半导体励磁系统保护

5.3半导体励磁系统的保护5.3.1过电压及其抑制5.3.2过电流保护整流装置中的硅元件（硅整流元件及可控硅元件）是半导体励磁装置中的重要器件。为了保证它们安全可靠地长期运行，除了提高硅元件的产品质量，正确选择硅元件的参数，留有一定的裕度外，还必须在装置中适当地采用保护措施。因为硅元件承受过电压和过电流的能力较差，可控硅元件承受正向电压上升率和电流上升率有一定的限度，发电机励磁绕组的绝缘只有一定的耐压水平。如不采取适当的保护和抑制措施，运行中就有可能超过容许范围，损坏半导体励磁系统中的有关部件。为此必须熟悉硅元件本身的标准定额，了解装置所在的电路中引起过电压、过电流以及电压上升率、电流上升率过高的原因和危害，对可控硅元件本身在开通和关断过程中，在电路中引起的暂态过程，需要进行分析和试验。而对于担任抑制和保护功能的器件，必须熟悉其性能参数，并力求选用最简单有效的保护方式，协调工作。由于这方面的影响因素比较复杂，必须将理论分析与试验数据结合，正确地设计保护方式和抑制电路，合理地配备和选用保护器件。5.3半导体励磁系统的保护5.3.1过电压及其抑制1．过电压的来源■过电压分为外因过电压和内因过电压两类。■外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。◆操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压。◆雷击过电压：由雷击引起的过电压。■内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。◆换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。◆关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。励磁系统过电压产生原因主要是：雷击、操作、换相、拉弧、失步、非全相合闸等，主要在励磁变二次侧和转子侧，即整流装置的交流侧和直流侧。5.3半导体励磁系统的保护5.3.1过电压及其抑制1．励磁系统过电压的来源1）交流侧过电压包括一下几种情况：◆经由主变压器或发电机端传输到励磁系统的大气过电压或由操作引起的暂态过电压。◆励磁变压器分断引起的过电压。◆换相过电压。由于励磁变压器存在漏抗，功率整流器元件换相使电流中断引起的过电压。2）直流侧过电压在整流器励磁系统中，由于整流元件在正向导通，反向阻断，因此，在某些运行方式下会一起过电压。例如：同步发电机与电网并列非全相合闸时、变压器高压侧发生两相或三相短路时、非同步状态下运行，在上述运行方式条件下，均有可能在发电机励磁回路引起使功率整流器闭锁的过电压。3）操作过电压◆由高压电源供电的励磁变压器，其一次绕组和二次绕组间存在分布电容C12。当变压器高压侧开关合闸时一次绕组高压u1将经过C12耦合到二次绕组。若二次绕组对变压器铁芯间的分布电容为C20，则合闸瞬间二次绕组感受到的电压u2可近似为：显然，二次绕组感应的过电压数值将随变压器变比的增加而增大。5.3半导体励磁系统的保护5.3.1过电压及其抑制1．励磁系统过过电压的来源3）操作过电压◆在电源变压器空载情况下，如果在电源电压过零时突然断开电源，则会产生严重的瞬变过电压。变压器空载时，一次绕组中只有励磁电流i（0）由最大值变到零，则相应的都很大，结果在二次绕组中感应出很高的瞬时过电压，如下图所示。因此，必须采取有效措施吸收储存在变压器磁场中的能量，以避免在断开空载变压器时产生大能量的过电压冲击。◆变压器一次绕组的漏抗与二次绕组的分布电容（包括抑制电容）所形成的震荡电路在变压器合闸（相当于突然加上一个阶跃电压）时，将引起瞬变过程而产生过电压。在严重情况下，这个瞬变电压的峰值可达正常反向峰值电压的2倍，通常情况下亦可达1.6倍左右。◆晶闸管整流电路直流侧开关断开时，由于电流突变，将在交流回路的电感上产生过电压。5.3半导体励磁系统的保护

（a）线路图（b）一次电压曲线图；（c）一次电流曲线图（d）二次电压曲线图5.3.1过电压及其抑制1．励磁系统过过电压的来源.4）运行过电压◆晶闸管整流桥换相过电压。对于三相全控桥式整流桥线路，阳极及阴极组晶闸管存在着周期性换相，对于第Ⅰ种换相状态，晶闸管元件将分为非换相及换相两种工作状态，对于下图（a）所示的三相桥式全控整流线路，假定在t1时刻前，V1

及V2元件导通，t1时刻后，V3元件被触发，因此ub>ua，故V3承受正电压，V1和V3元件开始换相，最终V1截止、V3导通。整流电压波形如下图（b）所示。但是，由于V1元件在导通期间在晶体内积蓄了少数载流子（电子和空穴电荷），使元件不能瞬时截止，形成V1和V3元件同时导通的换流状态。5.3半导体励磁系统的保护

（a）整流线路；（b）整流电压波形5.3.1过电压及其抑制1．励磁系统过过电压的来源.4）运行过电压在换流过程中，iV1+iV3=If，iV1和iV3电流的变化率决定于ub-ua的电压差和励磁变压器换流电感Lr的数值。在t=t2时刻，iV1=0，iV3=If，此时换流结束。但由于V1元件晶体内还积蓄少数载流子，不能恢复截止，故换流电流ir继续增长使iV3>If，直到t3时刻反向电流达到最大值，积蓄的载流子迅速复合完毕，在t4时刻完全恢复截止，iV3电流立即下降到If值。由于t3~t4时间间隔只有几个微秒，故在此期间引起的电流变化率极大，引起的相应换流过电压可达到极高的数值。5.3半导体励磁系统的保护

（a）整流线路；（b）整流电压波形5.3.1过电压及其抑制1．励磁系统过过电压的来源.4）运行过电压◆在发电机异步运行时产生的滑差过电压。当同步发电机的有功负载、功角突然发生变化以及运行在失步振荡过程中时，将在发电机励磁绕组中引起滑差频率的正弦波感应过电压，其幅值为：Esm=√2×4.44f2WϕKw上式中Esm为在发电机励磁绕组中引起的滑差过电压；f2为相对于定子侧的转子滑差频率；ϕ为定子电流产生的旋转磁场主磁通；Kw为发电机励磁绕组系数。◆发电机定子三相负载不对称或缺相运行形成定子三相电流不平衡。依对称分量法可将其分解为正序、负序及零序电流，流过定子绕组的三相电流在空间上形成相隔120°点角度的对称电流。正序及负序电流产生的合成磁场分别在空间作正向及反向的同步转速旋转，称作正序及负序刺痛。而转子绕组是以正向同步转速旋转的，其对正序磁通相对静止，对负序磁通以两倍同步转速相对运动。该过电压的幅值可用Esm=√2×4.44f2WϕKw计算，不过，式中的f2的值为两倍的正序电压频率值，ϕ为定子不对称电流产生的负序磁通。◆发电机运行中如发生突然短路、失步、非全相或非同期合闸等故障，则在转子绕组中会产生很高的感应过电压，危及晶闸管励磁系统整流电路的安全运行。5.3半导体励磁系统的保护5.3.1过电压及其抑制2．励磁系统过电压的抑制过电压的抑制措施及其配置综合示意图，见下图。注：1~4RC为阻容保护器。利用电容器两端电压不能突变而能储存电能的基本特性，可以吸收瞬间的浪涌能量，限制过电压。为了限制电容器的放电电流，降低可控硅开通瞬间电容放电电流引起的正向电流上升率di/dt，以及避免电容与回路电感产生振荡，通常在电容回路上串入适当电阻，从而构成阻容吸收保护。一般可抑制瞬变电压不超过某一容许值，作为交流侧、直流侧及硅元件本身的过电压保护。为抑制大气过电压对变压器的影响，通常在变压器一次绕组上装设避雷器。5.3半导体励磁系统的保护5.3.1过电压及其抑制2．励磁系统过过电压的抑制过电压的抑制措施及其配置综合示意图，见下图。注：1~4RC为阻容保护对投入变压器时，因绕组间存在寄生电容而引起的过电压，可采用接地屏蔽或在变压器二次绕组侧直接接入对地电容加以抑制。为了抑制切除空载变压器励磁电流i（0）而引起的过电压，可采用电容器、硒堆或压敏电阻等储能或耗能元件，以吸收变压器中存储的能量。同样，可以采用上述的阻容、硒堆、压敏电阻等保护器件，抑制直流侧过电压。此外，工程上还采用晶闸管跨接器自动投入电阻的方法抑制转子侧过电压。5.3半导体励磁系统的保护5.3.1过电压及其抑制2．励磁系统过电压的抑制1）阻容保护器众所周知，电容器可以贮藏能量，在电磁暂态过程中由于电容器两端的电压不能突变，利用这一特性与电阻元件组合，可以构成晶闸管励磁系统中交、直流侧和功率元件本身的阻容吸收保护装置。三相交流侧阻容保护有星型和三角形两种接法，由于三角形接法能减小电容量，故采用较广泛。电容用于吸收瞬时浪涌能量，以抑制过电压；电阻为耗能元件，用于限制晶闸管元件导通时电容器放电电流所引起的电流上升率，同时可防止回路中的L、C元件形成谐振。见下图：为了防止晶闸管元件关断过程引起的过电压，通常在每只元件的两端分别并联阻容保护，如上图（d）所示。但是这种接线同样存在并联电容放电时增加导通晶闸管元件dt/di的弊端。此时，亦可在直流侧接入单相整流桥阻断式阻容保护。对于多个晶闸管元件串联、并联的晶闸管电路，同样起到动态均压和限制正向电压上升率的作用。5.3半导体励磁系统的保护（a）单相接法；（b）三相组容保护星型接法；（c）三相组容保护三角形接法；（d）硅元件保护接法RC过电压抑制电路联结方式a）单相b）三相反向阻断式过电压抑制用RC电路5.3.1过电压及其抑制2．励磁系统过电压的抑制1）阻容保护器抑制外因过电压采用RC过电压抑制电路最为常见。对大容量的电力电子装置，可采用下图所示的反向阻断式RC电路。

阻容保护装置简单可靠，应用广泛。其缺点是正常运行时电阻消耗功率，发热严重。对于非整流阻断式保护的缺点容易造成波形畸变，作为大容量整流器的保护装置体积显得过大，同时元件散热问题比较突出。5.3半导体励磁系统的保护5.3.1过电压及其抑制2．励磁系统过电压的抑制2）压敏电阻浪涌吸收器压敏电阻是由氧化锌烧结成的金属氧化物，或者碳和硅的人工合成晶体碳化硅构成，是一种多晶体的陶瓷器件，具有抑制过电压能力强、漏电流及损耗小、对浪涌电压反应快、寿命长、运行可靠及价廉等优点，是一种较好的过电压保护元件。压敏电阻用作过电压保护时的接线下图所示。三角形接法主要用于防止操作过电压，星形接线则可防止雷电侵入波引起的过电压。对于要求残压更低的小容量装置，可串接稳压阻抗Z（电抗或电阻），如下图（e）所示。压敏电阻的残压比较大，当晶闸管元件的电压储备系数（安全系数）较小时，不宜采用压敏电阻作过电压保护。此外，压敏电阻虽能抑制过电压数值，却不能抑制du/dt。因此，在du/dt较大的场合仍须装设RC保护。5.3半导体励磁系统的保护（a）单相接线；（b）三相星形接线；（c）三相三角形接线；（d）晶闸管元件保护；（e）串接稳压阻抗Z5.3.1过电压及其抑制3．励磁系统过电压阻容保护器的选择3）交流侧阻容保护器的选择一般按断开空载变压器时产生的能量冲击来选择阻容吸收保护的电容量。变压器折合到副边的空载等效激磁电感为：变压器的最大磁场能量为：若磁场能量全部转换成电容器内的电场能量，使电容器上的电压最高可达变压器副边额定电压幅值的k倍，则电容器应储存的最大电场能量为：式中C—电容量，单位F。取Wc=WL，可得电容量为：5.3半导体励磁系统的保护式中U（0）2

—变压器副边空载额定电压，单位V；I（0）2

—折合到副边的激磁电流，单位A；f—电源频率，单位Hz。5.3.1过电压及其抑制3．励磁系统过电压阻容保护器的选择3）交流侧阻容保护器的选择上式是理论上将变压器的全部磁场能量转换成电容器贮存的电场能量，而使电压不超过k倍时所需的电容值。实际上断开变压器空载激磁电流时，电弧要消耗大部分能量（例如断路器触头断开电流，出现过电压时，电流已降低到激磁电流I0的20%~40%）。变压器铁芯及导线电阻上也有损耗，变压器和进线电缆的对地电容以及各种寄生电容均有吸收作用，故实际选择阻容保护用电容器的电容量上式的计算值要小，通常约乘上0.2~0.4或更小一些的修正系数。至于容许电压升高的倍数，一般选取k值在1.3~1.5较为经济。基于上述考虑，由于可取不同的k值及修正系数，因此有不同系数的选择。则公式如下：式中U（0）2—变压器副边空载额定电压，单位V；I（0）2—折合到副边的激磁电流，单位A；f—电源频率，单位Hz。所选电容器的额定电压，应不小于交流侧最高工作电压峰值的1.1~1.5倍。5.3半导体励磁系统的保护单相桥式三相桥式三相半波5.3.1过电压及其抑制3．励磁系统过电压阻容保护器的选择3）交流侧阻容保护器的选择在选定电容器作为储能元件后，一般应串入耗能电阻，避免电容与回路电感产生串联谐振，应选择电阻值如下：但是电阻的阻值不能选择过大，考虑变压器原边切断电流的瞬间，激磁电流I（0）2通过在副边产生的电压，应低于容许的过电压值，即：通常K为0.3~0.36，电阻的功率可取：上式中U（0）2—变压器副边空载额定电压，单位V；I（0）2—折合到副边的激磁电流，单位A。5.3半导体励磁系统的保护5.3.1过电压及其抑制3．励磁系统过电压阻容保护器的选择3）交流侧阻容保护器的选择为了避免可控硅管在开通过程中，因交流侧阻容保护的放电电流流过可控硅管，而造成过大的电流上升率可能损坏可控硅元件，整流桥交流侧的阻容保护也可采用反向阻断式接线。当整流桥的交流侧发生过电压时，其直流侧的阻容保护可以吸收交流电源发生的浪涌电压，以避免可控硅桥承受过电压。而交流侧电压下降或短接时，由于整流桥Z的反向阻断作用，可以阻止电容器向交流侧的可控硅元件放电。其参数选择可参考下列算式。计算电容：式中U（0）2—变压器副边空载额定电压，单位V；I（0）2—折合到副边的激磁电流，单位A；f—电源频率，单位Hz。一般取：式中L1—变压器每相漏感，单位μH；τ—放电时间常数，一般取2s。5.3半导体励磁系统的保护5.3.1过电压及其抑制3．励磁系统过电压阻容保护器的选择4）直流侧阻容保护器的选择若在直流侧装设阻容保护Cd、Rd来抑制交流侧的浪涌过电压，可参考下式选择阻容参数。式中U（0）2—变压器边空载额定电压，单位V；I（0）2—折合到副边的激磁电流，单位A；f—电源频率，单位Hz。电容器的额定电压一般取直流侧最高工作电压的1.1~1.5倍；当采用直流电容器时，电容器的额定电压一般取直流侧最高工作电压的3.5倍。电阻功率取：式中Uσ为纹波电压，一般取频率最低、幅值最高的谐波电压Un，单位V；fn为与Un对应的谐波频率，单位Hz。5.3半导体励磁系统的保护单相桥式三相桥式5.3.1过电压及其抑制3．励磁系统过电压阻容保护器的选择5）关断过电压保护器的选择为了防止硅元件关断过程引起的过电压，可以在每个硅元件的两端分别并接阻容保护Cb、Rb，或者通过单相桥接入反向阻断式阻容保护，并尽量靠近被保护元件，引线宜短。电容Cb的参数选择与反向恢复电荷Qr有关，而Qr又与硅元件的额定正向平均电流IT（AV）有一定的关系，可按下式选择：5.3半导体励磁系统的保护一般对500A的整流元件可取1μF，200A的取0.5μF，100A的取0.25μF，20A的取0.1μF。在此电容回路内串入电阻Rb，是为了避免可控硅元件开通时，电容器Cb放电电流的上升率太高，也为了避免放电电流过大及在电感回路中产生振荡。电阻可按下式选择：式中L1—变压器漏感，单位μH；La—连线及桥臂电感，单位μH。通常电阻Rb在5~50Ω间选用。电阻功率为：式中—URWM硅元件反向工作峰值电压，单位V。系统运行时励磁变压器低压侧波形过电流保护措施及配置位置■过电流分过载和短路两种情况。◆快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施，一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。◆通常，电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。5.3半导体励磁系统的保护5.3.2过电流保护5.3半导体励磁系统的保护5.3.2过电流保护1.过电流产生的原因对于半导体励磁装置，可能有下列几方面的原因，使流过整流桥臂元件及励磁变压器绕组的电流超过其正常定额。◆整流桥内部某一桥臂元件击穿短路，丧失阻断能力，则交流电源可通过已损坏短路的桥臂和其它完好的桥臂元件，交替形成二相短路及三相短路。这些电流将流过某些完好的桥臂元件及变压器绕组，其数值可超过交流侧三相短路时周期分量的幅值。◆整流桥