可控硅換相過電壓的產生原因及抑制措施
文章出處：未知 人氣：發表時間：2019-04-11 10:41
可控硅換相過電壓的產生原因及抑制措施
摘要 本文以三相橋式全控整流電路為例，分析可控硅換相過電壓產生的原因；結合同步發電機可控硅勵磁系統的實際結線，對換相過電壓的大小，進行分析計算；最后，介紹抑制換相過電壓的措施及其實際效果。
關鍵詞 可控硅 陽極電感 換相過電壓 抑制措施
目前，大、中型水輪發電機組普遍采用可控硅整流裝置，作為發電機的勵磁功率單元。由于陽極回路存在有電感，因此，可控硅元件在換相時，即由一個元件導通向另一個元件導通的轉換過程中，將在陽極電源側產生很高的尖峰電壓——換相過電壓。換相過電壓的產生，對陽極側的有關設備如整流變壓器、串聯變壓器、陽極電纜、可控硅元件及其保護回路等，都帶來不利影響，尤其是對可控硅本身影響最大，嚴重時將造成可控硅元件的擊穿損壞。在我廠就發生過多次因換相過電壓嚴重，而造成陽極側壓敏電阻、阻容保護器件的爆炸損壞，并由此而引起其它設備的損壞，造成嚴重的經濟損失。因此，有必要對可控硅元件在導通換相時產生過電壓的原因，作進一步的分析。本文就以三相橋式可控硅整流電路為例，分析幾種典型的換相過程，并結合我廠機組可控硅勵磁系統的實際結線，對換相過電壓的大小，進行分析計算。
為了便于分析，我們將三相橋式可控硅整流電路簡化為圖（1）所示的等效電路，其中，Ea、Eb、Ec為陽極相電勢，La、Lb、Lc分別為陽極回路各相等效電感，Lf、Rf為整流橋直流側負載，對于同步發電機勵磁系統來說，即為發電機轉子回路等效電感、電阻。
圖（1）可控硅整流橋原理接線
1．2換相等效電路與換相過程分析
由三相橋式可控硅整流電路工作原理分析可知，當電路工作在整流狀態時，可控硅元件導通有6種換相過程，即共陰極組元件有+C→+A、+A→+B、+B→+C三種；共陽極組元件有-C→-A、-A→-B、-B→-C三種。對于可控硅換相時在陽極線電勢上產生的過電壓而言，則因換相元件不同而不同。下面，就以線電勢Eca為例，來分析幾種換相過程（設控制角α=700）。
1）．+C→+A
當共陰極組元件由+C→+A換相時，共陽極組元件為-B導通，其它元件都在截止狀態，這樣可將電路簡化為如圖（2）(a)所示等效電路。
換相開始前瞬間，ic=Id，ia=i=0，隨著換相過程的進行，則ia=i逐步增加，ic= Id- i逐步減少，直到換相過程結束，ia=Id, ic=0。由于發電機轉子是一個大的電感負載，在整個換相過程中，直流側負載電流Id是保持不變的，因此，可將換相等效電路簡化為圖（2）(b)。
由圖（2）(b)可知，若忽略可控硅導通管壓降，則回路滿足電壓方程式Eca=2Ladi/dt，也就是說，在+C→+A元件換相過程中，a、c相電勢通過陽極a、c相電感形成瞬間短路，在陽極線電勢Eca波形上留下一短路缺口，這也是造成陽極電勢波形畸變的原因。此時，回路電感Lc、La上產生的感應電勢之和正好等于電源電勢Eca，其感應電勢極性如圖2（b）。
圖（2）+C→+A換相等效電路
在換相結束前可控硅關斷瞬間，由于可控硅元件體內載流子的積蓄效應，被關斷可控硅元件的反向阻斷能力不能立刻恢復，因而有很大的反向電流流過，當可控硅元件恢復阻斷能力時，反向電流迅速減小， di/dt絕對值很大，可達1000A/us，這樣大的電流突變，會在被關斷回路電感Lc、La上產生很高的感應電壓，即換相過電壓。其可控硅關斷瞬間的等效電路如圖（2）c所示
由圖（2）c電路分析我們可以看出，在+C相可控硅電流突然關斷的瞬間，在回路電感Lc、La上產生反電勢ELc 、ELa，其極性也發生變化，且反電勢極性正好與陽極電勢ECA極性相同，即換相過電壓正向疊加在陽極電勢Eca上。因此，對于陽極電勢ECA而言，這種換相時所產生的過電壓最大，為（La +L b）di/dt=2Ladi/dt。疊加在Eca上形成很高的尖峰電壓。
2）．+A→+B
換相過程同1）。由于+A相元件關斷時只是在La 、L b上產生反電勢，因此，對陽極電勢Eca而言，可控硅關斷瞬間，在電感La上所產生反電勢ELa=Ladi/dt，其反電勢ELa極性與陽極電勢ECA極性相同，即換相過電壓正向疊加在陽極電勢Eca上，其換相過電壓幅值較第1）種換相過電壓幅值小一半。
3）．+B→+C
換相過程同1），由于+B相元件關斷時只是在Lb 、L c上產生反電勢，因此，對陽極電勢Eca而言，可控硅關斷瞬間，在電感L c上產生反電勢ELc=Lcdi/dt，其反電勢ELc極性與陽極電勢ECA極性相同，即換相過電壓正向疊加在陽極電勢Eca上，其換相過電壓幅值較第1）種換相過電壓幅值小一半。
4）．-C→-A
換相過程及換相過電壓大小同+C→+A
5）．-A→-B
換相過程及換相過電壓大小同+A→+B
6）．-B→-C
換相過程及換相過電壓大小同+B→+C
我廠7F機組勵磁系統采用交流側串聯的自復勵方式，可控硅整流裝置為三相橋式全控整流電路，其原理接線如圖（2）所示。
圖（2） 勵磁系統原理接線
圖中ZB、CB 、SCR分別為整流變壓器、串聯變壓器和可控硅整流橋，其各設備參數分別見表1、表2；
表1 ZB、CB參數
表2 可控硅元件參數
2．2陽極回路等效電感計算
陽極回路等效電感由三部分組成，整流變壓器電感LZB、串聯變壓器電感LCB、以及陽極側連線電纜電感LDL，即L= LZB +LCB+ LDL。由于三相對稱，所以有La=Lb=Lc=L，現分別計算如下。
1）．整流變壓器漏感LZB
由表1參數，根據公式，可求得整流變壓器折算到副方的漏抗LZB為
LZB= XZB /2πf=（790/1460）6.2%/314=107×10-6（亨）
2）．串聯變壓器電感LCB
由表1參數，根據公式，可求得串聯變壓器電感LCB為
LCB=（1+0.2）Xu2/2πf =1.2（77/141）（141/1350）/314=218×10-6（亨）
3）．陽極側連線電纜電感
陽極側電源連線采用3×120mm2銅芯電纜，其長度約50米，每相10根并聯。
根據電纜電感計算公式，每相電纜電感LDL為
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）．陽極側等效電感L為
L=（107+218+2.57）×10-6=327.6×10-6（亨）
根據公式EL=Ldi/dt，取不同的di/dt值，列表如下（ELmax =2 EL）。
表3 換相過電壓
從表3計算的結果可以看出，可控硅在換相過程中，當電流變化率di/dt= 5A/us時，換相過電壓為3276V，再加上陽極電勢峰值1.414×790=1117V，其最大過電壓為4393V ，已超過可控硅元件的耐壓水平；當di/dt ≥10A/us時，換相過電壓將達幾千伏直至幾萬伏，遠遠大于陽極回路各設備的耐壓水平，必將造成設備損壞，首當其沖的是可控硅元件的擊穿損壞，因此，必須對可控硅換相過電壓加以抑制，以保障可控硅整流設備的穩定運行。
在7F機組空載工況下（α=730），我們選取了幾組RC參數分別并聯在可控硅元件兩端，用示波器觀察陽極電勢波形，試驗結果如表4，典型波形如圖（3）所示。仍以陽極電勢ECA為例。
表4 不同阻容參數下陽極電勢換相過電壓尖峰實測值
根據試驗結果，我們發現隨著RC阻容保護電容量的增大，換相過電壓尖峰值是逐步降低的，也就是說，適當增大RC阻容保護的電容量，對抑制換相過電壓是有好處的，但電容量過大，將對可控硅開通帶來不利影響。因此，綜合考慮后，我們將RC阻容保護參數由原來的33歐姆、0.47微法，改為50歐姆、1.0微法，電阻功率由150瓦增大到300瓦，另外，將阻容保護的安裝方式也進行了改進，由原來分散安裝（直接并接在可控硅散熱器兩端）改為集中安裝，這有利于阻容器件的散熱冷卻，也便于對阻容回路的監視、檢修。通過這些改進后，我廠各機組陽極電勢的換相尖峰電壓值大為降低；消除了陽極回路壓敏電阻、阻容保護回路等有關設備常因過壓而擊穿損壞的故障，大大提高了我廠機組安全運行的水平。
（a）R=33歐姆，C=0.235微法
(b) R=50歐姆，C=1.0微法
圖（3）7F陽極電勢ECA波形（α=730）
4．結論
根據上述分析、計算，并結合三相橋式全控硅整流電路輸出電壓波形與陽極線電勢相位關系，我們可以得出如下幾點結論：
（1）．可控硅換相過電壓的產生，是因為被關斷的可控硅元件在換相結束瞬間，其反向電流的突然關斷，在陽極回路電感上產生反電勢而形成的；
（2）．陽極線電勢在一個周期內，有6個尖峰電壓對稱疊加在陽極線電勢波形上，分別對應于三相橋式整流電路6種換相過程所產生的換相過電壓；
（3）．最大換相過電壓疊加在陽極電勢波形上的時刻，與控制角α有關，當α=900（若換相角為γ時，則控制角為α=900-γ）時，最大換相過電壓正好疊加在陽極線電勢峰值上，其中，+C→+A換相過電壓疊加在Eca負半周峰值上，-C→-A換相過電壓疊加在Eca正半周峰值上，此時，形成的尖峰過電壓危害最大；
（4）．對于電勢Eab與Ebc換相過電壓分析，與上述相同，其最大換相過電壓分別由+A→+B、-A→-B與+B→+C、-B→-C換相產生；
（5）．對于采用交流側串聯自復勵方式的勵磁系統來說，因串聯變壓器電感的影響，其換相過電壓較自并勵大2倍。這對自復勵方式勵磁系統的有關設備選型，則要求更高。
（6）．對可控硅換相過電壓的抑制，最有效的措施是加阻容保護回路，而阻容參數的選擇，除通過計算外，還須進行現場實際試驗，使其抑制效果達到最佳。只有這樣，才能保障可控硅整流設備的安全、穩定運行。
摘要 本文以三相橋式全控整流電路為例，分析可控硅換相過電壓產生的原因；結合同步發電機可控硅勵磁系統的實際結線，對換相過電壓的大小，進行分析計算；最后，介紹抑制換相過電壓的措施及其實際效果。
關鍵詞 可控硅 陽極電感 換相過電壓 抑制措施
目前，大、中型水輪發電機組普遍采用可控硅整流裝置，作為發電機的勵磁功率單元。由于陽極回路存在有電感，因此，可控硅元件在換相時，即由一個元件導通向另一個元件導通的轉換過程中，將在陽極電源側產生很高的尖峰電壓——換相過電壓。換相過電壓的產生，對陽極側的有關設備如整流變壓器、串聯變壓器、陽極電纜、可控硅元件及其保護回路等，都帶來不利影響，尤其是對可控硅本身影響最大，嚴重時將造成可控硅元件的擊穿損壞。在我廠就發生過多次因換相過電壓嚴重，而造成陽極側壓敏電阻、阻容保護器件的爆炸損壞，并由此而引起其它設備的損壞，造成嚴重的經濟損失。因此，有必要對可控硅元件在導通換相時產生過電壓的原因，作進一步的分析。本文就以三相橋式可控硅整流電路為例，分析幾種典型的換相過程，并結合我廠機組可控硅勵磁系統的實際結線，對換相過電壓的大小，進行分析計算。
- 換相等效電路與換相過程分析
為了便于分析，我們將三相橋式可控硅整流電路簡化為圖（1）所示的等效電路，其中，Ea、Eb、Ec為陽極相電勢，La、Lb、Lc分別為陽極回路各相等效電感，Lf、Rf為整流橋直流側負載，對于同步發電機勵磁系統來說，即為發電機轉子回路等效電感、電阻。
圖（1）可控硅整流橋原理接線
1．2換相等效電路與換相過程分析
由三相橋式可控硅整流電路工作原理分析可知，當電路工作在整流狀態時，可控硅元件導通有6種換相過程，即共陰極組元件有+C→+A、+A→+B、+B→+C三種；共陽極組元件有-C→-A、-A→-B、-B→-C三種。對于可控硅換相時在陽極線電勢上產生的過電壓而言，則因換相元件不同而不同。下面，就以線電勢Eca為例，來分析幾種換相過程（設控制角α=700）。
1）．+C→+A
當共陰極組元件由+C→+A換相時，共陽極組元件為-B導通，其它元件都在截止狀態，這樣可將電路簡化為如圖（2）(a)所示等效電路。
換相開始前瞬間，ic=Id，ia=i=0，隨著換相過程的進行，則ia=i逐步增加，ic= Id- i逐步減少，直到換相過程結束，ia=Id, ic=0。由于發電機轉子是一個大的電感負載，在整個換相過程中，直流側負載電流Id是保持不變的，因此，可將換相等效電路簡化為圖（2）(b)。
由圖（2）(b)可知，若忽略可控硅導通管壓降，則回路滿足電壓方程式Eca=2Ladi/dt，也就是說，在+C→+A元件換相過程中，a、c相電勢通過陽極a、c相電感形成瞬間短路，在陽極線電勢Eca波形上留下一短路缺口，這也是造成陽極電勢波形畸變的原因。此時，回路電感Lc、La上產生的感應電勢之和正好等于電源電勢Eca，其感應電勢極性如圖2（b）。
圖（2）+C→+A換相等效電路
在換相結束前可控硅關斷瞬間，由于可控硅元件體內載流子的積蓄效應，被關斷可控硅元件的反向阻斷能力不能立刻恢復，因而有很大的反向電流流過，當可控硅元件恢復阻斷能力時，反向電流迅速減小， di/dt絕對值很大，可達1000A/us，這樣大的電流突變，會在被關斷回路電感Lc、La上產生很高的感應電壓，即換相過電壓。其可控硅關斷瞬間的等效電路如圖（2）c所示
由圖（2）c電路分析我們可以看出，在+C相可控硅電流突然關斷的瞬間，在回路電感Lc、La上產生反電勢ELc 、ELa，其極性也發生變化，且反電勢極性正好與陽極電勢ECA極性相同，即換相過電壓正向疊加在陽極電勢Eca上。因此，對于陽極電勢ECA而言，這種換相時所產生的過電壓最大，為（La +L b）di/dt=2Ladi/dt。疊加在Eca上形成很高的尖峰電壓。
2）．+A→+B
換相過程同1）。由于+A相元件關斷時只是在La 、L b上產生反電勢，因此，對陽極電勢Eca而言，可控硅關斷瞬間，在電感La上所產生反電勢ELa=Ladi/dt，其反電勢ELa極性與陽極電勢ECA極性相同，即換相過電壓正向疊加在陽極電勢Eca上，其換相過電壓幅值較第1）種換相過電壓幅值小一半。
3）．+B→+C
換相過程同1），由于+B相元件關斷時只是在Lb 、L c上產生反電勢，因此，對陽極電勢Eca而言，可控硅關斷瞬間，在電感L c上產生反電勢ELc=Lcdi/dt，其反電勢ELc極性與陽極電勢ECA極性相同，即換相過電壓正向疊加在陽極電勢Eca上，其換相過電壓幅值較第1）種換相過電壓幅值小一半。
4）．-C→-A
換相過程及換相過電壓大小同+C→+A
5）．-A→-B
換相過程及換相過電壓大小同+A→+B
6）．-B→-C
換相過程及換相過電壓大小同+B→+C
- 典型勵磁系統原理接線與換相過電壓計算
- 1勵磁系統原理接線及設備參數
我廠7F機組勵磁系統采用交流側串聯的自復勵方式，可控硅整流裝置為三相橋式全控整流電路，其原理接線如圖（2）所示。
圖（2） 勵磁系統原理接線
圖中ZB、CB 、SCR分別為整流變壓器、串聯變壓器和可控硅整流橋，其各設備參數分別見表1、表2；
表1 ZB、CB參數
| 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 |
| 型號 | UTM | UDRM | URRM | IT | du/dt | di/dt |
| KPX—1650 | 1.50v | 4200V | 4200V | 1650A | ≤1000V/us | ≤100A/us |
陽極回路等效電感由三部分組成，整流變壓器電感LZB、串聯變壓器電感LCB、以及陽極側連線電纜電感LDL，即L= LZB +LCB+ LDL。由于三相對稱，所以有La=Lb=Lc=L，現分別計算如下。
1）．整流變壓器漏感LZB
由表1參數，根據公式，可求得整流變壓器折算到副方的漏抗LZB為
LZB= XZB /2πf=（790/1460）6.2%/314=107×10-6（亨）
2）．串聯變壓器電感LCB
由表1參數，根據公式，可求得串聯變壓器電感LCB為
LCB=（1+0.2）Xu2/2πf =1.2（77/141）（141/1350）/314=218×10-6（亨）
3）．陽極側連線電纜電感
陽極側電源連線采用3×120mm2銅芯電纜，其長度約50米，每相10根并聯。
根據電纜電感計算公式，每相電纜電感LDL為
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）．陽極側等效電感L為
L=（107+218+2.57）×10-6=327.6×10-6（亨）
- 3可控硅換相過電壓計算
根據公式EL=Ldi/dt，取不同的di/dt值，列表如下（ELmax =2 EL）。
表3 換相過電壓
| di/dt(A/us) | 1 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 100 | |
| 自復勵 | EL(v) | 327.6 | 1638 | 3276 | 6552 | 9828 | 13104 | 16380 | 32760 |
| ELmax(v) | 655.2 | 3276 | 6552 | 13104 | 19656 | 26208 | 32760 | 65520 | |
| 自并勵 | EL(v) | 109.6 | 548 | 1096 | 2192 | 3288 | 4384 | 5480 | 10960 |
| ELmax(v) | 219.2 | 1096 | 2192 | 4384 | 6576 | 8768 | 10960 | 21920 |
從表3計算的結果可以看出，可控硅在換相過程中，當電流變化率di/dt= 5A/us時，換相過電壓為3276V，再加上陽極電勢峰值1.414×790=1117V，其最大過電壓為4393V ，已超過可控硅元件的耐壓水平；當di/dt ≥10A/us時，換相過電壓將達幾千伏直至幾萬伏，遠遠大于陽極回路各設備的耐壓水平，必將造成設備損壞，首當其沖的是可控硅元件的擊穿損壞，因此，必須對可控硅換相過電壓加以抑制，以保障可控硅整流設備的穩定運行。
- 抑制換相過電壓措施
在7F機組空載工況下（α=730），我們選取了幾組RC參數分別并聯在可控硅元件兩端，用示波器觀察陽極電勢波形，試驗結果如表4，典型波形如圖（3）所示。仍以陽極電勢ECA為例。
表4 不同阻容參數下陽極電勢換相過電壓尖峰實測值
| 序號 | RC參數 | ELmax(v) | EL(v) |
| 1 | 無RC回路 | 3000 | 1500—1600 |
| 2 | R=33歐姆，C=0.235微法 | 2000 | 750 |
| 3 | R=33歐姆，C=0.47微法 | 1700 | 750 |
| 4 | R=50歐姆,C=1.0微法 | 1300 | 500 |
根據試驗結果，我們發現隨著RC阻容保護電容量的增大，換相過電壓尖峰值是逐步降低的，也就是說，適當增大RC阻容保護的電容量，對抑制換相過電壓是有好處的，但電容量過大，將對可控硅開通帶來不利影響。因此，綜合考慮后，我們將RC阻容保護參數由原來的33歐姆、0.47微法，改為50歐姆、1.0微法，電阻功率由150瓦增大到300瓦，另外，將阻容保護的安裝方式也進行了改進，由原來分散安裝（直接并接在可控硅散熱器兩端）改為集中安裝，這有利于阻容器件的散熱冷卻，也便于對阻容回路的監視、檢修。通過這些改進后，我廠各機組陽極電勢的換相尖峰電壓值大為降低；消除了陽極回路壓敏電阻、阻容保護回路等有關設備常因過壓而擊穿損壞的故障，大大提高了我廠機組安全運行的水平。
（a）R=33歐姆，C=0.235微法
(b) R=50歐姆，C=1.0微法
圖（3）7F陽極電勢ECA波形（α=730）
4．結論
根據上述分析、計算，并結合三相橋式全控硅整流電路輸出電壓波形與陽極線電勢相位關系，我們可以得出如下幾點結論：
（1）．可控硅換相過電壓的產生，是因為被關斷的可控硅元件在換相結束瞬間，其反向電流的突然關斷，在陽極回路電感上產生反電勢而形成的；
（2）．陽極線電勢在一個周期內，有6個尖峰電壓對稱疊加在陽極線電勢波形上，分別對應于三相橋式整流電路6種換相過程所產生的換相過電壓；
（3）．最大換相過電壓疊加在陽極電勢波形上的時刻，與控制角α有關，當α=900（若換相角為γ時，則控制角為α=900-γ）時，最大換相過電壓正好疊加在陽極線電勢峰值上，其中，+C→+A換相過電壓疊加在Eca負半周峰值上，-C→-A換相過電壓疊加在Eca正半周峰值上，此時，形成的尖峰過電壓危害最大；
（4）．對于電勢Eab與Ebc換相過電壓分析，與上述相同，其最大換相過電壓分別由+A→+B、-A→-B與+B→+C、-B→-C換相產生；
（5）．對于采用交流側串聯自復勵方式的勵磁系統來說，因串聯變壓器電感的影響，其換相過電壓較自并勵大2倍。這對自復勵方式勵磁系統的有關設備選型，則要求更高。
（6）．對可控硅換相過電壓的抑制，最有效的措施是加阻容保護回路，而阻容參數的選擇，除通過計算外，還須進行現場實際試驗，使其抑制效果達到最佳。只有這樣，才能保障可控硅整流設備的安全、穩定運行。
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