晶閘管閥運(yùn)行試驗(yàn)中的過電壓及保護(hù)策略

晶閘管閥運(yùn)行試驗(yàn)中的過電壓及保護(hù)策略

1ec試驗(yàn)方法大型積電池管閥的運(yùn)行試驗(yàn)是為了在正常或非正常重復(fù)條件下觀察到聯(lián)合電壓電流強(qiáng)度和臨時(shí)故障強(qiáng)度的試驗(yàn)。這是符合iec標(biāo)準(zhǔn)的重要試驗(yàn)之一。它也是一個(gè)復(fù)雜的試驗(yàn)方法，用于評估過程和實(shí)驗(yàn)條件。該試驗(yàn)通常在由高電壓小電流系統(tǒng)、低電壓大電流系統(tǒng)再配合一些附屬隔離控制設(shè)備構(gòu)成的聯(lián)合試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。在試驗(yàn)過程中，由于要求試品閥周期性承受高電壓和大電流強(qiáng)度，因而存在高電壓串入低壓大電流系統(tǒng)引起過電壓的可能，本文的主要目的是解決這類過電壓問題。2提高電源系統(tǒng)的選擇性晶閘管閥的運(yùn)行試驗(yàn)由聯(lián)合試驗(yàn)裝置完成，圖1示出裝置原理圖。聯(lián)合試驗(yàn)裝置由高電壓回路和大電流回路組成，前者為一高壓小電流系統(tǒng)，用以提供被試閥高電壓試驗(yàn)強(qiáng)度；后者為一低壓大電流系統(tǒng)，用以提供被試閥大電流試驗(yàn)強(qiáng)度。運(yùn)行試驗(yàn)所需的高電壓和大電流強(qiáng)度分別由兩個(gè)電源提供，可極大減少運(yùn)行試驗(yàn)所需的電源總?cè)萘俊ｉy運(yùn)行試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟要求電源系統(tǒng)周期性交替地將高電壓強(qiáng)度與大電流強(qiáng)度施加于試品閥上，這就要在兩部分電源系統(tǒng)之間采取一定的隔離措施，用于隔離高電壓系統(tǒng)的高電壓強(qiáng)度串入大電流系統(tǒng)。雖然試驗(yàn)回路中的V1可實(shí)現(xiàn)高電壓隔離功能，但因Cs1,Rs1存在，正常試驗(yàn)工況下，在Vt周期性導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)刻，大電流系統(tǒng)將要耐受周期性暫態(tài)過電壓沖擊。圖2a示出Vt開通、關(guān)斷時(shí)施加于大電流系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓波形。另外，由于V1有可能突發(fā)擊穿或誤觸發(fā)導(dǎo)通故障，在故障發(fā)生后，大電流系統(tǒng)更會遭受故障過電壓的沖擊，圖2b示出V1發(fā)生誤觸發(fā)故障時(shí)施加于大電流系統(tǒng)的故障過電壓波形。綜上所述，在正常的晶閘管運(yùn)行試驗(yàn)工況和故障狀態(tài)下，大電流系統(tǒng)將遭受頻繁的暫態(tài)過電壓和故障過電壓沖擊。為了研究在這些過電壓工況下，如何對大電流系統(tǒng)采取有效的保護(hù)措施，首先要對過電壓產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析。3在晶門壓閉器的運(yùn)行試驗(yàn)中，可靠性機(jī)制3.1暫態(tài)電壓-uvt在正常的閥運(yùn)行試驗(yàn)過程中，以某時(shí)刻Vt承受正向試驗(yàn)高電壓為分析起點(diǎn)，則Vt閥導(dǎo)通前后用于過電壓分析的等效原理電路如圖3所示。圖3中各閥均等效為理想開關(guān)，各元件定義同圖1，則有：(2）第二階段因試驗(yàn)進(jìn)程的需要，Vt觸發(fā)導(dǎo)通后，B點(diǎn)瞬時(shí)接地，其上電位瞬變?yōu)榱?，A點(diǎn)電位相應(yīng)地瞬變?yōu)?（uVt+um），即相當(dāng)于A,N點(diǎn)之間出現(xiàn)一暫態(tài)高壓-uV1，給大電流系統(tǒng)一過電壓沖擊；(3）第三階段該階段Vt持續(xù)導(dǎo)通，Cs1沿VVt→uac→Ls→L2→Rs1的過阻尼回路放電，Cs1上電壓迅速衰減至零，A點(diǎn)過電壓也相應(yīng)迅速衰減，因此Vt閥開通后將帶給大電流系統(tǒng)的是暫態(tài)過電壓的沖擊；(4）第四階段Vt關(guān)斷，此時(shí)由于高電壓系統(tǒng)的作用將使其承受反壓，Cst上承受-uVt的反壓，B點(diǎn)電位瞬時(shí)跳變?yōu)?uVt,Cs1上電壓為零不能突變，于是A點(diǎn)電位也瞬時(shí)變?yōu)?uVt，并且該過電壓隨Cs1充電到uV1過程的結(jié)束而消失，因此在VVt關(guān)斷過程中又一次將暫態(tài)過電壓加于大電流系統(tǒng)上。綜合上述分析結(jié)果，在閥運(yùn)行試驗(yàn)的正常試驗(yàn)過程中，伴隨著Vt周期性耐受正反向的高電壓強(qiáng)度，大電流系統(tǒng)也要周期性耐受暫態(tài)過電壓的沖擊。3.2故障導(dǎo)通前b點(diǎn)圖3示出V1發(fā)生擊穿或誤觸發(fā)故障導(dǎo)通前后的過電壓分析等效原理電路。分析發(fā)現(xiàn)，在Vt不導(dǎo)通期間，V1發(fā)生的通路故障最為嚴(yán)重。假設(shè)V1故障導(dǎo)通前，B點(diǎn)電位為uVt，回路A點(diǎn)電位為-um；若V1突然發(fā)生故障（擊穿或誤觸發(fā)），則B點(diǎn)的高電位被引到A點(diǎn)，并加在大電流系統(tǒng)上。由于該故障高電壓是高電壓系統(tǒng)產(chǎn)生的正常試驗(yàn)電壓，是由V1故障而引入大電流系統(tǒng)的長時(shí)過電壓，所以若沒有過電壓泄放措施，該故障過電壓將導(dǎo)致大電流系統(tǒng)元件被擊穿損毀。4周期小的能量根據(jù)上述過電壓產(chǎn)生機(jī)理，在晶閘管運(yùn)行試驗(yàn)中，存在能量較小的周期性暫態(tài)過電壓；當(dāng)V1處在故障態(tài)下，會出現(xiàn)能量較大的故障過電壓，本節(jié)將根據(jù)這兩種過電壓的不同特點(diǎn)給出相應(yīng)的保護(hù)策略。4.1vt導(dǎo)通前后dsp的定性分析閥運(yùn)行試驗(yàn)中暫態(tài)過電壓的特點(diǎn)是發(fā)生頻繁、持續(xù)時(shí)間短、過電壓能量小等。根據(jù)這些特點(diǎn)，要選用一種動作迅速且可頻繁動作的保護(hù)策略，而不過多要求其通流容量。在分析了多種可用于暫態(tài)過電壓保護(hù)的方法（TVP瞬變二極管、氧化鋅壓敏電阻、擊穿二極管等）后，認(rèn)為阻容保護(hù)策略最適合吸收該暫態(tài)過電壓。圖4示出并聯(lián)阻容保護(hù)后暫態(tài)過電壓分析原理圖，各元件定義同圖1。Vt導(dǎo)通前后各點(diǎn)電位分析如下：(1)Vt不導(dǎo)通階段在Cst上具有高電壓系統(tǒng)提供的正向高壓ut，低壓大電流源瞬時(shí)電壓為-um,uVtum，則Cs1上的瞬時(shí)電壓為uV1=uVt+um，保護(hù)閥阻尼電容Csp上的瞬時(shí)電位為-um，回路A點(diǎn)電位為-um,B點(diǎn)電位為uVt;(2)Vt觸發(fā)導(dǎo)通階段在Vt導(dǎo)通后，B點(diǎn)瞬時(shí)接地，其上電位瞬變?yōu)榱悖雎宰枘犭娮璧挠绊?，A點(diǎn)電位跳變?yōu)閇Cs1uVt+（Cs1-Csp)um]/（Cs1+Csp），定性分析uVt=20um即uVtum的工況，則當(dāng)Csp=Cs1時(shí)，A點(diǎn)電位可近似為0.5uVt；當(dāng)Csp=5Cs1時(shí)，A點(diǎn)電位可近似為0.13uVt；當(dāng)Csp=10Cs1時(shí)，A點(diǎn)電位可近似為0.05ut；由定性分析結(jié)果可見，選取合適的Csp后，可以很好地抑制Vt開通和關(guān)斷過程中的暫態(tài)過電壓。同理，采用阻容保護(hù)策略同樣可抑制Vt關(guān)斷階段產(chǎn)生的過電壓。4.2bod觸發(fā)晶閘管閥保護(hù)方式故障過電壓的起因可能是V1被擊穿，也可能是V1誤觸發(fā)。前者屬于偶發(fā)事件，后者則是由控制或觸發(fā)系統(tǒng)故障而引起的頻發(fā)事件，所以它具有可能頻繁發(fā)生、過電壓能量大、危害大特點(diǎn)。根據(jù)這些特點(diǎn)，要選用一種動作迅速、動作電壓穩(wěn)定、泄放能量大、且適于頻繁動作的保護(hù)策略。當(dāng)前常用的過電壓保護(hù)手段均不適合閥運(yùn)行試驗(yàn)中故障過電壓的特點(diǎn)。基于此，本文提出一種新型的過電壓保護(hù)策略———BOD觸發(fā)晶閘管閥的保護(hù)策略。其基本設(shè)計(jì)思想就是將BOD保護(hù)動作的快速性與大功率晶閘管閥泄放能量大的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)一種動作電壓穩(wěn)定性高，通流容量大，可頻繁動作保護(hù)的新型保護(hù)手段。圖5示出其保護(hù)原理圖。晶閘管保護(hù)閥Vp是能量泄放的主體，其過電壓保護(hù)一般采用多級串聯(lián)的形式,Vp的觸發(fā)動作則依靠BOD在過電壓時(shí)的擊穿,根據(jù)BOD的串聯(lián)個(gè)數(shù)可決定過電壓的保護(hù)水平。Vp的阻尼吸收回路Rs,Cs不僅能吸收Vp的關(guān)斷過沖,還能減緩過電壓的波頭,起到阻容吸收保護(hù)作用。該保護(hù)方法的基本原理為:假設(shè)某時(shí)刻A點(diǎn)出現(xiàn)了過電壓,經(jīng)閥吸收回路衰減后仍超出被保護(hù)設(shè)備所能承受的最大電壓,于是BOD保護(hù)動作,BOD動作后將部分過壓能量轉(zhuǎn)為電流引入晶閘管的門極,從而使Vp觸發(fā)導(dǎo)通,將A點(diǎn)電位限制為Vp的通態(tài)壓降電壓,通過Vp將過電壓能量轉(zhuǎn)化為大電流泄放掉。由于BOD的動作和晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通均為微秒數(shù)量級,所以與傳統(tǒng)的大容量保護(hù)設(shè)備相比,該保護(hù)措施大大提高了動作速度。BOD觸發(fā)晶閘管閥保護(hù)方式具有若干特點(diǎn)：(1)由于BOD的擊穿動作電壓分散性小，從而使該保護(hù)方式具有良好的動作電壓穩(wěn)定性；(2)由于晶閘管技術(shù)的飛速發(fā)展，其電壓等級和電流等級都得到了很大提高，在采用晶閘管串并聯(lián)組合方式后，BOD觸發(fā)晶閘管閥的保護(hù)方式可用來承擔(dān)大功率電力設(shè)備的保護(hù)任務(wù)；(3)由于BOD動作和晶閘管導(dǎo)通的快速性，使得該保護(hù)方式具有微秒級的動作速度；(4)由于BOD器件可長期頻繁動作，使得該保護(hù)方式也可以長期頻繁工作；(5)由于該保護(hù)方式通常采用RC阻尼吸收回路，吸收回路自身對小能量暫態(tài)過電壓就有一定的吸收抑制作用。基于以上特點(diǎn)，BOD觸發(fā)晶閘管閥保護(hù)方式特別適用于需要頻繁、長期、快速動作的過電壓保護(hù)場合，適合于抑制運(yùn)行試驗(yàn)中故障過電壓。圖6示出并聯(lián)保護(hù)閥Vp后的等效原理圖，元件定義同圖1。同樣考慮Vt不導(dǎo)通期間發(fā)生的V1通路故障。V1故障導(dǎo)通前B點(diǎn)電位為ut，回路A點(diǎn)電位為-um；若V1突然發(fā)生故障（擊穿或誤觸發(fā)），則B點(diǎn)的高電位被引到A點(diǎn)，加過電壓于大電流系統(tǒng)上，在該過電壓作用下，BOD迅速擊穿動作，進(jìn)而觸發(fā)導(dǎo)通Vp,Vp導(dǎo)通后一方面給高電壓系統(tǒng)產(chǎn)生的過電壓提供了一個(gè)泄放通道，另一方面也限制了A點(diǎn)的電位，使得加于大電流系統(tǒng)的過電壓迅速消失。正是由于BOD觸發(fā)保護(hù)閥的存在，使得V1故障導(dǎo)通后產(chǎn)生的故障過電壓轉(zhuǎn)化為大電流系統(tǒng)可承受的非重復(fù)暫態(tài)過電壓，保護(hù)了大電流系統(tǒng)。5雙向串聯(lián)保護(hù)試驗(yàn)為了驗(yàn)證BOD觸發(fā)晶閘管閥保護(hù)策略的實(shí)用性，利用沖擊電壓發(fā)生器對其觸發(fā)保護(hù)動作特性進(jìn)行了試驗(yàn)。晶閘管閥采用雙向串聯(lián)設(shè)計(jì)，每層BOD保護(hù)動作電壓為6kV（峰值），20層串聯(lián)，則該BOD觸發(fā)晶閘管閥的保護(hù)電壓為120kV（峰值），針對正反向過電壓均能發(fā)生保護(hù)動作，圖7示出試驗(yàn)結(jié)果。由試驗(yàn)結(jié)果可知，BOD觸發(fā)晶閘管閥的保護(hù)策略動作電壓穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，動作后無殘壓，保護(hù)器件可重復(fù)動作，滿足了大功率電力設(shè)備過電壓保護(hù)的需要。6理論分析和試驗(yàn)結(jié)果分析了閥運(yùn)行試