浅析晶闸管整流装置过电压分析及保护的配置

武向东 安清 齐群

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摘 要: 随着可控硅技术的不断进步，晶闸管整流装置容量也在大幅提升。由于晶闸管对施加在两侧的过电压有着很高的敏感性，需要采用有效的过电压保护措施来保证整流装置的正常运行。本文先对过电压形成原因与危害进行分析，最后对如何进行过电压保护的配置进行深入探讨。

关键词：晶闸管整流；过电压保护；配置

1引言

晶闸管整流是实现交-直变换的关键技术，可以为同步电机正常运行提供可靠的励磁电流，大多采用三相晶闸管全控整流和相应的配套装置来实现。交流整流装置的交流电源由励磁变压器或中频机来提供，整流的直流侧与励磁绕组进行电气连接，不同输入、输出电气连接方式需要配套不同的励磁绕组，可以构建立起不同功能励磁系统，例如，静止或旋转励励磁系统。但是，不管建立起何种励磁系统，晶闸管整流会在电感回路中运行，可存在电流突变，在回路中就会形成感应电动势和过电压，这就要求整流装置需要具备过电压保护功能，进一步提高晶闸管励磁装置可靠性与安全性，保证整流装置的正常工作。

2过电压形成原因与危害

2.1 晶闸管换相过电压

通过三相全控整流桥建立起的晶闸管整流电路，励磁变压器二次侧相电压为Ua、Ub、UC，在正常运行情况下1#-6#晶闸管会依次导通。如果在t1时间时前，1#-2#晶闸管为导通状态，t1时，3#晶闸管接收到触发脉冲信号，励磁变压器输出侧相电压Ub>Ua，该晶闸管受到正向压降影响而导通，1#晶闸管由于反向压降而关断。在1#晶闸管导通时内部存有载流子，会导致无法及时恢复截止状态，1#与3#晶闸管会同时通道，短路时整流电路电压值为两相线电压均值，输出电压波形存在缺口。在整流周期中会存在6次换相，这样就会产生6个电压缺口和过电压峰值，在输入和输出电压波中产生叠加。换相过电压是一种周期性的过电压现象，会对整流装置、励磁变压器和绕组的绝缘带来不良影响，严重情况下会破坏晶闸管器件，整流装置的可靠性无法得到保证。

2.2 励磁变压器过电压

2.2.1 雷击

如果晶闸管励磁系统交流电由输配电线路变压器低侧输出侧提供，受到雷击或静电等影响引起浪涌电压，会使变压侧低压输出侧存在感应过电压。当前，很多励磁系统都不再采用输配电线路提供交流电源，出现的雷击电压并不多，而励磁变高压侧由厂用电进行他励，也会存在雷击过电压问题。虽然过电压时间并不长，仅为数十微秒，但高电压值会对励磁回路绝缘产生不良影响。

2.2.2合闸过电压

如果励磁变压器一、二次侧绕组存在寄生电容C1，二次绕组与铁芯电容C2，当变压器合闸供电时，C1与C2电容间建立起充电回路而产生位移电荷。为了避免出现较大的操作过电压，可以在一、二次绕组间加设金属静电屏蔽层，并保持与接地铁芯的连接，使两侧绕组间的电容值尽量降低到0。也可以在二次绕组中设置对地电容，可以对过电压倍数进行限制。

2.2.3分闸过电压

如果变压器在空载运行的条件下，电源电压过零时切断供电，这样就会产生较高的瞬时过电压。在变压器空载情况下，一次绕组的励磁电流会滞后电压90°，当电源电压过零时励磁电流达到最大值，变压器磁通也最高，如果在该时刻切断变压器，则励磁电流会由是高值降到零，二次绕组中会形成较高瞬时过电压，该电压值最高为正常反向峰值8-10倍。

2.4励磁绕组过电压

整流装置输出侧多采用直流磁场断路器，该断路器进行分断励磁电流操作时，会在绕组两侧形成反向过电压。当发电机在异步运行状态时，定、转子间磁场会对励磁绕组产生切割，转子会会存在滑差电流，需要存在一定能量释放通道，当转子或整流装置中设置低阻通道，则不会引起较高的滑差电动势，而整流装置中阻断阻抗值较大，转子绕组可视作滑差恒流源，电流经过高阻抗时会存在较高的滑差过电压，会破坏转子绕组和整流装置绝缘。如果发电机突然出现非全相合闸等现象，会存在周期、非周期转子过电压，不利于转子及整流装置的绝缘保护。

3过电压保护的配置

3.1 总体配置

为了消除和抑制晶闸管整流过电压，应该结合不同励磁系统，明确保护对象及范围来选择不同的保护方案，再对参数与整定值进行合理配置。阻容吸收保护可以有效减小最大输出电压，实现对晶闸管换相过电压进行很好的保护；三相组合压敏电阻可以吸收雷击过电压、励磁操作过电压，避免过高电压进入到装置内部；励磁绕组过电压，可以对整流装置和励磁绕组进行最后的保护，防止励磁绕组电压超过对地耐压试验电压70%。

3.2压敏电阻保护

需要在励磁变压器两侧都采用屏蔽层，做到良好的接地，可以降低发电机出口侧雷击、操作过电压对整流装置的影响，并在发电机出口侧安装避雷器，可以不再另行设置交流侧压敏电阻。在励磁变压器高压侧不安装断路器、熔断器，不会存在分断及合闸操作过电压问题。励磁变压器低压侧安装有磁场断路器，在启、停机时会在发电机残压情况进行合、分闸，而出现事故停机时，会应用逆变灭磁等方式，可以降低交磁场断路分闸操作时造成的过电压危害。针对厂用电他励系统，可以在交流侧配置三相组合式压敏电阻，对相间差模过电压、对地共模过电压进行有效吸收，对雷击、合闸和分断等引起的电压浪涌有着很好的抑制作用，是比较理想的过电压解决方案。

3.3 阻容保护

不管是自励、他励方式，还是静止、旋转励磁，都可以采用阻容保护来消除换相引起的过电压。如果采用桥臂阻容保护，如果没有起到很好的消除或抑制效果，可以再安装集中式阻容保护，可以不作为换相过电压主保护方式。集中式、整流式阻容保护可以安装熔断器，额定电压值不小于低压侧电压峰值，而集中式、桥臂分散式可以采用交流电容，额定电压可确定为2倍低压侧电压。整流电容可采用直流电容，额定电压不小于2.5倍低压侧电压。

3.4转子过电压保护

可采用跨接器过电压或非线性电阻限压保护方式，跨接过电压为电压为整定值状态下将跨接器导通，把吸收电阻与励磁绕组进行整合处理，这样可以更好的吸收过电压产生的能量，避免过电压快速升高。如果过电压小于整定值，需自动将跨接器进行关断。吸收电阻可以采用线性、非线性，而不同非线性电阻具备的伏安特性有着很大的差异，氧化锌电阻存在着十分明显的击穿导通点，在大电流情况下具有很好的稳压性能。非线性系数为0.4倍碳化硅电阻，在低电压条件下有着较高的电流值，不可以直接用于励磁绕组两侧，还需要再设置跨接器。非线性系数为0.2倍碳化硅电阻，在低电压情况下的电流值很低，可以并联在励磁绕组两侧，多应用于小型发电机组，大多不设置跨接器过电压保护，只应用高能氧化锌电阻进行过电压限制。如果将高非线性碳化硅阻与励磁绕组两侧进行连接，在正常运行状态下流经电阻的电流并不高，只作为一个小负载来使用。当存在过电压，流经电阻电流值就会变大，可以吸收灭磁或过电压产生的能量。

4结 语

综上所述，晶闸管整流装置对施加在两侧的过电压有着很高的敏感性，正向过电压大于断态重复峰值电压，就会使晶闸管形成误导通，而在承受反向过电压大于重复峰值电压，会使晶闸管受损。做好晶闸管整流装置过电压保护，对于保证装置的安全、可靠运行发挥着重要作用，需要根据系统实际情况来选择科学合理的过电压保护装置。

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