半導體勵磁系統(tǒng)保護

5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護5.3.1過電壓及其抑制5.3.2過電流保護整流裝置中的硅元件（硅整流元件及可控硅元件）是半導體勵磁裝置中的重要器件。為了保證它們安全可靠地長期運行，除了提高硅元件的產品質量，正確選擇硅元件的參數(shù)，留有一定的裕度外，還必須在裝置中適當?shù)夭捎帽Ｗo措施。因為硅元件承受過電壓和過電流的能力較差，可控硅元件承受正向電壓上升率和電流上升率有一定的限度，發(fā)電機勵磁繞組的絕緣只有一定的耐壓水平。如不采取適當?shù)谋Ｗo和抑制措施，運行中就有可能超過容許范圍，損壞半導體勵磁系統(tǒng)中的有關部件。為此必須熟悉硅元件本身的標準定額，了解裝置所在的電路中引起過電壓、過電流以及電壓上升率、電流上升率過高的原因和危害，對可控硅元件本身在開通和關斷過程中，在電路中引起的暫態(tài)過程，需要進行分析和試驗。而對于擔任抑制和保護功能的器件，必須熟悉其性能參數(shù)，并力求選用最簡單有效的保護方式，協(xié)調工作。由于這方面的影響因素比較復雜，必須將理論分析與試驗數(shù)據(jù)結合，正確地設計保護方式和抑制電路，合理地配備和選用保護器件。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護5.3.1過電壓及其抑制1．過電壓的來源■過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類?！鐾庖蜻^電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因?！舨僮鬟^電壓：由分閘、合閘等開關操作引起的過電壓?！衾讚暨^電壓：由雷擊引起的過電壓。■內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程?！魮Q相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓?！絷P斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當器件關斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。勵磁系統(tǒng)過電壓產生原因主要是：雷擊、操作、換相、拉弧、失步、非全相合閘等，主要在勵磁變二次側和轉子側，即整流裝置的交流側和直流側。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護5.3.1過電壓及其抑制1．勵磁系統(tǒng)過電壓的來源1）交流側過電壓包括一下幾種情況：◆經由主變壓器或發(fā)電機端傳輸?shù)絼畲畔到y(tǒng)的大氣過電壓或由操作引起的暫態(tài)過電壓?！魟畲抛儔浩鞣謹嘁鸬倪^電壓?！魮Q相過電壓。由于勵磁變壓器存在漏抗，功率整流器元件換相使電流中斷引起的過電壓。2）直流側過電壓在整流器勵磁系統(tǒng)中，由于整流元件在正向導通，反向阻斷，因此，在某些運行方式下會一起過電壓。例如：同步發(fā)電機與電網并列非全相合閘時、變壓器高壓側發(fā)生兩相或三相短路時、非同步狀態(tài)下運行，在上述運行方式條件下，均有可能在發(fā)電機勵磁回路引起使功率整流器閉鎖的過電壓。3）操作過電壓◆由高壓電源供電的勵磁變壓器，其一次繞組和二次繞組間存在分布電容C12。當變壓器高壓側開關合閘時一次繞組高壓u1將經過C12耦合到二次繞組。若二次繞組對變壓器鐵芯間的分布電容為C20，則合閘瞬間二次繞組感受到的電壓u2可近似為：顯然，二次繞組感應的過電壓數(shù)值將隨變壓器變比的增加而增大。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護5.3.1過電壓及其抑制1．勵磁系統(tǒng)過過電壓的來源3）操作過電壓◆在電源變壓器空載情況下，如果在電源電壓過零時突然斷開電源，則會產生嚴重的瞬變過電壓。變壓器空載時，一次繞組中只有勵磁電流i（0）由最大值變到零，則相應的都很大，結果在二次繞組中感應出很高的瞬時過電壓，如下圖所示。因此，必須采取有效措施吸收儲存在變壓器磁場中的能量，以避免在斷開空載變壓器時產生大能量的過電壓沖擊?！糇儔浩饕淮卫@組的漏抗與二次繞組的分布電容（包括抑制電容）所形成的震蕩電路在變壓器合閘（相當于突然加上一個階躍電壓）時，將引起瞬變過程而產生過電壓。在嚴重情況下，這個瞬變電壓的峰值可達正常反向峰值電壓的2倍，通常情況下亦可達1.6倍左右?！艟чl管整流電路直流側開關斷開時，由于電流突變，將在交流回路的電感上產生過電壓。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護

（a）線路圖（b）一次電壓曲線圖；（c）一次電流曲線圖（d）二次電壓曲線圖5.3.1過電壓及其抑制1．勵磁系統(tǒng)過過電壓的來源.4）運行過電壓◆晶閘管整流橋換相過電壓。對于三相全控橋式整流橋線路，陽極及陰極組晶閘管存在著周期性換相，對于第Ⅰ種換相狀態(tài)，晶閘管元件將分為非換相及換相兩種工作狀態(tài)，對于下圖（a）所示的三相橋式全控整流線路，假定在t1時刻前，V1

及V2元件導通，t1時刻后，V3元件被觸發(fā)，因此ub>ua，故V3承受正電壓，V1和V3元件開始換相，最終V1截止、V3導通。整流電壓波形如下圖（b）所示。但是，由于V1元件在導通期間在晶體內積蓄了少數(shù)載流子（電子和空穴電荷），使元件不能瞬時截止，形成V1和V3元件同時導通的換流狀態(tài)。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護

（a）整流線路；（b）整流電壓波形5.3.1過電壓及其抑制1．勵磁系統(tǒng)過過電壓的來源.4）運行過電壓在換流過程中，iV1+iV3=If，iV1和iV3電流的變化率決定于ub-ua的電壓差和勵磁變壓器換流電感Lr的數(shù)值。在t=t2時刻，iV1=0，iV3=If，此時換流結束。但由于V1元件晶體內還積蓄少數(shù)載流子，不能恢復截止，故換流電流ir繼續(xù)增長使iV3>If，直到t3時刻反向電流達到最大值，積蓄的載流子迅速復合完畢，在t4時刻完全恢復截止，iV3電流立即下降到If值。由于t3~t4時間間隔只有幾個微秒，故在此期間引起的電流變化率極大，引起的相應換流過電壓可達到極高的數(shù)值。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護

（a）整流線路；（b）整流電壓波形5.3.1過電壓及其抑制1．勵磁系統(tǒng)過過電壓的來源.4）運行過電壓◆在發(fā)電機異步運行時產生的滑差過電壓。當同步發(fā)電機的有功負載、功角突然發(fā)生變化以及運行在失步振蕩過程中時，將在發(fā)電機勵磁繞組中引起滑差頻率的正弦波感應過電壓，其幅值為：Esm=√2×4.44f2W?Kw上式中Esm為在發(fā)電機勵磁繞組中引起的滑差過電壓；f2為相對于定子側的轉子滑差頻率；?為定子電流產生的旋轉磁場主磁通；Kw為發(fā)電機勵磁繞組系數(shù)?！舭l(fā)電機定子三相負載不對稱或缺相運行形成定子三相電流不平衡。依對稱分量法可將其分解為正序、負序及零序電流，流過定子繞組的三相電流在空間上形成相隔120°點角度的對稱電流。正序及負序電流產生的合成磁場分別在空間作正向及反向的同步轉速旋轉，稱作正序及負序刺痛。而轉子繞組是以正向同步轉速旋轉的，其對正序磁通相對靜止，對負序磁通以兩倍同步轉速相對運動。該過電壓的幅值可用Esm=√2×4.44f2W?Kw計算，不過，式中的f2的值為兩倍的正序電壓頻率值，?為定子不對稱電流產生的負序磁通。◆發(fā)電機運行中如發(fā)生突然短路、失步、非全相或非同期合閘等故障，則在轉子繞組中會產生很高的感應過電壓，危及晶閘管勵磁系統(tǒng)整流電路的安全運行。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護5.3.1過電壓及其抑制2．勵磁系統(tǒng)過電壓的抑制過電壓的抑制措施及其配置綜合示意圖，見下圖。注：1~4RC為阻容保護器。利用電容器兩端電壓不能突變而能儲存電能的基本特性，可以吸收瞬間的浪涌能量，限制過電壓。為了限制電容器的放電電流，降低可控硅開通瞬間電容放電電流引起的正向電流上升率di/dt，以及避免電容與回路電感產生振蕩，通常在電容回路上串入適當電阻，從而構成阻容吸收保護。一般可抑制瞬變電壓不超過某一容許值，作為交流側、直流側及硅元件本身的過電壓保護。為抑制大氣過電壓對變壓器的影響，通常在變壓器一次繞組上裝設避雷器。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護5.3.1過電壓及其抑制2．勵磁系統(tǒng)過過電壓的抑制過電壓的抑制措施及其配置綜合示意圖，見下圖。注：1~4RC為阻容保護對投入變壓器時，因繞組間存在寄生電容而引起的過電壓，可采用接地屏蔽或在變壓器二次繞組側直接接入對地電容加以抑制。為了抑制切除空載變壓器勵磁電流i（0）而引起的過電壓，可采用電容器、硒堆或壓敏電阻等儲能或耗能元件，以吸收變壓器中存儲的能量。同樣，可以采用上述的阻容、硒堆、壓敏電阻等保護器件，抑制直流側過電壓。此外，工程上還采用晶閘管跨接器自動投入電阻的方法抑制轉子側過電壓。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護5.3.1過電壓及其抑制2．勵磁系統(tǒng)過電壓的抑制1）阻容保護器眾所周知，電容器可以貯藏能量，在電磁暫態(tài)過程中由于電容器兩端的電壓不能突變，利用這一特性與電阻元件組合，可以構成晶閘管勵磁系統(tǒng)中交、直流側和功率元件本身的阻容吸收保護裝置。三相交流側阻容保護有星型和三角形兩種接法，由于三角形接法能減小電容量，故采用較廣泛。電容用于吸收瞬時浪涌能量，以抑制過電壓；電阻為耗能元件，用于限制晶閘管元件導通時電容器放電電流所引起的電流上升率，同時可防止回路中的L、C元件形成諧振。見下圖：為了防止晶閘管元件關斷過程引起的過電壓，通常在每只元件的兩端分別并聯(lián)阻容保護，如上圖（d）所示。但是這種接線同樣存在并聯(lián)電容放電時增加導通晶閘管元件dt/di的弊端。此時，亦可在直流側接入單相整流橋阻斷式阻容保護。對于多個晶閘管元件串聯(lián)、并聯(lián)的晶閘管電路，同樣起到動態(tài)均壓和限制正向電壓上升率的作用。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護（a）單相接法；（b）三相組容保護星型接法；（c）三相組容保護三角形接法；（d）硅元件保護接法RC過電壓抑制電路聯(lián)結方式a）單相b）三相反向阻斷式過電壓抑制用RC電路5.3.1過電壓及其抑制2．勵磁系統(tǒng)過電壓的抑制1）阻容保護器抑制外因過電壓采用RC過電壓抑制電路最為常見。對大容量的電力電子裝置，可采用下圖所示的反向阻斷式RC電路。

阻容保護裝置簡單可靠，應用廣泛。其缺點是正常運行時電阻消耗功率，發(fā)熱嚴重。對于非整流阻斷式保護的缺點容易造成波形畸變，作為大容量整流器的保護裝置體積顯得過大，同時元件散熱問題比較突出。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護5.3.1過電壓及其抑制2．勵磁系統(tǒng)過電壓的抑制2）壓敏電阻浪涌吸收器壓敏電阻是由氧化鋅燒結成的金屬氧化物，或者碳和硅的人工合成晶體碳化硅構成，是一種多晶體的陶瓷器件，具有抑制過電壓能力強、漏電流及損耗小、對浪涌電壓反應快、壽命長、運行可靠及價廉等優(yōu)點，是一種較好的過電壓保護元件。壓敏電阻用作過電壓保護時的接線下圖所示。三角形接法主要用于防止操作過電壓，星形接線則可防止雷電侵入波引起的過電壓。對于要求殘壓更低的小容量裝置，可串接穩(wěn)壓阻抗Z（電抗或電阻），如下圖（e）所示。壓敏電阻的殘壓比較大，當晶閘管元件的電壓儲備系數(shù)（安全系數(shù)）較小時，不宜采用壓敏電阻作過電壓保護。此外，壓敏電阻雖能抑制過電壓數(shù)值，卻不能抑制du/dt。因此，在du/dt較大的場合仍須裝設RC保護。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護（a）單相接線；（b）三相星形接線；（c）三相三角形接線；（d）晶閘管元件保護；（e）串接穩(wěn)壓阻抗Z5.3.1過電壓及其抑制3．勵磁系統(tǒng)過電壓阻容保護器的選擇3）交流側阻容保護器的選擇一般按斷開空載變壓器時產生的能量沖擊來選擇阻容吸收保護的電容量。變壓器折合到副邊的空載等效激磁電感為：變壓器的最大磁場能量為：若磁場能量全部轉換成電容器內的電場能量，使電容器上的電壓最高可達變壓器副邊額定電壓幅值的k倍，則電容器應儲存的最大電場能量為：式中C—電容量，單位F。取Wc=WL，可得電容量為：5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護式中U（0）2

—變壓器副邊空載額定電壓，單位V；I（0）2

—折合到副邊的激磁電流，單位A；f—電源頻率，單位Hz。5.3.1過電壓及其抑制3．勵磁系統(tǒng)過電壓阻容保護器的選擇3）交流側阻容保護器的選擇上式是理論上將變壓器的全部磁場能量轉換成電容器貯存的電場能量，而使電壓不超過k倍時所需的電容值。實際上斷開變壓器空載激磁電流時，電弧要消耗大部分能量（例如斷路器觸頭斷開電流，出現(xiàn)過電壓時，電流已降低到激磁電流I0的20%~40%）。變壓器鐵芯及導線電阻上也有損耗，變壓器和進線電纜的對地電容以及各種寄生電容均有吸收作用，故實際選擇阻容保護用電容器的電容量上式的計算值要小，通常約乘上0.2~0.4或更小一些的修正系數(shù)。至于容許電壓升高的倍數(shù)，一般選取k值在1.3~1.5較為經濟?；谏鲜隹紤]，由于可取不同的k值及修正系數(shù)，因此有不同系數(shù)的選擇。則公式如下：式中U（0）2—變壓器副邊空載額定電壓，單位V；I（0）2—折合到副邊的激磁電流，單位A；f—電源頻率，單位Hz。所選電容器的額定電壓，應不小于交流側最高工作電壓峰值的1.1~1.5倍。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護單相橋式三相橋式三相半波5.3.1過電壓及其抑制3．勵磁系統(tǒng)過電壓阻容保護器的選擇3）交流側阻容保護器的選擇在選定電容器作為儲能元件后，一般應串入耗能電阻，避免電容與回路電感產生串聯(lián)諧振，應選擇電阻值如下：但是電阻的阻值不能選擇過大，考慮變壓器原邊切斷電流的瞬間，激磁電流I（0）2通過在副邊產生的電壓，應低于容許的過電壓值，即：通常K為0.3~0.36，電阻的功率可取：上式中U（0）2—變壓器副邊空載額定電壓，單位V；I（0）2—折合到副邊的激磁電流，單位A。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護5.3.1過電壓及其抑制3．勵磁系統(tǒng)過電壓阻容保護器的選擇3）交流側阻容保護器的選擇為了避免可控硅管在開通過程中，因交流側阻容保護的放電電流流過可控硅管，而造成過大的電流上升率可能損壞可控硅元件，整流橋交流側的阻容保護也可采用反向阻斷式接線。當整流橋的交流側發(fā)生過電壓時，其直流側的阻容保護可以吸收交流電源發(fā)生的浪涌電壓，以避免可控硅橋承受過電壓。而交流側電壓下降或短接時，由于整流橋Z的反向阻斷作用，可以阻止電容器向交流側的可控硅元件放電。其參數(shù)選擇可參考下列算式。計算電容：式中U（0）2—變壓器副邊空載額定電壓，單位V；I（0）2—折合到副邊的激磁電流，單位A；f—電源頻率，單位Hz。一般?。菏街蠰1—變壓器每相漏感，單位μH；τ—放電時間常數(shù)，一般取2s。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護5.3.1過電壓及其抑制3．勵磁系統(tǒng)過電壓阻容保護器的選擇4）直流側阻容保護器的選擇若在直流側裝設阻容保護Cd、Rd來抑制交流側的浪涌過電壓，可參考下式選擇阻容參數(shù)。式中U（0）2—變壓器邊空載額定電壓，單位V；I（0）2—折合到副邊的激磁電流，單位A；f—電源頻率，單位Hz。電容器的額定電壓一般取直流側最高工作電壓的1.1~1.5倍；當采用直流電容器時，電容器的額定電壓一般取直流側最高工作電壓的3.5倍。電阻功率?。菏街蠻σ為紋波電壓，一般取頻率最低、幅值最高的諧波電壓Un，單位V；fn為與Un對應的諧波頻率，單位Hz。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護單相橋式三相橋式5.3.1過電壓及其抑制3．勵磁系統(tǒng)過電壓阻容保護器的選擇5）關斷過電壓保護器的選擇為了防止硅元件關斷過程引起的過電壓，可以在每個硅元件的兩端分別并接阻容保護Cb、Rb，或者通過單相橋接入反向阻斷式阻容保護，并盡量靠近被保護元件，引線宜短。電容Cb的參數(shù)選擇與反向恢復電荷Qr有關，而Qr又與硅元件的額定正向平均電流IT（AV）有一定的關系，可按下式選擇：5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護一般對500A的整流元件可取1μF，200A的取0.5μF，100A的取0.25μF，20A的取0.1μF。在此電容回路內串入電阻Rb，是為了避免可控硅元件開通時，電容器Cb放電電流的上升率太高，也為了避免放電電流過大及在電感回路中產生振蕩。電阻可按下式選擇：式中L1—變壓器漏感，單位μH；La—連線及橋臂電感，單位μH。通常電阻Rb在5~50Ω間選用。電阻功率為：式中—URWM硅元件反向工作峰值電壓，單位V。系統(tǒng)運行時勵磁變壓器低壓側波形過電流保護措施及配置位置■過電流分過載和短路兩種情況。◆快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施，一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性?！敉ǔ?，電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護5.3.2過電流保護5.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護5.3.2過電流保護1.過電流產生的原因對于半導體勵磁裝置，可能有下列幾方面的原因，使流過整流橋臂元件及勵磁變壓器繞組的電流超過其正常定額。◆整流橋內部某一橋臂元件擊穿短路，喪失阻斷能力，則交流電源可通過已損壞短路的橋臂和其它完好的橋臂元件，交替形成二相短路及三相短路。這些電流將流過某些完好的橋臂元件及變壓器繞組，其數(shù)值可超過交流側三相短路時周期分量的幅值?！粽鳂?/p>