整流设备的保护

1、一过电压的产生及过电压保护1.1 过电压及其产生的原因整流设备晶闸管能够承受的最大峰值电压是重要参数之一，该参数表征晶闸管承受过电压的能力。过电压主要是指电气系统内部合闸、分闸和电力电子器件的关断等原因造成的操作过电压。例如，降压变压器初次合闸时，初级施加的高压会通过初、次级绕组间的分布电容耦合到次级，使之出现感应过电压；交、直流侧的分闸操作切断电感回路电流时，会因电感释放磁场储能而形成数倍额定电压的过电压；在晶闸管管断过程中，因反向电流迅速减小。回路电感中会产生很高的换相过电压。除了操作过电压外，还有由于雷击等外部因素侵入电网的偶然性的浪涌过电压，过电压倍数会很高。采取过电压保护措施后，会使

2、经常发生的操作过电压限制在器件额定电压以下，偶然性的浪涌电压限制在其间的断态和反向不重复峰值电压数值以下。过电压保护措施有基于吸收原理的阻容保护和基于泄放原理的非线性元件保护两种，其目的都是为将过电压限制在允许范围之内。1.2 阻容保护及参数计算交流侧阻容保护参数计算为吸收变压器释放出来的磁场能量，可在变压器二次侧并联电阻和电容吸收保护，接线形式如图1-1。由于电容量端的电压不能突变，可以快速吸收造成过电压的磁场能量，电阻可以起阻尼作用，并可在电磁过程中消耗造成过电压的能量。图1中交流侧阻容保护元件为、，其参数的计算与整流器的容量有关。图1-1 阻容保护电路（1）单相变压器或三相小功率变压器（

3、以下），（）可由下式计算：式中，为整流变压器的等值容量，为臂反向峰值电压，为计算系数，见表1-1，可按整流电路接线形式和阻容保护接线方式选取。表1-1 计算系数电路形式单相三相保护电路（星形接法）三相保护电路（三角形接法）双拍双拍单拍双拍双拍单拍注：单拍电路指各种半波整流电路；双拍电路指各种桥式整流电路阻尼电阻（）可由下式计算：式中，为电源频率，。当阻容保护电路接在整流变压器的初级时，仍可用上式计算的容量，只是此时的为电网电压峰值。如果整流变压器为降压型，吸收电路介于初级时，的容量减小，但其耐压值增大。（2）大容量变压器，阻容吸收装置中（）的计算公式为：的阻值（）计算公式为：的功率（）计算公式

4、为：以上各式中，为变压器次级空载线电压，为变压器次级线电流，为电源频率，、为计算系数，见表1-2，为变压器励磁电流对额定电流的标么值，一般取。表1-2 计算系数、电路形式单相桥式三相桥式三相半波三相双反星形三相保护电路可为星形连接，也可为三角形链接，以上各式适用于星形连接方式。当为三角形链接方式时，电容应取计算值的的，而电阻应取计算值的3倍。阻容保护的电路中，电阻发热量较大，也不利于限制晶闸管的电流上升率。为克服上述缺点，可采用如图1-2所示的整流式阻容保护电路。图1-2 整流式阻容保护电路正常工作时。保护的三相桥式整流器输出端电压为变压器次级电压的峰值，输出电流很小，从而减小了保护元件的发热

5、。过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量的通路，电容将吸取的过电压能量转换为电场能量；过电压消失后，电容经、放电，将储存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。电容器的电容量可按下式计算：，用于限制的充电电流，其数值为：式中，为变压器每相漏抗，单位为。用于提供放电通路，近似为电路的放电时间。则为:为使保护电路尽快恢复正常状态，时间常数越小越好，一般取。直流侧阻容保护直流侧也有可能发生过电压。当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置适当地

6、保护这种过电压，仍会通过导通着的晶闸管反应到直流侧来，为此，直流侧也应装设过电压保护，用于抑制过电压保护。直流侧过电压抑制电路元件参数的选择计算方法见表1-3。表中，为直流输出电压的交流成分中幅值最大的谐波电压有效值，即最低次谐波幅值；为与相应的谐波频率；是与相应的电流有效值。表1-3 直流侧保护的参数计算电路形式单相桥式三相桥式换相过电压的抑制晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过回复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联电路，如图1-3所示。图

7、1-3 换相过电压的抑制图1-3中，、用于吸收换相过电压能量。其中参数与晶闸管通态电流有关。电流愈大，产生的过电压越高，的容量越大。的计算公式为：通常取，其功率的计算式为：式中，为整流器件串联时的个数；为整流器件反向电压的幅值，单位为。有电路兼作均压和抑制换相过电压时，按公式计算的值应与根据瞬态均压所计算的数值相比较，在两者兼顾的基础上最后决定。1.3 非线性元件保护用于抑制过电压的非线性器件具有近似于稳压管的伏安特性，若能把过电压值限制在一定范围内，对于浪涌过电压具有非常有效地抑制作用。压敏电阻压敏电阻是一种常用的非线性元件保护，其符号和伏安特性如图1-4所示，因伏安特性对称于原点，故具有双

8、向限压作用。压敏电阻是由氧化锌、氧化铋等烧结而成的非线性电阻元件。具有明显的击穿电压，在施加电压低于击穿电压时，漏电流仅为毫安级，损耗小；在施加电压超过击穿电压时，压敏电阻击穿，可以通过很大的浪涌电流，几乎呈现恒压特性，其接线图如图1-5所示。由于多晶结构，内部寄生电容较大，高频下电容电流将产生附加损耗，不宜用于高频电路。值得注意的是压敏电阻击穿并通过教的浪涌电流之后，其标称电压有所下降，多次击穿后将迅速降低，故不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。图1-4 压敏电阻伏安特性压敏电阻主要参数有：标称电压：漏电流为时对应的端电压值，；残压：放电电流达到规定时的端电压，；叫做残压比；允许通流量：在规定

9、的波形下允许通过的浪涌电流，。图1-5 压敏电阻保护电路在使用压敏电阻时，参数的选择是很重要的。应保证在元件的下降到原来的时，即使电源电压波动达到最大允许值，压敏电阻漏电流也不超过。当压敏电阻为星形连接时，的计算公式为：当压敏电阻为三角形连接时，的计算公式为：式中，为计算系数，考虑到星形连接时各元件电压分配不均，通常取，在选配使用时取；为电网电压上升系数，取；为压敏电阻保护装置外接端电压有效值。压敏电阻吸收得过电压能量应小于压敏电阻的通断容量，一般中、小型整流器的操作过电压保护可选择，防雷保护选择。1.3.2 硒过电压抑制器硒过电压抑制器也是一种常用的过电压保护器件，它由多片单向导电的硒片叠成

10、。硒过电压抑制器通常的接法如图1-6所示。有图可知，硒过电压抑制器常采用对接方法，抑制正、反向过电压。在其端电压低于击穿电压时，有较高反向电阻。在其两端出现高于击穿电压的过电压时，电阻急剧下降，电流明显增加，端电压保持不变。硒片本身具有负温度系数，在保护过电压过程中具有正反馈作用。图1-6 采用硒堆的过电压保护电路硒片伏安特性分散性较大，宜实测选用。硒过电压抑制器的硒片数量由外接电压决定，其值为：式中，为每片硒片的反向电压有效值；为硒过电压抑制器外接端电压的有效值。直流侧采用非线性元件抑制过电压时，参数选择可按照上述原则。转折二极管转折二极管的正向特性有明显的转折电压，转折后管压将很低；反向特

11、性击穿电压很低，无承受反向电压的能力。使用中，为限制转折后的电流，通常采用串联二极管的方法。它允许频繁过电压转折，但不宜经受大的浪涌电流，可与晶闸管组合构成扩容的限压电路。1.3.4 对称硅过电压抑制器对称硅过电压抑制器是一种新型的过电压保护器件，相当于两个雪崩二极管的反向串联。其特性与压敏电阻相似，击穿后的动态电阻低，限压效果好，允许频繁转折、响应速度快、保护效果好。1.4 过电压保护的设置按过电压保护的部位来分，有交流侧保护、直流侧保护和器件保护。过电压保护设置如图1-7所示。图1-7 整流器过电压保护设置图A 避雷器；B接地电容；C阻容保护；D整流式阻容保护；E压敏电阻保护；F器件侧阻容

12、保护对于因雷电产生的偶然性过电压，一般可在变压器的高压侧加设避雷器或火花间隙，主要用于保护变压器等电力设备如图9中A，由高压电源经降压变压器供电的变流器，在变压器网侧合闸瞬间，由于变压器初级（网侧）与次级（阀侧）绕组之间存在分布电容，初级绕组的高压电可通过次分布电容耦合到次级绕组，造成静电感应过电压，其值可能大大超过次级正常过电压。为此可采用附加屏蔽绕组的变压器或在变压器和地之间附加电容器，如图9中B。为限制操作过程中的过电压，可以设置阻容保护或整流式阻容保护，以吸收回路中电感器件的磁场能量，限制过电压的值，把操作过电压抑制在允许范围之内，如图9中C、D。为抑制交流侧浪涌过电压的幅值，应采用非

13、线性元件保护，如图9中E。直流侧可以设置和交流侧相同的过电压保护措施。但对于快速性要求较高的系统，尽量不要采用直流侧阻容保护，以免影响快速性指标。直流侧过电压保护主要是抑制或限制滤波电感的磁场储能产生的过电压。近年来，晶闸管泄放电路在直流侧过电压保护中得到了广泛应用。对于元件换相引起的过电压，目前采用抑制换相过电压的方法，在晶闸管两端并联适宜的电路，即可实现保护功能。对称硅过电压抑制器是一种新型过电压保护器件，其特性适合换相过电压保护功能，与晶闸管并联连接就可以起到换相过电压保护作用。换相过电压保护在图中未显示出来。在实际应用中，可根据情况选择设置在图1-7中的部分保护电路。一般不重复设置保护

14、环节，如阻容吸收装置可选择C或D，非线性元件保护可选择E。二过电流的产生及过电流保护2.1 过电流的产生及过电流保护的作用晶闸管装置在运行时有可能产生过电流现象。产生过电流的原因可概括为：生产机械的过载，负载侧短路，逆变电路的逆变失败，器件因性能变坏而损坏等。因晶闸管器件的热容量很小，承受过电流的能力比其它电力装置小得多，如果过电流数值过大而切断稍慢，就会使其结温超过允许值而损坏，因此，为了在故障状态下保护晶闸管装置的安全，必须采用适宜的过电流保护措施，在发生过载和短路时快速切断电路或使电流迅速下降，保证晶闸管免受损坏。2.2 过电流保护的方法及有关参数计算可用作晶闸管装置过电流保护的器件有快

15、速熔断器、过电流继电器、快速开关、电子过电流保护等。合理配置于选择过电流保护是能否起到有效保护作用的关键。快速熔断器的参数计算和接线方法快速熔断器是目前广泛应用的保护措施，起保护原理和普通熔断器相似。在发生过电流时，利用其快速熔断特性和晶闸管过载特性相配合，使其先期熔断并切断电路，保护晶闸管。快速熔断器具有通过电流越大，熔断时间越短的特点，适合做短路保护，但不宜做过载保护。快速熔断器在电路中的接法如图2-1所示。图2-1为交流电源进线串联快速熔断器的接线形式，熔断器用量较少，对整流器的内部、外部故障引起的短路电流均有保护作用，但对元件保护的可靠性稍差；图2-1为直流输出侧串联快速熔断器方式，对

16、外部故障引起的短路电流起保护作用，快速熔断器的用量少，但该方法对整流器的内部故障不起保护作用，对元件保护可靠性较差；图2-1为每只晶闸管都与一个快速熔断器相串联，该方法对所有的短路故障有保护作用，但所用的快速熔断器的数量较多。图2-1 快速熔断器的连接方法在选择快速熔断的额定参数时，应尽量使其额定电压等于或略大于工作电压。快速熔断器的额定电流为有效值，当通过快速熔断器的电流为时，在内不会熔断；如果通过快速熔断器的电流为的6倍，在以内就可以熔断。设电路正常状态通过快速熔断器的电流有效职位，则应按下式选择：式中，为晶闸管的额定电流。在一般电控系统中，常采用过流信号切除触发脉冲的方法，再配合使用快速

17、熔断器保护。快速熔断器属于一次性使用的器件，不能重复使用，且其价格较高，更换不方便，通常作为过电流保护的一种可靠性措施。电子过电流保护装置利用电子装置可组合为具有继电器特性的电子过电流保护装置，电路构成如图2-2所示。由电流检测环节（如电流传感器）监视系统电流，形成输入信号，再将电流信号经整流转换成直流电压信号送至电压比较器，与过流整定值比较。发生过在或短路时，电流信号超过整定值，电压比较器输出高电平，控制门封锁触发系统，使晶闸管迅速阻断；或将触发脉冲迅速后移，使整流器立即转入有源逆变状态，释放出存在电感中的能量，直到逆变结束，整流器停止工作。在正常工作情况下，电流信号值小于过电流整定值，电压

18、比较器输出低电平，控制门开放，触发系统受给定电压的控制，电路正常工作。电子保护电路的特点时动作迅速准确，动作时间一般不超过。随着新型电力传感的应用，电子保护更加完善。图2-2 电子过电流保护装置原理图2.2.3 直流快速开关在大容量和中容量的设备中常用直流快速开关作为直流侧的过载和短路保护。直流快速开关动作时间只有，全部分断电弧的时间不超过，是目前较好的直流侧过电流保护装置。其额定电压、额定电流不小于变流装置的额定值。2.2.4 过流继电器与自动开关在交流侧或在直流侧都可接入过电流继电器，在发生过流故障时动作，切断交流输入端的自动开关。由于过流继电器的动作和自动开关的跳闸都要有一定的时间（约）

19、,故必须设法限制短路电流。只有在短路电流不大的情况下，它们才能起到保护晶闸管的作用。2.3过电流保护的设置交流侧应设置作用于电源开关自动跳闸的过电流继电器，用于保护整体系统。为保护晶闸管，应设进线电抗器限流并设快速熔断器。大中型晶闸管变流器可用直流快速开关作为直流侧过载、过电流保护，发生故障时，要求先于快速熔断器动作，避免快速熔断器熔断。在比较重要或易发生故障的装置中，交流或交流侧设电子过流保护，作用于触发脉冲快速移相或封锁脉冲。大型变流装置可选用霍尔效应磁场补偿式电流传感器。图2-3 各种过电流保护措施快速熔断器是应用最普遍的过电流保护措施。在一些小型电力电子装置中作为主要的保护措施；在一些容量较大的装置中，作为防止晶闸管损坏的最后措施。在和其他保护配合实用的场合，为避免经常更换快速熔断器，动作配合要适当，应尽量使其他保护先动作，并确保晶闸管安全。晶闸管整流装置可能采用的几种过电流保护措施如图2-3所示，图中未画出动作于电源开关自动跳闸的电源保护，在实际应用时可选用其中的一部分。设计结论本文主要是论述过电压保护和过电流保护产生的原因，针对