力恢復(fù)時(shí)，因反向恢復(fù)電流很快截止，通過回復(fù)電流的電感會(huì)因高電流變化率產(chǎn)生過電壓，即換相過電壓。為使元件免受換相過電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián)電路，如圖1-3

7、所示。圖1-3 換相過電壓的抑制圖1-3中，、用于吸收換相過電壓能量。其中參數(shù)與晶閘管通態(tài)電流有關(guān)。電流愈大，產(chǎn)生的過電壓越高，的容量越大。的計(jì)算公式為：通常取，其功率的計(jì)算式為：式中，為整流器件串聯(lián)時(shí)的個(gè)數(shù)；為整流器件反向電壓的幅值，單位為。有電路兼作均壓和抑制換相過電壓時(shí)，按公式計(jì)算的值應(yīng)與根據(jù)瞬態(tài)均壓所計(jì)算的數(shù)值相比較，在兩者兼顧的基礎(chǔ)上最后決定。1.3 非線性元件保護(hù)用于抑制過電壓的非線性器件具有近似于穩(wěn)壓管的伏安特性，若能把過電壓值限制在一定范圍內(nèi)，對(duì)于浪涌過電壓具有非常有效地抑制作用。 壓敏電阻壓敏電阻是一種常用的非線性元件保護(hù)，其符號(hào)和伏安特性如圖1-4所示，因伏安特性對(duì)稱于原點(diǎn)

8、，故具有雙向限壓作用。壓敏電阻是由氧化鋅、氧化鉍等燒結(jié)而成的非線性電阻元件。具有明顯的擊穿電壓，在施加電壓低于擊穿電壓時(shí)，漏電流僅為毫安級(jí)，損耗??；在施加電壓超過擊穿電壓時(shí)，壓敏電阻擊穿，可以通過很大的浪涌電流，幾乎呈現(xiàn)恒壓特性，其接線圖如圖1-5所示。由于多晶結(jié)構(gòu)，內(nèi)部寄生電容較大，高頻下電容電流將產(chǎn)生附加損耗，不宜用于高頻電路。值得注意的是壓敏電阻擊穿并通過教的浪涌電流之后，其標(biāo)稱電壓有所下降，多次擊穿后將迅速降低，故不宜用于抑制頻繁出現(xiàn)過電壓的場合。 圖1-4 壓敏電阻伏安特性壓敏電阻主要參數(shù)有：標(biāo)稱電壓：漏電流為時(shí)對(duì)應(yīng)的端電壓值，；殘壓：放電電流達(dá)到規(guī)定時(shí)的端電壓，；叫做殘壓比；允許通

9、流量：在規(guī)定的波形下允許通過的浪涌電流，。圖1-5 壓敏電阻保護(hù)電路在使用壓敏電阻時(shí)，參數(shù)的選擇是很重要的。應(yīng)保證在元件的下降到原來的時(shí)，即使電源電壓波動(dòng)達(dá)到最大允許值，壓敏電阻漏電流也不超過。當(dāng)壓敏電阻為星形連接時(shí)，的計(jì)算公式為： 當(dāng)壓敏電阻為三角形連接時(shí)，的計(jì)算公式為： 式中，為計(jì)算系數(shù)，考慮到星形連接時(shí)各元件電壓分配不均，通常取，在選配使用時(shí)取；為電網(wǎng)電壓上升系數(shù)，?。粸閴好綦娮璞Ｗo(hù)裝置外接端電壓有效值。壓敏電阻吸收得過電壓能量應(yīng)小于壓敏電阻的通斷容量，一般中、小型整流器的操作過電壓保護(hù)可選擇，防雷保護(hù)選擇。1.3.2 硒過電壓抑制器硒過電壓抑制器也是一種常用的過電壓保護(hù)器件，它由多片單

10、向?qū)щ姷奈B成。硒過電壓抑制器通常的接法如圖1-6所示。有圖可知，硒過電壓抑制器常采用對(duì)接方法，抑制正、反向過電壓。在其端電壓低于擊穿電壓時(shí)，有較高反向電阻。在其兩端出現(xiàn)高于擊穿電壓的過電壓時(shí)，電阻急劇下降，電流明顯增加，端電壓保持不變。硒片本身具有負(fù)溫度系數(shù)，在保護(hù)過電壓過程中具有正反饋?zhàn)饔?。圖1-6 采用硒堆的過電壓保護(hù)電路硒片伏安特性分散性較大，宜實(shí)測選用。硒過電壓抑制器的硒片數(shù)量由外接電壓決定，其值為：式中，為每片硒片的反向電壓有效值；為硒過電壓抑制器外接端電壓的有效值。直流側(cè)采用非線性元件抑制過電壓時(shí)，參數(shù)選擇可按照上述原則。 轉(zhuǎn)折二極管轉(zhuǎn)折二極管的正向特性有明顯的轉(zhuǎn)折電壓，轉(zhuǎn)折后

11、管壓將很低；反向特性擊穿電壓很低，無承受反向電壓的能力。使用中，為限制轉(zhuǎn)折后的電流，通常采用串聯(lián)二極管的方法。它允許頻繁過電壓轉(zhuǎn)折，但不宜經(jīng)受大的浪涌電流，可與晶閘管組合構(gòu)成擴(kuò)容的限壓電路。1.3.4 對(duì)稱硅過電壓抑制器對(duì)稱硅過電壓抑制器是一種新型的過電壓保護(hù)器件，相當(dāng)于兩個(gè)雪崩二極管的反向串聯(lián)。其特性與壓敏電阻相似，擊穿后的動(dòng)態(tài)電阻低，限壓效果好，允許頻繁轉(zhuǎn)折、響應(yīng)速度快、保護(hù)效果好。1.4 過電壓保護(hù)的設(shè)置按過電壓保護(hù)的部位來分，有交流側(cè)保護(hù)、直流側(cè)保護(hù)和器件保護(hù)。過電壓保護(hù)設(shè)置如圖1-7所示。圖1-7 整流器過電壓保護(hù)設(shè)置圖A 避雷器；B接地電容；C阻容保護(hù)；D整流式阻容保護(hù)；E壓敏電阻

12、保護(hù)；F器件側(cè)阻容保護(hù)對(duì)于因雷電產(chǎn)生的偶然性過電壓，一般可在變壓器的高壓側(cè)加設(shè)避雷器或火花間隙，主要用于保護(hù)變壓器等電力設(shè)備如圖9中A，由高壓電源經(jīng)降壓變壓器供電的變流器，在變壓器網(wǎng)側(cè)合閘瞬間，由于變壓器初級(jí)（網(wǎng)側(cè)）與次級(jí)（閥側(cè)）繞組之間存在分布電容，初級(jí)繞組的高壓電可通過次分布電容耦合到次級(jí)繞組，造成靜電感應(yīng)過電壓，其值可能大大超過次級(jí)正常過電壓。為此可采用附加屏蔽繞組的變壓器或在變壓器和地之間附加電容器，如圖9中B。為限制操作過程中的過電壓，可以設(shè)置阻容保護(hù)或整流式阻容保護(hù)，以吸收回路中電感器件的磁場能量，限制過電壓的值，把操作過電壓抑制在允許范圍之內(nèi)，如圖9中C、D。為抑制交流側(cè)浪涌過電

13、壓的幅值，應(yīng)采用非線性元件保護(hù)，如圖9中E。直流側(cè)可以設(shè)置和交流側(cè)相同的過電壓保護(hù)措施。但對(duì)于快速性要求較高的系統(tǒng)，盡量不要采用直流側(cè)阻容保護(hù)，以免影響快速性指標(biāo)。直流側(cè)過電壓保護(hù)主要是抑制或限制濾波電感的磁場儲(chǔ)能產(chǎn)生的過電壓。近年來，晶閘管泄放電路在直流側(cè)過電壓保護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于元件換相引起的過電壓，目前采用抑制換相過電壓的方法，在晶閘管兩端并聯(lián)適宜的電路，即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。對(duì)稱硅過電壓抑制器是一種新型過電壓保護(hù)器件，其特性適合換相過電壓保護(hù)功能，與晶閘管并聯(lián)連接就可以起到換相過電壓保護(hù)作用。換相過電壓保護(hù)在圖中未顯示出來。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)情況選擇設(shè)置在圖1-7中的部分保護(hù)電路。

14、一般不重復(fù)設(shè)置保護(hù)環(huán)節(jié)，如阻容吸收裝置可選擇C或D，非線性元件保護(hù)可選擇E。二 過電流的產(chǎn)生及過電流保護(hù)2.1 過電流的產(chǎn)生及過電流保護(hù)的作用晶閘管裝置在運(yùn)行時(shí)有可能產(chǎn)生過電流現(xiàn)象。產(chǎn)生過電流的原因可概括為：生產(chǎn)機(jī)械的過載，負(fù)載側(cè)短路，逆變電路的逆變失敗，器件因性能變壞而損壞等。因晶閘管器件的熱容量很小，承受過電流的能力比其它電力裝置小得多，如果過電流數(shù)值過大而切斷稍慢，就會(huì)使其結(jié)溫超過允許值而損壞，因此，為了在故障狀態(tài)下保護(hù)晶閘管裝置的安全，必須采用適宜的過電流保護(hù)措施，在發(fā)生過載和短路時(shí)快速切斷電路或使電流迅速下降，保證晶閘管免受損壞。2.2 過電流保護(hù)的方法及有關(guān)參數(shù)計(jì)算可用作晶閘管裝置

15、過電流保護(hù)的器件有快速熔斷器、過電流繼電器、快速開關(guān)、電子過電流保護(hù)等。合理配置于選擇過電流保護(hù)是能否起到有效保護(hù)作用的關(guān)鍵。 快速熔斷器的參數(shù)計(jì)算和接線方法快速熔斷器是目前廣泛應(yīng)用的保護(hù)措施，起保護(hù)原理和普通熔斷器相似。在發(fā)生過電流時(shí)，利用其快速熔斷特性和晶閘管過載特性相配合，使其先期熔斷并切斷電路，保護(hù)晶閘管?？焖偃蹟嗥骶哂型ㄟ^電流越大，熔斷時(shí)間越短的特點(diǎn)，適合做短路保護(hù)，但不宜做過載保護(hù)?？焖偃蹟嗥髟陔娐分械慕臃ㄈ鐖D2-1所示。圖2-1為交流電源進(jìn)線串聯(lián)快速熔斷器的接線形式，熔斷器用量較少，對(duì)整流器的內(nèi)部、外部故障引起的短路電流均有保護(hù)作用，但對(duì)元件保護(hù)的可靠性稍差；圖2-1為直流輸出側(cè)

16、串聯(lián)快速熔斷器方式，對(duì)外部故障引起的短路電流起保護(hù)作用，快速熔斷器的用量少，但該方法對(duì)整流器的內(nèi)部故障不起保護(hù)作用，對(duì)元件保護(hù)可靠性較差；圖2-1為每只晶閘管都與一個(gè)快速熔斷器相串聯(lián)，該方法對(duì)所有的短路故障有保護(hù)作用，但所用的快速熔斷器的數(shù)量較多。圖2-1 快速熔斷器的連接方法在選擇快速熔斷的額定參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量使其額定電壓等于或略大于工作電壓?？焖偃蹟嗥鞯念~定電流為有效值，當(dāng)通過快速熔斷器的電流為時(shí)，在內(nèi)不會(huì)熔斷；如果通過快速熔斷器的電流為的6倍，在以內(nèi)就可以熔斷。設(shè)電路正常狀態(tài)通過快速熔斷器的電流有效職位，則應(yīng)按下式選擇：式中，為晶閘管的額定電流。在一般電控系統(tǒng)中，常采用過流信號(hào)切除觸發(fā)脈沖

17、的方法，再配合使用快速熔斷器保護(hù)?？焖偃蹟嗥鲗儆谝淮涡允褂玫钠骷?，不能重復(fù)使用，且其價(jià)格較高，更換不方便，通常作為過電流保護(hù)的一種可靠性措施。 電子過電流保護(hù)裝置利用電子裝置可組合為具有繼電器特性的電子過電流保護(hù)裝置，電路構(gòu)成如圖2-2所示。由電流檢測環(huán)節(jié)（如電流傳感器）監(jiān)視系統(tǒng)電流，形成輸入信號(hào)，再將電流信號(hào)經(jīng)整流轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)送至電壓比較器，與過流整定值比較。發(fā)生過在或短路時(shí)，電流信號(hào)超過整定值，電壓比較器輸出高電平，控制門封鎖觸發(fā)系統(tǒng)，使晶閘管迅速阻斷；或?qū)⒂|發(fā)脈沖迅速后移，使整流器立即轉(zhuǎn)入有源逆變狀態(tài)，釋放出存在電感中的能量，直到逆變結(jié)束，整流器停止工作。在正常工作情況下，電流信號(hào)

18、值小于過電流整定值，電壓比較器輸出低電平，控制門開放，觸發(fā)系統(tǒng)受給定電壓的控制，電路正常工作。電子保護(hù)電路的特點(diǎn)時(shí)動(dòng)作迅速準(zhǔn)確，動(dòng)作時(shí)間一般不超過。隨著新型電力傳感的應(yīng)用，電子保護(hù)更加完善。圖2-2 電子過電流保護(hù)裝置原理圖2.2.3 直流快速開關(guān)在大容量和中容量的設(shè)備中常用直流快速開關(guān)作為直流側(cè)的過載和短路保護(hù)。直流快速開關(guān)動(dòng)作時(shí)間只有，全部分?jǐn)嚯娀〉臅r(shí)間不超過，是目前較好的直流側(cè)過電流保護(hù)裝置。其額定電壓、額定電流不小于變流裝置的額定值。2.2.4 過流繼電器與自動(dòng)開關(guān)在交流側(cè)或在直流側(cè)都可接入過電流繼電器，在發(fā)生過流故障時(shí)動(dòng)作，切斷交流輸入端的自動(dòng)開關(guān)。由于過流繼電器的動(dòng)作和自動(dòng)開關(guān)的跳

19、閘都要有一定的時(shí)間（約）,故必須設(shè)法限制短路電流。只有在短路電流不大的情況下，它們才能起到保護(hù)晶閘管的作用。2.3 過電流保護(hù)的設(shè)置交流側(cè)應(yīng)設(shè)置作用于電源開關(guān)自動(dòng)跳閘的過電流繼電器，用于保護(hù)整體系統(tǒng)。為保護(hù)晶閘管，應(yīng)設(shè)進(jìn)線電抗器限流并設(shè)快速熔斷器。大中型晶閘管變流器可用直流快速開關(guān)作為直流側(cè)過載、過電流保護(hù)，發(fā)生故障時(shí)，要求先于快速熔斷器動(dòng)作，避免快速熔斷器熔斷。在比較重要或易發(fā)生故障的裝置中，交流或交流側(cè)設(shè)電子過流保護(hù)，作用于觸發(fā)脈沖快速移相或封鎖脈沖。大型變流裝置可選用霍爾效應(yīng)磁場補(bǔ)償式電流傳感器。圖2-3 各種過電流保護(hù)措施快速熔斷器是應(yīng)用最普遍的過電流保護(hù)措施。在一些小型電力電子裝置中作為主要的保護(hù)措施；在一些容量較大的裝置中，作為防止晶閘管損壞的最后措施。在和其他保護(hù)配合實(shí)用的場合，為避免經(jīng)常更換快速熔斷器，動(dòng)作配合要適當(dāng)，應(yīng)盡量使其他保護(hù)先動(dòng)作，并確保晶閘管安全。晶閘管整流裝置可能采用的幾種過電流保護(hù)措施如圖2-3所示，圖中未畫出動(dòng)作于電源開關(guān)自動(dòng)跳閘的電源保護(hù)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可選用其中的一部分。設(shè)計(jì)結(jié)論本文主要是論述過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)產(chǎn)生的原因，