高壓固態(tài)軟啟動裝置故障分析

薛明禮?張聰國?薛琨?劉鐵凝

摘要：在高壓固態(tài)軟啟動裝置的應(yīng)用過程中晶閘管故障幾乎占據(jù)了高壓固態(tài)軟啟動裝置故障的90%以上。本文針對高壓固態(tài)軟啟動裝置的故障情況，詳細(xì)分析了串聯(lián)晶閘管的驅(qū)動，并對高壓串聯(lián)晶閘管的保護(hù)提出了均壓與過壓保護(hù)。

關(guān)鍵詞：高壓晶閘管;驅(qū)動;保護(hù);串聯(lián)技術(shù)

1引言

高壓串聯(lián)晶閘管的應(yīng)用在國內(nèi)起步較晚，真正在石油石化行業(yè)廣泛應(yīng)用是2000年以后。在高壓固態(tài)軟啟動裝置的應(yīng)用過程中晶閘管故障幾乎占據(jù)了高壓固態(tài)軟啟動裝置故障的90%以上。鑒于此，筆者結(jié)合多年高壓固態(tài)軟啟動裝置的應(yīng)用經(jīng)驗，分析了晶閘管產(chǎn)生故障的原因，初步探索了驅(qū)動及保護(hù)晶閘管的解決辦法。

2晶閘管產(chǎn)生故障的原因

目前真正已成熟并投入使用的晶閘管耐壓僅有直流6500V（dv/dt最大也就2000V/μs）。當(dāng)今工業(yè)電網(wǎng)電壓大多為三相交流6kV、10kV、35kV，單只直流6500V的晶閘管無法直接應(yīng)用于高壓系統(tǒng)，須采用串聯(lián)技術(shù)，由此帶來了一系列問題，具體如下：（1）晶閘管上的電壓不平衡易引起晶閘管過壓而損壞;（2）電壓諧波易引起晶閘管瞬時過壓而損壞;（3）晶閘管的開通與關(guān)斷不同步易引起晶閘管因過壓而損壞。

從目前高壓固態(tài)軟啟動裝置的故障來看，幾乎所有晶閘管的損壞均由上述三種情況所引起。綜合以上分析可知，晶閘管的損壞主要與電壓有關(guān)，有必要從該方面著手進(jìn)行分析，針對性地采取相應(yīng)驅(qū)動與保護(hù)措施，以防止晶閘管因過壓而損壞。

3高壓串聯(lián)晶閘管的驅(qū)動與保護(hù)研究

3.1高壓串聯(lián)晶閘管的驅(qū)動

3.1.1晶閘管的觸發(fā)電路

晶閘管觸發(fā)電路的作用是將控制信號轉(zhuǎn)變成延遲角信號，通過觸發(fā)電路向晶閘管提供門極電流，決定各個晶閘管的導(dǎo)通時刻。因此，觸發(fā)電路與主回路一樣是晶閘管裝置的重要部分，兩者之間相對獨(dú)立又相互依存。

3.1.2觸發(fā)脈沖的要求

晶閘管裝置種類很多，工作方式不同，對觸發(fā)電路的要求也不同，具體如下：（1）由于晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，門極即失去控制作用，為減少門極損耗，一般觸發(fā)信號采用脈沖形式。（2）觸發(fā)電路的任務(wù)是提供控制晶閘管的門極觸發(fā)信號。由于晶閘管門極參數(shù)的分散性以及其觸發(fā)電壓、電流隨溫度變化的特性，為使各合格元件在各種條件下均能可靠觸發(fā)，觸發(fā)電流、電壓必須大于門極觸發(fā)電流IGT和觸發(fā)電壓UGT，即脈沖信號發(fā)出功率必須保證在各種工作條件下都能使晶閘管可靠導(dǎo)通。

（3）在大電流晶閘管串聯(lián)電路中，要求串聯(lián)元件能同時導(dǎo)通，各元件的di/dt都應(yīng)在允許范圍之內(nèi)。由于元件特性的分散性，先導(dǎo)通元件的di/dt就會超過允許值而損壞，故應(yīng)采取圖1所示的強(qiáng)觸發(fā)脈沖。強(qiáng)觸發(fā)電流幅度為觸發(fā)電流值的5倍左右，前沿陡度應(yīng)不小于0.5A/μs，最好大于1A/μs（即0～t1段）;強(qiáng)觸發(fā)寬度對應(yīng)時間t2應(yīng)大于50μs，脈沖持續(xù)時間t3應(yīng)大于550μs。

（4）為使晶閘管在每個周期都在相同的控制角α下觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，也就是說觸發(fā)信號應(yīng)與電源保持固定的相位關(guān)系。同時，為了使電路在給定的范圍內(nèi)工作，應(yīng)保證觸發(fā)脈沖能在相應(yīng)范圍內(nèi)工作及在相應(yīng)的范圍內(nèi)進(jìn)行

移相。為保證逆變工作安全可靠，對最小的逆變角βmin也應(yīng)加以限制，一般βmin=30°～35°。

2.2 晶閘管的保護(hù)

2.2.1 過壓保護(hù)

晶閘管元件由于擊穿電壓比較接近工作電壓，承受過電壓、過電流能力差，短時間的過電壓、過電流都可能造成元件損壞。為了使晶閘管元件能正常工作而不損壞，除合理選擇元件外，還必須針對過電壓、過電流發(fā)生的原因采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。主要措施如下：

對過電壓進(jìn)行保護(hù)的原則：使操作過電壓限制在晶閘管額定電壓UR以下，使浪涌過電壓限制在晶閘管的斷態(tài)和反向不重復(fù)峰值電壓UDSM和URSM以下。一個晶閘管變流裝置或系統(tǒng)應(yīng)采取過電壓保護(hù)措施的部位可分為交流側(cè)、直流側(cè)、整流主電路等幾部分。

對于交流側(cè)發(fā)生的過電壓，通?？刹扇∫韵卤Ｗo(hù)措施：

（1）雷擊過電壓可在變壓器原邊加接過電壓保護(hù)器或避雷器進(jìn)行保護(hù)。

（2）原邊電壓很高或變比很大的變壓器，由于原、副邊繞組間存在分布電容，原邊合閘時高電壓可能通過分布電容耦合到副邊而出現(xiàn)瞬時過電壓，對此可采取變壓器附加屏蔽繞組接地或變壓器星形中點(diǎn)通過電容接地的方法來減小。

（3）對于雷擊或更高的浪涌電壓，如阻容保護(hù)還不能吸收或抑制，應(yīng)采用壓敏電阻等非線性電阻進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)變流裝置過載、熔斷器切斷過載電流時，整流變壓器儲能的突然釋放也會產(chǎn)生過電壓。盡管變壓器副邊已采取保護(hù)措施，但變壓器過載時儲能比空載時儲能大，過電壓還會通過導(dǎo)通的整流元件反映到直流側(cè)來，帶來了直流側(cè)過電壓的保護(hù)問題。因此，應(yīng)在直流側(cè)設(shè)置與交流側(cè)相同的保護(hù)措施，其參數(shù)選擇原則也相同。

對于由于晶閘管關(guān)斷過程引起的過電壓，其值可達(dá)工作電壓峰值的5～6倍，必須對晶閘管采取保護(hù)措施。此時可采用與元件相并聯(lián)的阻容保護(hù)，其R、C值與晶閘管串聯(lián)時動態(tài)均壓阻容計算方法相同。

過電壓保護(hù)方法中，主要采用阻容保護(hù)、壓敏電阻保護(hù)等。

2.2.2 均壓保護(hù)

晶閘管串聯(lián)時，為了使每組晶閘管上的電壓分布均勻，必須采用均壓保護(hù)（圖2）。

結(jié)語

筆者針對高壓固態(tài)軟啟動裝置的故障情況，詳細(xì)分析了串聯(lián)晶閘管的驅(qū)動，并對高壓串聯(lián)晶閘管的保護(hù)提出了均壓與過壓保護(hù)。將文中所述驅(qū)動與保護(hù)電路應(yīng)用于高壓串聯(lián)晶閘管裝置，多年的現(xiàn)場實(shí)踐證明其行之有效。隨著晶閘管制作技術(shù)與工藝水平的不斷提高，晶閘管也在朝著更高電壓與電流等級的方向發(fā)展，所以要對更高電壓與電流等級晶閘管的驅(qū)動與保護(hù)展開進(jìn)一步的研究。

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