半导体变流器的过电压保护

1、 半导体变流器的过电压保护半导体变流器的过电压保护苏州电通电力电子有限公司孙丹峰如何使用电压限制型电涌保护器如何使用电压限制型电涌保护器抑制变流器中的各种过电压抑制变流器中的各种过电压何为电压限制型电涌保护器？何为电压限制型电涌保护器？至少包含有两个端口和一个非线性元件，至少包含有两个端口和一个非线性元件，该元件在没有电涌时具有高阻抗，但是随该元件在没有电涌时具有高阻抗，但是随着电涌电流和电压的上升，其阻抗将会持着电涌电流和电压的上升，其阻抗将会持续地减小。该非线性元件通常为金属氧化续地减小。该非线性元件通常为金属氧化物压敏电阻片（物压敏电阻片（MOV）。）。 电压限制型电涌保护器电压限制型电

2、涌保护器/装置的分类装置的分类差模电涌保护器共模电涌保护器复合式电涌保护器智能型电涌保护器智能型差模电涌保护器智能型差模电涌保护器新SVP系列电涌保护箱各种电涌保护器的用途各种电涌保护器的用途差模电涌保护器（DSP）的用途：安装在变流器的网侧和/或直流侧，抑制由于供电变压器空载分闸引起的操作过电压以及过流保护元件或装置动作引起的网侧和直流侧的操作过电压 。核心功能元件：Zn-Bi-Ti系MOV（MOV-1）差模：安装于L-L或L-N之间各种电涌保护器的用途各种电涌保护器的用途共模电涌保护器（CSP）的用途：安装在变流器的网侧和/或直流侧，用于抑制从供电变压器一次侧耦合至二次侧的大气过电压和静电

3、感应过电压、供电变压器二次侧直接感应的大气过电压和变流器直流侧感应的大气过电压 。 核心功能元件：Zn-Bi-Sb系MOV（MOV-2） 共模：安装于L-PE/G或N-PE/G各种电涌保护器的用途各种电涌保护器的用途复合式电涌保护器（DCP）：以MOV-1和MOV-2为核心功能元件的3端口复合式电涌保护器，它同时具备差模保护和共模保护的功能，可视为DSP系列和CSP系列电涌保护器的复合体。DCP=DSP+CSP 各种电涌保护器的用途各种电涌保护器的用途电涌吸收装置（SVP）：将DSP差模电涌保护器、CSP共模电涌保护器、放电计数器、安全脱扣器、对地绝缘电阻实时监视器和故障报警器复合为一体的半导

4、体变流器电涌吸收箱。它具有功能齐全、界面友好、接线方便、安全可靠的优点，适合安装在多机变流系统的公共变压器阀侧起一级主电涌保护作用或在大型和重要工程中使用。接线方式LTLTLTFACFBFBFBFBFBFBT1T3T5T4T6T2FDCQBLaDSPCSPCSPCSPDSPPEPELACLACLACFACFAC综合过电压保护箱电路原理图综合过电压保护箱电路原理图操作过电压的物理模型I0LRKuvivRV1/vviCu1/vvdd-iCtiL操作过电压的物理模型iV t 0IPtktLCI)/11 (i)1/-(10)1/-(1vtLCIi0vI0CILt0k操作过电压作用于MOV的波形电压波形

5、电流波形大气过电压的标准放电波形峰值峰值尾沿尾沿前沿前沿8/20标准雷电流波形示意图标准雷电流波形示意图前沿时间Ts8s10半峰值时间Tr20s10 图1-2-5 8/20s电流波与压敏电阻残压波形的对应关系大气过电压对变流器的影响共模保护十分必要传统方法存在的问题未考虑专门的大气过电压（共模）保护；忽视差模电涌保护器动作时，电路暂态过程的计算，导致对限制电压（电压保护水平）的估计不准确；根据电感元件的储能来选择差模电涌保护器的能量吸收能力的方法不符合MOV的特性；传统方法存在的问题传统方法存在的问题电涌保护设计上的误区整流变压器一次侧“三叉戟”避雷器电路原理在供电变压器高压侧安装有过压保护装

6、置时，变压器的低压侧不安装电涌保护器。造成变流器过压损坏。传统方法存在的问题GB/T 10193-97 idt IEC 61051 电子设备用浪涌抑制型压敏电阻总规范；GB 18802.1 idt IEC 61643-1 低压配电系统电涌保护器 第1部分 性能要求与实验方法；IEC 61643-331低压配电系统电涌保护器 用MOV技术规范压敏电阻技术介绍压敏电阻技术介绍术语、技术指标和技术资料1.动作电压UN在规定的温度和直流参考电流（1mA或10mA）下测得的电涌保护器两端的电压值，也称为压敏电压或直流参考电压。对同一规格的过压保护器， UN的制造偏差不超过其额定值的5%（差模）和10%（

7、共模） ；压敏电阻技术介绍2. 最大交流荷电率SAM在规定温度下，允许连续施加在过压保护器上的最大工频电压幅值与电涌保护器动作电压UN之比。 差模：0.85，共模：0.97。3. 最大直流荷电率SDM 在规定温度下， 最大连续直流电压与过压保护器动作电压UN之比。差模：0.75，共模：0.84 。压敏电阻技术介绍4.标称放电电流 In电涌保护器能够承受的规定次数（至少15次）和峰值的8/20s最大冲击电流。5.操作电流波形/三角电流波形快速切断储能电感元件中的电流所产生的操作过电压使电涌保护器导通时，流过电涌保护器的电流随时间变化过程的曲线。通常，当储能元件的感抗远大于它的直流电阻时，该曲线的

8、形状接近于一个直角三角形。压敏电阻技术介绍6. 限制电压Ucl规定波形的电流流过电涌保护器时，它两端的电压峰值。注：对同一只电涌保护器，不同波形下相同峰值电流的限制电压有可能不相等。压敏电阻技术介绍7. 等效方波电流Isw实际流过电涌保护器的电流峰值或初值。8.等效方波时间tsw将实际流过电涌保护器的电流波形按电荷量等效原则转换为方波电流波形，该电流方波的持续时间。压敏电阻技术介绍操作电流波操作电流波/三角波的等效方波电流和等效方波时间三角波的等效方波电流和等效方波时间压敏电阻技术介绍8/20标准雷电流的等效方波电流和等效方波时间压敏电阻技术介绍9. 脉冲降额曲线在给定的重复冲击次数n下，测得

9、的最大等效方波电流与等效方波时间的关系曲线。压敏电阻技术介绍压敏电阻技术介绍10. 直流伏安特性曲线表示电涌保护器的直流限制电压与流过过压保护器的直流电流之间的关系曲线。注：电涌保护器被操作过电压触发导通且等效方波时间800s情况下，实际的伏安特性曲线与直流伏安特性曲线基本相同。 压敏电阻技术介绍11. 8/20电流波形下的伏安特性曲线 以8/20波形的冲击电流测得的电涌保护器的限制电压与峰值电流的关系曲线。压敏电阻技术介绍高能型MOV与高压型MOV的区别DSP电压限制型保护器的选型原则正确选择动作电压，保证保护器自身的安全；使保护器动作时的电压小于被保护器件的最大允许峰值电压，保证其过压保护

10、的实际效果；使保护器的寿命达到预期值。网侧DSP差模保护器的选型n额定动作电压UNA UNA2 U2L(1+r)0.95SAM当重复峰值电压与工作峰值电压之比ULRM/ULWM 1.35且脉冲持续时间较长时，施加在网侧差模过压保护器上的平均功耗不得超过差模过压保护器的的额定功率。 网侧DSP差模保护器的选型n估算供电变压器空载分闸时网侧差模电涌保护器的等效方波电流参数 Isw2 2KZ(I0%/100)KtI1L3tswLtmIswCA103Ltm3U1LwI1L(I0%/100)Kt2（ms）（A）（H）（供电变压器二次侧绕组等效接时折算二次侧的单相激磁电感值 ）2网侧DSP差模保护器的选型

11、判断各种过流保护元件或装置动作时网侧差模过压保护器是否导通并计算其导通时的等效方波电流参数变流器中出现过电流故障时，依过电流故障发生的原因、负载性质和设计功率的不同，可能设置有安装于不同位置和参数的过流保护元件或装置。常见的过流保护元件或装置有：直流侧快速开关、直流侧快速熔断器、桥臂快速熔断器和交流侧相接快速熔断器。各种过流保护元件或装置动作时网侧差模电涌保护器是否导通以及其导通时的等效方波电流参数的大小，不仅与其自身的参数有关，网侧DSP差模保护器的选型而且还依赖于这些过流保护元件或装置的特性（如直流侧快速开关的电弧电压、固有机构时间，快速熔断器的弧前I2t、额定电压和总分断I2t等）有关，

12、因此网侧差模过压保护器的选型应与这些过流保护元件或装置的选型协调进行。应根据预选网侧差模电涌保护器和其它相关电路参数，通过电路暂态计算，分别判断已设置的每种过流保护元件或装置动作时，预选网侧差模过压保护器是否导通并计算在各种导通情况下的最大电流波形，分别求出各种最大电流波形的等效方波电流参数（Isw，tsw）。网侧DSP差模保护器的选型脉冲降额曲线和伏安特性曲线校验并选定产品规格 将各种可能情况下的等效方波电流参数（Isw，tsw）转换成相应系列产品的脉冲降额曲线图中的坐标点（又称为工作点） 网侧DSP差模保护器的选型网侧DSP差模保护器的选型最终所选产品规格，其特性应同时满足以下两个条件：1

13、）对应着所选冲击寿命值n的降额曲线位于所有的工作点之上；2）各种导通情况下的等效方波电流的最大值在直流伏安特性曲线上所对应的限制电压Ucl应不大于被保护晶闸管的最大反向重复峰值电压URRM。直流侧DSP差模保护器的选型计算 额定动作电压UND? ?SrUU+当重复峰值电压与工作峰值电压之比ULRM/ULWM 1.35且脉冲持续时间较长时，施加在网侧差模过压保护器上的平均功耗不得超过差模过压保护器的的额定功率。 直流侧DSP差模保护器的选型计算判断各种过流保护元件或装置动作时直流侧差模过压保护器是否导通并计算其导通时的等效方波电流参数脉冲降额曲线和伏安特性曲线校验并选定产品规格 共模电涌保护器的

14、选型计算 在变流器中同时使用共模电涌保护器和差模电涌保护器或使用既有共模保护功能也有差模保护功能的复合式过压保护器时，应尽量避免这两类过压保护器在过电压发生时同时导通，尤其应当避免操作过电压发生时共模过压保护器的导通。共模过压保护器对大气过电压和静电感应过电压的抑制效果不仅同其自身的参数和性能有关，而且还强烈地依赖于变流器的交流进线和直流母线的对地绝缘电阻的大小，因此在使用共模过压保护器的情况下，在网侧和直流侧安装性能可靠的实时绝缘监视装置。网侧CSP共模保护器的选型n额定动作电压UNAC 为避免操作过电压发生时网侧共模过压保护器导通，UNAC的选值应满足以下条件： 2 0.9 UNACUcl(Iswm)网侧CSP共模保