半导体励磁系统的保护

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1、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

2、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

3、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，

4、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

5、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）

6、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

7、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

8、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