（已结贴）电源电器擂台第118期——整流设备的保护 点击：2241 | 回复：22
晶闸管是整流设备的主要元件，由于原理和结构等特点，其承受过电压和过电流的能力较差，短时间的过电压和过电流都会造成晶闸管的永久损坏。晶闸管的保护成了整流装置的重要组成部分。本期擂台请你结合实际谈谈晶闸管的保护措施。
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一、过压保护措施
晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值电压UDRM一定值时晶闸管就会误导通，引发电路故障；当外加反向电压超过其反向重复峰值电压URRM一定值时，晶闸管就会立即损坏。
过电压产生的原因主要是供给的电功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量来不及消散而造成的。主要发现为雷击等外来冲击引起的过电压和开关的开闭引起的冲击电压两种类型。由雷击或高压断路器动作等产生的过电压是几微秒至几毫秒的电压尖峰，对晶闸管是很危险的。由开关的开闭引起的冲击电压又分为如下几类：
（1）交流电源接通、断开产生的过电压
（2）直流侧产生的过电压
（3）换相冲击电压 包括换相过电压和换相振荡过电压。
针对形成过电压的不同原因，可以采取不同的抑制方法，如减少过电压源，并使过电压幅值衰减；抑制过电压能量上升的速率，延缓已产生能量的消散速度，增加其消散的途径；采用电子线路进行保护等。目前最常用的是在回路中接入吸收能量的元件，使能量得以消散，常称之为吸收回路或缓冲电路。
（4）阻容吸收回路 通常过电压均具有较高的频率，因此常用电容作为吸收元件，为防止振荡，常加阻尼电阻，构成阻容吸收回路。阻容吸收回路可接在电路的交流侧、直流侧，或并接在晶闸管的阳极与阴极之间。吸收电路最好选用无感电容，接线应尽量短。
（5）由硒堆及压敏电阻等非线性元件组成吸收回路 上述阻容吸收回路的时间常数RC是固定的，有时对时间短、峰值高、能量大的过电压来不及放电，抑制过电压的效果较差。因此，一般在变流装置的进出线端还并有硒堆或压敏电阻等非线性元件。
二、过流保护措施
由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。
产生过电流的原因是多种多样的，例如，变流装置本身晶闸管损坏，触发电路发生故障，控制系统发生故障等，以及交流电源电压过高、过低或缺相，负载过载或短路，相邻设备故障影响等。
晶闸管过电流保护方法最常用的是快速熔断器。由于普通熔断器的熔断特性动作太慢，在熔断器尚未熔断之前晶闸管已被烧坏；所以不能用来保护晶闸管。快速熔断器由银制熔丝埋于石英沙内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。
晶闸管过电压保护，按过电压保护的部位，可分为：交流侧保护、器件侧保护和直流侧保护。
一、交流侧过电压保护 1由于操作交流侧电源时，使电感元件聚集的能量骤然释放所引起的瞬时过电压，一般有以下几种情况：
（1）由于变压器一次、二次绕组之间存在分布电容，若在一次电压峰值时合闸，一次高电压将经分布电容耦合到二次绕组上而出现瞬间过电压。通常可以在变压器二次绕组或在三相变压器二次绕组的星形中点与地之间，并联接入适当的电容（一般为0.5 F），或在一次绕组与二次绕组之间加屏蔽层，就可以显著减小这种过电压。
（2）变压器空载时，一次绕组内只有励磁电流，而励磁电流滞后电源电压约900。当电源电压过零时，这时若突然断闸，由于励磁电流突变，所以在二次绕组感应出很高的瞬时过电压，其峰值可达电源电压峰值的6倍以上，对晶闸管非常有害。
（3）当变流装置直接接到电源上时，由于相邻负载电流的突然断开，会在电源回路的电感上产生感应电动势，感应电动势与电源电压极性恰好是顺极性相加而引起过电压。 交流侧操作过电压都是瞬时的尖峰过电压，抑制这种尖峰过电压的有效方法是并联阻容吸收电路。它是利用电容器两端电压不能够突变的原理，将变压器铁心所释放的磁场能量转化为电容器的电场能量储存起来，从而有效地仰制尖峰过电压 2 交流侧浪涌过电压及其保护 当发生雷击或从电网侵入更高的浪涌过电压时，虽有阻容吸收电路保护，过电压仍会突破允许值，因此，在采用阻容吸收电路保护的同时，可以用类似稳压管稳压原理的硒堆或压敏电阻来保护，它们能把浪涌电压抑制在晶闸管装置允许的范围内。
二、直流侧过电压保护 直流侧是电感性负载时，在某种情况下，会发生浪涌过电压，如图5所示。当整流桥中某两桥臂突然阻断时，因大电感Ld中电流突变，而感生出很高的电动势，并通过负载加在另外处于阻断状态的晶闸管上，因此有可能造成晶闸管硬开通而损坏。直流侧过电压保护可采用与交流侧保护相同的方法，其参数的计算与选择也相同，对于容量较小的装置，可采用阻容吸收电路抑制过电压；对于容量较大的装置，当采用阻容保护影响到系统的快速性时，应选择硒堆或压敏电阻保护。
三、器件保护 晶闸管关断过电压保护
晶闸管从导通变为阻断时，由于流过的电流相应减小，即便减小到零，其内部还残留载流子，管子还没有恢复阻断能力。这些载流子在反向电压的作用下，将产生较大的反向电流，使内部残存的载流子迅速消失，晶闸管立即关断。此时，
反向电流减小的速度非常快，使线路电感上产生很大的感应电动势，形成关断过电压。这种由于晶闸管关断过程引起的过电压，称关断过电压。其过电压值可达工作电压峰值的5～6倍，可能会导致晶闸管的反向击穿，因此必须采取保护措施。
对于关断过电压，最常用的保护方法是在晶闸管两端并联阻容吸收电路，利用电容两端电压不能突变的特性，来吸收尖峰过电压，把电压限制在晶闸管允许的范围内。
晶闸管元件的主要弱点是承受过电流和过电压的能力很差，即使短时间的过流和过电压，也可能导致晶闸管的损坏，所以必须对它采用适当的保护措施。
1、过流保护
晶闸管出现过电流的主要原因是过载、短路和误触发。过流保护有以下几种：
a）快速容断器，快速容断器中的溶丝是银质的，只要选用适当，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏前先溶断，从而保护了晶闸管 ；
b）过电流继电器， 当电流超过过电流继电器的整定值时，过电流继电器就会动作，切断保护电路。但由于继电器动作到切断电路需要一定时间，所以只能用作晶闸管的过载保护；
c）过载截止保护，利用过电流的信号将晶闸管的触发信号后移或使晶闸管的导通角减小，或干脆停止触发保护晶闸管。
2、 过压保护
过电压可能导致晶闸管的击穿。其主要原因是由于电路中电感元件的通断、熔断器熔断或晶闸管在导通与截止间的转换。对过压保护可采用两种措施：
a）阻容保护， 阻容保护是电阻和电容串联后，接在晶闸管电路中的一种过电压保护方式。其实质是利用电容器两端电压不能突变和电容器的电场储能以及电阻使耗能元件的特性，把过电压的能量变成电场能量储存在电场中，并利用电阻把这部分能量消耗掉；
b）硒堆保护
晶闸管过电流的保护措施有下列几种：
1．快速熔断器
普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数之下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。
快速熔断器的接入方式有三种，其一是快速熔断器接在输出（负载）端，这种接法对输出回路的过载或短路起保护作用，但对元件本身故障引起的过电流不起保护作用。其二是快速熔断器与元件串联，可以对元件本身的故障进行保护。以上两种接法一般需要同时采用。第三种接法是快速熔断器接在输入端，这样可以同时对输出端短路和元件短路实现保护，但是熔断器熔断之后，不能立即判断是什么故障。
熔断器的电流定额应该尽量接近实际工作电流的有效值，而不是按所保护的元件的电流定额（平均值）选取。
2．过电流继电器
在输出端（直流侧）装直流过电流继电器，或在输入端（交流侧）经电流互感器接入灵敏的过电流断电器，都可在发生过电流故障时动作，使输入端的开关跳闸。这种保护措施对过载是有效的，但是在发生短路故障时，由于过电流电器的动作及自动开关的跳闸都需要一定时间，如果短路电流比较大，这种保护方法不很有效。
3．过流截止保护
利用过电流的信号将晶闸管的触发脉冲移后，使晶闸管的导通角减小或者停止触发。
引起过电压的主要原因，是因为电路中一般都接有电感元件。在切断或接通电路时，从一个元件导通转换到另一个元件导通时，以及熔断器熔断时，电路中的电压往往都会超过正常值。有时雷击也会引起过电压。
晶闸管过电压的保护措施有下列几种：
1．阻容保护
可以利用电容来吸收过电压，其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容器中，然后释放到电阻中去消耗掉。这是过电压保护的基本方法。
阻容吸收元件可以并联在整流装置的交流侧（输入端）、直流侧（输出端）或元件侧， 2．硒堆保护
硒堆（硒整流片）是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。
硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。
加在串联的每只晶闸管上的电压不均匀就很容易引起晶闸管因过压而损坏;电网存在电压谐波也很容易引起晶闸管因dv/dt瞬时过压而损坏;串联的多只晶闸管因开通与关断不同步同样会引起晶闸管因过压而损坏。
从目前高压串联晶闸管的故障来看，几乎所有晶闸管的损坏均由上述3种情况所引起的，行业内统称为过压损坏。
综合以上的分析可知，晶闸管的损坏主要与电压有关，有必要从电压着手进行研究，针对性的对晶闸管进行相应驱动与保护措施，以防止晶闸管因过压而损坏。
晶闸管的保护：
1、过压保护
晶闸管元件有很多的优点,但由于击穿电压比较接近工作电压，热容量又小，因此承受过电压,过电流能力差，短时间的过电压、过电流都可能造成元件损坏。为了使晶闸管元件能正常工作而不损坏，除合理选择元件外，还必须针对过电压、过电流发生的原因采取适当的保护措施。凡超过晶闸管正常工作时所承受的最大峰值电压的电压均为过电压。过电压根据产生的原因可分为二大类:
1操作过电压:由变流装置拉、合闸和器件关断等经常性操作中电磁过程引起的过电压;
2浪涌过电压:由雷击等偶然原因引起,从电网进入变流装置的过电压,其幅度可能比操作过电压过高.
3均压保护
可控硅串联时，为了使每组可控硅上的电压分布均匀，必然回采用均压保护。
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