整流設備的保護

1、一 過電壓的產生及過電壓保護1.1 過電壓及其產生的原因整流設備晶閘管能夠承受的最大峰值電壓是重要參數之一，該參數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)內部合閘、分閘和電力電子器件的關斷等原因造成的操作過電壓。例如，降壓變壓器初次合閘時，初級施加的高壓會通過初、次級繞組間的分布電容耦合到次級，使之出現(xiàn)感應過電壓；交、直流側的分閘操作切斷電感回路電流時，會因電感釋放磁場儲能而形成數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?；芈冯姼兄袝a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的偶然性的浪涌過電壓，過電壓倍數會很高。采取過電壓保護措施后，會

2、使經常發(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)和反向不重復峰值電壓數值以下。過電壓保護措施有基于吸收原理的阻容保護和基于泄放原理的非線性元件保護兩種，其目的都是為將過電壓限制在允許范圍之內。1.2 阻容保護及參數計算 交流側阻容保護參數計算為吸收變壓器釋放出來的磁場能量，可在變壓器二次側并聯(lián)電阻和電容吸收保護，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中交流側阻容保護元件為、，其參數的計算與整流器的容量有關。圖1-1 阻容保護電路（1）單相變壓器或三相小功率變壓

3、器（以下），（）可由下式計算：式中，為整流變壓器的等值容量，為臂反向峰值電壓，為計算系數，見表1-1，可按整流電路接線形式和阻容保護接線方式選取。表1-1 計算系數電路形式單相三相保護電路（星形接法）三相保護電路（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（）可由下式計算：式中，為電源頻率，。當阻容保護電路接在整流變壓器的初級時，仍可用上式計算的容量，只是此時的為電網電壓峰值。如果整流變壓器為降壓型，吸收電路介于初級時，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（）的計算公式為：的阻值（）計算公式為：的功率（）計算

4、公式為：以上各式中，為變壓器次級空載線電壓，為變壓器次級線電流，為電源頻率，、為計算系數，見表1-2，為變壓器勵磁電流對額定電流的標么值，一般取。表1-2 計算系數、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。當為三角形鏈接方式時，電容應取計算值的的，而電阻應取計算值的3倍。阻容保護的電路中，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，可采用如圖1-2所示的整流式阻容保護電路。圖1-2 整流式阻容保護電路正常工作時。保護的三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護元件的

5、發(fā)熱。過電壓出現(xiàn)時，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換為電場能量；過電壓消失后，電容經、放電，將儲存的電場能量釋放，逐漸將電壓恢復到正常值。電容器的電容量可按下式計算：，用于限制的充電電流，其數值為：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間。則為:為使保護電路盡快恢復正常狀態(tài)，時間常數越小越好，一般取。 直流側阻容保護直流側也有可能發(fā)生過電壓。當快速熔斷器熔斷或直流快速開關切斷時，因直流側電抗器釋放儲能，會在整流器直流輸出端造成過電壓。另外，由于直流側快速開關（或熔斷器）切斷負載電流時，變壓器釋放的儲能也產生過電壓，盡管交流側保護裝置

6、適當地保護這種過電壓，仍會通過導通著的晶閘管反應到直流側來，為此，直流側也應裝設過電壓保護，用于抑制過電壓保護。直流側過電壓抑制電路元件參數的選擇計算方法見表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；為與相應的諧波頻率；是與相應的電流有效值。表1-3 直流側保護的參數計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前，將在反向電壓作用下流過相當大的反向恢復電流。當阻斷能力恢復時，因反向恢復電流很快截止，通過回復電流的電感會因高電流變化率產生過電壓，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。其中參數與晶閘管通態(tài)電流有關。電流愈大，產生的過電壓越高，的容量越大。的計算公式為：通常取，其功率的計算式為：式中，為整流器件串聯(lián)時的個數；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，按公式計算的值應與根據瞬態(tài)均壓所計算的數值相比較，在兩者兼顧的基礎上最后決定。1.3 非線性元件保護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，對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，其符號和伏安特性如圖1-4所示，因伏安特性對稱于原點

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，漏電流僅為毫安級，損耗小；在施加電壓超過擊穿電壓時，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。由于多晶結構，內部寄生電容較大，高頻下電容電流將產生附加損耗，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有：標稱電壓：漏電流為時對應的端電壓值，；殘壓：放電電流達到規(guī)定時的端電壓，；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 壓敏電阻保護電路在使用壓敏電阻時，參數的選擇是很重要的。應保證在元件的下降到原來的時，即使電源電壓波動達到最大允許值，壓敏電阻漏電流也不超過。當壓敏電阻為星形連接時，的計算公式為： 當壓敏電阻為三角形連接時，的計算公式為： 式中，為計算系數，考慮到星形連接時各元件電壓分配不均，通常取，在選配使用時??；為電網電壓上升系數，??；為壓敏電阻保護裝置外接端電壓有效值。壓敏電阻吸收得過電壓能量應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可選擇，防雷保護選擇。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器件，它由多片單

10、向導電的硒片疊成。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接方法，抑制正、反向過電壓。在其端電壓低于擊穿電壓時，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，電阻急劇下降，電流明顯增加，端電壓保持不變。硒片本身具有負溫度系數，在保護過電壓過程中具有正反饋作用。圖1-6 采用硒堆的過電壓保護電路硒片伏安特性分散性較大，宜實測選用。硒過電壓抑制器的硒片數量由外接電壓決定，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。直流側采用非線性元件抑制過電壓時，參數選擇可按照上述原則。 轉折二極管轉折二極管的正向特性有明顯的轉折電壓，轉折后

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折，但不宜經受大的浪涌電流，可與晶閘管組合構成擴容的限壓電路。1.3.4 對稱硅過電壓抑制器對稱硅過電壓抑制器是一種新型的過電壓保護器件，相當于兩個雪崩二極管的反向串聯(lián)。其特性與壓敏電阻相似，擊穿后的動態(tài)電阻低，限壓效果好，允許頻繁轉折、響應速度快、保護效果好。1.4 過電壓保護的設置按過電壓保護的部位來分，有交流側保護、直流側保護和器件保護。過電壓保護設置如圖1-7所示。圖1-7 整流器過電壓保護設置圖A 避雷器；B接地電容；C阻容保護；D整流式阻容保護；E壓敏電阻

12、保護；F器件側阻容保護對于因雷電產生的偶然性過電壓，一般可在變壓器的高壓側加設避雷器或火花間隙，主要用于保護變壓器等電力設備如圖9中A，由高壓電源經降壓變壓器供電的變流器，在變壓器網側合閘瞬間，由于變壓器初級（網側）與次級（閥側）繞組之間存在分布電容，初級繞組的高壓電可通過次分布電容耦合到次級繞組，造成靜電感應過電壓，其值可能大大超過次級正常過電壓。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，可以設置阻容保護或整流式阻容保護，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，如圖9中C、D。為抑制交流側浪涌過電

13、壓的幅值，應采用非線性元件保護，如圖9中E。直流側可以設置和交流側相同的過電壓保護措施。但對于快速性要求較高的系統(tǒng)，盡量不要采用直流側阻容保護，以免影響快速性指標。直流側過電壓保護主要是抑制或限制濾波電感的磁場儲能產生的過電壓。近年來，晶閘管泄放電路在直流側過電壓保護中得到了廣泛應用。對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，即可實現(xiàn)保護功能。對稱硅過電壓抑制器是一種新型過電壓保護器件，其特性適合換相過電壓保護功能，與晶閘管并聯(lián)連接就可以起到換相過電壓保護作用。換相過電壓保護在圖中未顯示出來。在實際應用中，可根據情況選擇設置在圖1-7中的部分保護電路。

14、一般不重復設置保護環(huán)節(jié)，如阻容吸收裝置可選擇C或D，非線性元件保護可選擇E。二 過電流的產生及過電流保護2.1 過電流的產生及過電流保護的作用晶閘管裝置在運行時有可能產生過電流現(xiàn)象。產生過電流的原因可概括為：生產機械的過載，負載側短路，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，如果過電流數值過大而切斷稍慢，就會使其結溫超過允許值而損壞，因此，為了在故障狀態(tài)下保護晶閘管裝置的安全，必須采用適宜的過電流保護措施，在發(fā)生過載和短路時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 過電流保護的方法及有關參數計算可用作晶閘管裝置

15、過電流保護的器件有快速熔斷器、過電流繼電器、快速開關、電子過電流保護等。合理配置于選擇過電流保護是能否起到有效保護作用的關鍵。 快速熔斷器的參數計算和接線方法快速熔斷器是目前廣泛應用的保護措施，起保護原理和普通熔斷器相似。在發(fā)生過電流時，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，保護晶閘管?？焖偃蹟嗥骶哂型ㄟ^電流越大，熔斷時間越短的特點，適合做短路保護，但不宜做過載保護?？焖偃蹟嗥髟陔娐分械慕臃ㄈ鐖D2-1所示。圖2-1為交流電源進線串聯(lián)快速熔斷器的接線形式，熔斷器用量較少，對整流器的內部、外部故障引起的短路電流均有保護作用，但對元件保護的可靠性稍差；圖2-1為直流輸出側

16、串聯(lián)快速熔斷器方式，對外部故障引起的短路電流起保護作用，快速熔斷器的用量少，但該方法對整流器的內部故障不起保護作用，對元件保護可靠性較差；圖2-1為每只晶閘管都與一個快速熔斷器相串聯(lián)，該方法對所有的短路故障有保護作用，但所用的快速熔斷器的數量較多。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時，應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，當通過快速熔斷器的電流為時，在內不會熔斷；如果通過快速熔斷器的電流為的6倍，在以內就可以熔斷。設電路正常狀態(tài)通過快速熔斷器的電流有效職位，則應按下式選擇：式中，為晶閘管的額定電流。在一般電控系統(tǒng)中，常采用過流信號切除觸發(fā)脈沖

17、的方法，再配合使用快速熔斷器保護?？焖偃蹟嗥鲗儆谝淮涡允褂玫钠骷?，不能重復使用，且其價格較高，更換不方便，通常作為過電流保護的一種可靠性措施。 電子過電流保護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裝置，電路構成如圖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，再將電流信號經整流轉換成直流電壓信號送至電壓比較器，與過流整定值比較。發(fā)生過在或短路時，電流信號超過整定值，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；或將觸發(fā)脈沖迅速后移，使整流器立即轉入有源逆變狀態(tài)，釋放出存在電感中的能量，直到逆變結束，整流器停止工作。在正常工作情況下，電流信號

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。電子保護電路的特點時動作迅速準確，動作時間一般不超過。隨著新型電力傳感的應用，電子保護更加完善。圖2-2 電子過電流保護裝置原理圖2.2.3 直流快速開關在大容量和中容量的設備中常用直流快速開關作為直流側的過載和短路保護。直流快速開關動作時間只有，全部分斷電弧的時間不超過，是目前較好的直流側過電流保護裝置。其額定電壓、額定電流不小于變流裝置的額定值。2.2.4 過流繼電器與自動開關在交流側或在直流側都可接入過電流繼電器，在發(fā)生過流故障時動作，切斷交流輸入端的自動開關。由于過流繼電器的動作和自動開關的跳

19、閘都要有一定的時間（約）,故必須設法限制短路電流。只有在短路電流不大的情況下，它們才能起到保護晶閘管的作用。2.3 過電流保護的設置交流側應設置作用于電源開關自動跳閘的過電流繼電器，用于保護整體系統(tǒng)。為保護晶閘管，應設進線電抗器限流并設快速熔斷器。大中型晶閘管變流器可用直流快速開關作為直流側過載、過電流保護，發(fā)生故障時，要求先于快速熔斷器動作，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，交流或交流側設電子過流保護，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磁場補償式電流傳感器。圖2-3 各種過電流保護措施快速熔斷器是應用最普遍的過電流保護措施。在一些小型電力電子裝置中作為主要的保護措施；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。在和其他保護配合實用的場合，為避免經常更換快速熔斷器，動作配合要適當，應盡量使其他保護先動作，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措施如圖2-3所示，圖中未畫出動作于電源開關自動跳閘的電源保護，在實際應用時可選用其中的一部分。設計結論本文主要是論述過電壓保護和過電流保護產生的原因，