可控硅换相过电压的产生原因及抑制措施
文章出处：未知 人气：发表时间：2019-04-11 10:41
可控硅换相过电压的产生原因及抑制措施
摘要 本文以三相桥式全控整流电路为例，分析可控硅换相过电压产生的原因；结合同步发电机可控硅励磁系统的实际结线，对换相过电压的大小，进行分析计算；最后，介绍抑制换相过电压的措施及其实际效果。
关键词 可控硅 阳极电感 换相过电压 抑制措施
目前，大、中型水轮发电机组普遍采用可控硅整流装置，作为发电机的励磁功率单元。由于阳极回路存在有电感，因此，可控硅元件在换相时，即由一个元件导通向另一个元件导通的转换过程中，将在阳极电源侧产生很高的尖峰电压——换相过电压。换相过电压的产生，对阳极侧的有关设备如整流变压器、串联变压器、阳极电缆、可控硅元件及其保护回路等，都带来不利影响，尤其是对可控硅本身影响最大，严重时将造成可控硅元件的击穿损坏。在我厂就发生过多次因换相过电压严重，而造成阳极侧压敏电阻、阻容保护器件的爆炸损坏，并由此而引起其它设备的损坏，造成严重的经济损失。因此，有必要对可控硅元件在导通换相时产生过电压的原因，作进一步的分析。本文就以三相桥式可控硅整流电路为例，分析几种典型的换相过程，并结合我厂机组可控硅励磁系统的实际结线，对换相过电压的大小，进行分析计算。
为了便于分析，我们将三相桥式可控硅整流电路简化为图（1）所示的等效电路，其中，Ea、Eb、Ec为阳极相电势，La、Lb、Lc分别为阳极回路各相等效电感，Lf、Rf为整流桥直流侧负载，对于同步发电机励磁系统来说，即为发电机转子回路等效电感、电阻。
图（1）可控硅整流桥原理接线
1．2换相等效电路与换相过程分析
由三相桥式可控硅整流电路工作原理分析可知，当电路工作在整流状态时，可控硅元件导通有6种换相过程，即共阴极组元件有+C→+A、+A→+B、+B→+C三种；共阳极组元件有-C→-A、-A→-B、-B→-C三种。对于可控硅换相时在阳极线电势上产生的过电压而言，则因换相元件不同而不同。下面，就以线电势Eca为例，来分析几种换相过程（设控制角α=700）。
1）．+C→+A
当共阴极组元件由+C→+A换相时，共阳极组元件为-B导通，其它元件都在截止状态，这样可将电路简化为如图（2）(a)所示等效电路。
换相开始前瞬间，ic=Id，ia=i=0，随着换相过程的进行，则ia=i逐步增加，ic= Id- i逐步减少，直到换相过程结束，ia=Id, ic=0。由于发电机转子是一个大的电感负载，在整个换相过程中，直流侧负载电流Id是保持不变的，因此，可将换相等效电路简化为图（2）(b)。
由图（2）(b)可知，若忽略可控硅导通管压降，则回路满足电压方程式Eca=2Ladi/dt，也就是说，在+C→+A元件换相过程中，a、c相电势通过阳极a、c相电感形成瞬间短路，在阳极线电势Eca波形上留下一短路缺口，这也是造成阳极电势波形畸变的原因。此时，回路电感Lc、La上产生的感应电势之和正好等于电源电势Eca，其感应电势极性如图2（b）。
图（2）+C→+A换相等效电路
在换相结束前可控硅关断瞬间，由于可控硅元件体内载流子的积蓄效应，被关断可控硅元件的反向阻断能力不能立刻恢复，因而有很大的反向电流流过，当可控硅元件恢复阻断能力时，反向电流迅速减小， di/dt绝对值很大，可达1000A/us，这样大的电流突变，会在被关断回路电感Lc、La上产生很高的感应电压，即换相过电压。其可控硅关断瞬间的等效电路如图（2）c所示
由图（2）c电路分析我们可以看出，在+C相可控硅电流突然关断的瞬间，在回路电感Lc、La上产生反电势ELc 、ELa，其极性也发生变化，且反电势极性正好与阳极电势ECA极性相同，即换相过电压正向叠加在阳极电势Eca上。因此，对于阳极电势ECA而言，这种换相时所产生的过电压最大，为（La +L b）di/dt=2Ladi/dt。叠加在Eca上形成很高的尖峰电压。
2）．+A→+B
换相过程同1）。由于+A相元件关断时只是在La 、L b上产生反电势，因此，对阳极电势Eca而言，可控硅关断瞬间，在电感La上所产生反电势ELa=Ladi/dt，其反电势ELa极性与阳极电势ECA极性相同，即换相过电压正向叠加在阳极电势Eca上，其换相过电压幅值较第1）种换相过电压幅值小一半。
3）．+B→+C
换相过程同1），由于+B相元件关断时只是在Lb 、L c上产生反电势，因此，对阳极电势Eca而言，可控硅关断瞬间，在电感L c上产生反电势ELc=Lcdi/dt，其反电势ELc极性与阳极电势ECA极性相同，即换相过电压正向叠加在阳极电势Eca上，其换相过电压幅值较第1）种换相过电压幅值小一半。
4）．-C→-A
换相过程及换相过电压大小同+C→+A
5）．-A→-B
换相过程及换相过电压大小同+A→+B
6）．-B→-C
换相过程及换相过电压大小同+B→+C
我厂7F机组励磁系统采用交流侧串联的自复励方式，可控硅整流装置为三相桥式全控整流电路，其原理接线如图（2）所示。
图（2） 励磁系统原理接线
图中ZB、CB 、SCR分别为整流变压器、串联变压器和可控硅整流桥，其各设备参数分别见表1、表2；
表1 ZB、CB参数
表2 可控硅元件参数
2．2阳极回路等效电感计算
阳极回路等效电感由三部分组成，整流变压器电感LZB、串联变压器电感LCB、以及阳极侧连线电缆电感LDL，即L= LZB +LCB+ LDL。由于三相对称，所以有La=Lb=Lc=L，现分别计算如下。
1）．整流变压器漏感LZB
由表1参数，根据公式，可求得整流变压器折算到副方的漏抗LZB为
LZB= XZB /2πf=（790/1460）6.2%/314=107×10-6（亨）
2）．串联变压器电感LCB
由表1参数，根据公式，可求得串联变压器电感LCB为
LCB=（1+0.2）Xu2/2πf =1.2（77/141）（141/1350）/314=218×10-6（亨）
3）．阳极侧连线电缆电感
阳极侧电源连线采用3×120mm2铜芯电缆，其长度约50米，每相10根并联。
根据电缆电感计算公式，每相电缆电感LDL为
LDL =(L0+2In(5/r)+2/3In2) ×10-9×50×102 /10
=(0.5+2In(5/0.618)+2/3In2) ×10-9×50×102 /10=2.57×10-6（亨）
4）．阳极侧等效电感L为
L=（107+218+2.57）×10-6=327.6×10-6（亨）
根据公式EL=Ldi/dt，取不同的di/dt值，列表如下（ELmax =2 EL）。
表3 换相过电压
从表3计算的结果可以看出，可控硅在换相过程中，当电流变化率di/dt= 5A/us时，换相过电压为3276V，再加上阳极电势峰值1.414×790=1117V，其最大过电压为4393V ，已超过可控硅元件的耐压水平；当di/dt ≥10A/us时，换相过电压将达几千伏直至几万伏，远远大于阳极回路各设备的耐压水平，必将造成设备损坏，首当其冲的是可控硅元件的击穿损坏，因此，必须对可控硅换相过电压加以抑制，以保障可控硅整流设备的稳定运行。
在7F机组空载工况下（α=730），我们选取了几组RC参数分别并联在可控硅元件两端，用示波器观察阳极电势波形，试验结果如表4，典型波形如图（3）所示。仍以阳极电势ECA为例。
表4 不同阻容参数下阳极电势换相过电压尖峰实测值
根据试验结果，我们发现随着RC阻容保护电容量的增大，换相过电压尖峰值是逐步降低的，也就是说，适当增大RC阻容保护的电容量，对抑制换相过电压是有好处的，但电容量过大，将对可控硅开通带来不利影响。因此，综合考虑后，我们将RC阻容保护参数由原来的33欧姆、0.47微法，改为50欧姆、1.0微法，电阻功率由150瓦增大到300瓦，另外，将阻容保护的安装方式也进行了改进，由原来分散安装（直接并接在可控硅散热器两端）改为集中安装，这有利于阻容器件的散热冷却，也便于对阻容回路的监视、检修。通过这些改进后，我厂各机组阳极电势的换相尖峰电压值大为降低；消除了阳极回路压敏电阻、阻容保护回路等有关设备常因过压而击穿损坏的故障，大大提高了我厂机组安全运行的水平。
（a）R=33欧姆，C=0.235微法
(b) R=50欧姆，C=1.0微法
图（3）7F阳极电势ECA波形（α=730）
4．结论
根据上述分析、计算，并结合三相桥式全控硅整流电路输出电压波形与阳极线电势相位关系，我们可以得出如下几点结论：
（1）．可控硅换相过电压的产生，是因为被关断的可控硅元件在换相结束瞬间，其反向电流的突然关断，在阳极回路电感上产生反电势而形成的；
（2）．阳极线电势在一个周期内，有6个尖峰电压对称叠加在阳极线电势波形上，分别对应于三相桥式整流电路6种换相过程所产生的换相过电压；
（3）．最大换相过电压叠加在阳极电势波形上的时刻，与控制角α有关，当α=900（若换相角为γ时，则控制角为α=900-γ）时，最大换相过电压正好叠加在阳极线电势峰值上，其中，+C→+A换相过电压叠加在Eca负半周峰值上，-C→-A换相过电压叠加在Eca正半周峰值上，此时，形成的尖峰过电压危害最大；
（4）．对于电势Eab与Ebc换相过电压分析，与上述相同，其最大换相过电压分别由+A→+B、-A→-B与+B→+C、-B→-C换相产生；
（5）．对于采用交流侧串联自复励方式的励磁系统来说，因串联变压器电感的影响，其换相过电压较自并励大2倍。这对自复励方式励磁系统的有关设备选型，则要求更高。
（6）．对可控硅换相过电压的抑制，最有效的措施是加阻容保护回路，而阻容参数的选择，除通过计算外，还须进行现场实际试验，使其抑制效果达到最佳。只有这样，才能保障可控硅整流设备的安全、稳定运行。
摘要 本文以三相桥式全控整流电路为例，分析可控硅换相过电压产生的原因；结合同步发电机可控硅励磁系统的实际结线，对换相过电压的大小，进行分析计算；最后，介绍抑制换相过电压的措施及其实际效果。
关键词 可控硅 阳极电感 换相过电压 抑制措施
目前，大、中型水轮发电机组普遍采用可控硅整流装置，作为发电机的励磁功率单元。由于阳极回路存在有电感，因此，可控硅元件在换相时，即由一个元件导通向另一个元件导通的转换过程中，将在阳极电源侧产生很高的尖峰电压——换相过电压。换相过电压的产生，对阳极侧的有关设备如整流变压器、串联变压器、阳极电缆、可控硅元件及其保护回路等，都带来不利影响，尤其是对可控硅本身影响最大，严重时将造成可控硅元件的击穿损坏。在我厂就发生过多次因换相过电压严重，而造成阳极侧压敏电阻、阻容保护器件的爆炸损坏，并由此而引起其它设备的损坏，造成严重的经济损失。因此，有必要对可控硅元件在导通换相时产生过电压的原因，作进一步的分析。本文就以三相桥式可控硅整流电路为例，分析几种典型的换相过程，并结合我厂机组可控硅励磁系统的实际结线，对换相过电压的大小，进行分析计算。
- 换相等效电路与换相过程分析
为了便于分析，我们将三相桥式可控硅整流电路简化为图（1）所示的等效电路，其中，Ea、Eb、Ec为阳极相电势，La、Lb、Lc分别为阳极回路各相等效电感，Lf、Rf为整流桥直流侧负载，对于同步发电机励磁系统来说，即为发电机转子回路等效电感、电阻。
图（1）可控硅整流桥原理接线
1．2换相等效电路与换相过程分析
由三相桥式可控硅整流电路工作原理分析可知，当电路工作在整流状态时，可控硅元件导通有6种换相过程，即共阴极组元件有+C→+A、+A→+B、+B→+C三种；共阳极组元件有-C→-A、-A→-B、-B→-C三种。对于可控硅换相时在阳极线电势上产生的过电压而言，则因换相元件不同而不同。下面，就以线电势Eca为例，来分析几种换相过程（设控制角α=700）。
1）．+C→+A
当共阴极组元件由+C→+A换相时，共阳极组元件为-B导通，其它元件都在截止状态，这样可将电路简化为如图（2）(a)所示等效电路。
换相开始前瞬间，ic=Id，ia=i=0，随着换相过程的进行，则ia=i逐步增加，ic= Id- i逐步减少，直到换相过程结束，ia=Id, ic=0。由于发电机转子是一个大的电感负载，在整个换相过程中，直流侧负载电流Id是保持不变的，因此，可将换相等效电路简化为图（2）(b)。
由图（2）(b)可知，若忽略可控硅导通管压降，则回路满足电压方程式Eca=2Ladi/dt，也就是说，在+C→+A元件换相过程中，a、c相电势通过阳极a、c相电感形成瞬间短路，在阳极线电势Eca波形上留下一短路缺口，这也是造成阳极电势波形畸变的原因。此时，回路电感Lc、La上产生的感应电势之和正好等于电源电势Eca，其感应电势极性如图2（b）。
图（2）+C→+A换相等效电路
在换相结束前可控硅关断瞬间，由于可控硅元件体内载流子的积蓄效应，被关断可控硅元件的反向阻断能力不能立刻恢复，因而有很大的反向电流流过，当可控硅元件恢复阻断能力时，反向电流迅速减小， di/dt绝对值很大，可达1000A/us，这样大的电流突变，会在被关断回路电感Lc、La上产生很高的感应电压，即换相过电压。其可控硅关断瞬间的等效电路如图（2）c所示
由图（2）c电路分析我们可以看出，在+C相可控硅电流突然关断的瞬间，在回路电感Lc、La上产生反电势ELc 、ELa，其极性也发生变化，且反电势极性正好与阳极电势ECA极性相同，即换相过电压正向叠加在阳极电势Eca上。因此，对于阳极电势ECA而言，这种换相时所产生的过电压最大，为（La +L b）di/dt=2Ladi/dt。叠加在Eca上形成很高的尖峰电压。
2）．+A→+B
换相过程同1）。由于+A相元件关断时只是在La 、L b上产生反电势，因此，对阳极电势Eca而言，可控硅关断瞬间，在电感La上所产生反电势ELa=Ladi/dt，其反电势ELa极性与阳极电势ECA极性相同，即换相过电压正向叠加在阳极电势Eca上，其换相过电压幅值较第1）种换相过电压幅值小一半。
3）．+B→+C
换相过程同1），由于+B相元件关断时只是在Lb 、L c上产生反电势，因此，对阳极电势Eca而言，可控硅关断瞬间，在电感L c上产生反电势ELc=Lcdi/dt，其反电势ELc极性与阳极电势ECA极性相同，即换相过电压正向叠加在阳极电势Eca上，其换相过电压幅值较第1）种换相过电压幅值小一半。
4）．-C→-A
换相过程及换相过电压大小同+C→+A
5）．-A→-B
换相过程及换相过电压大小同+A→+B
6）．-B→-C
换相过程及换相过电压大小同+B→+C
- 典型励磁系统原理接线与换相过电压计算
- 1励磁系统原理接线及设备参数
我厂7F机组励磁系统采用交流侧串联的自复励方式，可控硅整流装置为三相桥式全控整流电路，其原理接线如图（2）所示。
图（2） 励磁系统原理接线
图中ZB、CB 、SCR分别为整流变压器、串联变压器和可控硅整流桥，其各设备参数分别见表1、表2；
表1 ZB、CB参数
| Se(KVA) | U1e (V) | I1e (A) | U2e (V) | I2e (A) | UD% | |
| ZB | 2000 | 13800 | 84 | 790 | 1460 | 6.2 |
| CB | 1000 | 77 | 5980 | 141 | 1350 |
| 型号 | UTM | UDRM | URRM | IT | du/dt | di/dt |
| KPX—1650 | 1.50v | 4200V | 4200V | 1650A | ≤1000V/us | ≤100A/us |
阳极回路等效电感由三部分组成，整流变压器电感LZB、串联变压器电感LCB、以及阳极侧连线电缆电感LDL，即L= LZB +LCB+ LDL。由于三相对称，所以有La=Lb=Lc=L，现分别计算如下。
1）．整流变压器漏感LZB
由表1参数，根据公式，可求得整流变压器折算到副方的漏抗LZB为
LZB= XZB /2πf=（790/1460）6.2%/314=107×10-6（亨）
2）．串联变压器电感LCB
由表1参数，根据公式，可求得串联变压器电感LCB为
LCB=（1+0.2）Xu2/2πf =1.2（77/141）（141/1350）/314=218×10-6（亨）
3）．阳极侧连线电缆电感
阳极侧电源连线采用3×120mm2铜芯电缆，其长度约50米，每相10根并联。
根据电缆电感计算公式，每相电缆电感LDL为
LDL =(L0+2In(5/r)+2/3In2) ×10-9×50×102 /10
=(0.5+2In(5/0.618)+2/3In2) ×10-9×50×102 /10=2.57×10-6（亨）
4）．阳极侧等效电感L为
L=（107+218+2.57）×10-6=327.6×10-6（亨）
- 3可控硅换相过电压计算
根据公式EL=Ldi/dt，取不同的di/dt值，列表如下（ELmax =2 EL）。
表3 换相过电压
| di/dt(A/us) | 1 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 100 | |
| 自复励 | EL(v) | 327.6 | 1638 | 3276 | 6552 | 9828 | 13104 | 16380 | 32760 |
| ELmax(v) | 655.2 | 3276 | 6552 | 13104 | 19656 | 26208 | 32760 | 65520 | |
| 自并励 | EL(v) | 109.6 | 548 | 1096 | 2192 | 3288 | 4384 | 5480 | 10960 |
| ELmax(v) | 219.2 | 1096 | 2192 | 4384 | 6576 | 8768 | 10960 | 21920 |
从表3计算的结果可以看出，可控硅在换相过程中，当电流变化率di/dt= 5A/us时，换相过电压为3276V，再加上阳极电势峰值1.414×790=1117V，其最大过电压为4393V ，已超过可控硅元件的耐压水平；当di/dt ≥10A/us时，换相过电压将达几千伏直至几万伏，远远大于阳极回路各设备的耐压水平，必将造成设备损坏，首当其冲的是可控硅元件的击穿损坏，因此，必须对可控硅换相过电压加以抑制，以保障可控硅整流设备的稳定运行。
- 抑制换相过电压措施
在7F机组空载工况下（α=730），我们选取了几组RC参数分别并联在可控硅元件两端，用示波器观察阳极电势波形，试验结果如表4，典型波形如图（3）所示。仍以阳极电势ECA为例。
表4 不同阻容参数下阳极电势换相过电压尖峰实测值
| 序号 | RC参数 | ELmax(v) | EL(v) |
| 1 | 无RC回路 | 3000 | 1500—1600 |
| 2 | R=33欧姆，C=0.235微法 | 2000 | 750 |
| 3 | R=33欧姆，C=0.47微法 | 1700 | 750 |
| 4 | R=50欧姆,C=1.0微法 | 1300 | 500 |
根据试验结果，我们发现随着RC阻容保护电容量的增大，换相过电压尖峰值是逐步降低的，也就是说，适当增大RC阻容保护的电容量，对抑制换相过电压是有好处的，但电容量过大，将对可控硅开通带来不利影响。因此，综合考虑后，我们将RC阻容保护参数由原来的33欧姆、0.47微法，改为50欧姆、1.0微法，电阻功率由150瓦增大到300瓦，另外，将阻容保护的安装方式也进行了改进，由原来分散安装（直接并接在可控硅散热器两端）改为集中安装，这有利于阻容器件的散热冷却，也便于对阻容回路的监视、检修。通过这些改进后，我厂各机组阳极电势的换相尖峰电压值大为降低；消除了阳极回路压敏电阻、阻容保护回路等有关设备常因过压而击穿损坏的故障，大大提高了我厂机组安全运行的水平。
（a）R=33欧姆，C=0.235微法
(b) R=50欧姆，C=1.0微法
图（3）7F阳极电势ECA波形（α=730）
4．结论
根据上述分析、计算，并结合三相桥式全控硅整流电路输出电压波形与阳极线电势相位关系，我们可以得出如下几点结论：
（1）．可控硅换相过电压的产生，是因为被关断的可控硅元件在换相结束瞬间，其反向电流的突然关断，在阳极回路电感上产生反电势而形成的；
（2）．阳极线电势在一个周期内，有6个尖峰电压对称叠加在阳极线电势波形上，分别对应于三相桥式整流电路6种换相过程所产生的换相过电压；
（3）．最大换相过电压叠加在阳极电势波形上的时刻，与控制角α有关，当α=900（若换相角为γ时，则控制角为α=900-γ）时，最大换相过电压正好叠加在阳极线电势峰值上，其中，+C→+A换相过电压叠加在Eca负半周峰值上，-C→-A换相过电压叠加在Eca正半周峰值上，此时，形成的尖峰过电压危害最大；
（4）．对于电势Eab与Ebc换相过电压分析，与上述相同，其最大换相过电压分别由+A→+B、-A→-B与+B→+C、-B→-C换相产生；
（5）．对于采用交流侧串联自复励方式的励磁系统来说，因串联变压器电感的影响，其换相过电压较自并励大2倍。这对自复励方式励磁系统的有关设备选型，则要求更高。
（6）．对可控硅换相过电压的抑制，最有效的措施是加阻容保护回路，而阻容参数的选择，除通过计算外，还须进行现场实际试验，使其抑制效果达到最佳。只有这样，才能保障可控硅整流设备的安全、稳定运行。
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