晶閘管閥運行試驗中的過電壓及保護策略

1ec試驗方法大型積電池管閥的運行試驗是為了在正?；蚍钦Ｖ貜蜅l件下觀察到聯(lián)合電壓電流強度和臨時故障強度的試驗。這是符合iec標準的重要試驗之一。它也是一個復雜的試驗方法，用于評估過程和實驗條件。該試驗通常在由高電壓小電流系統(tǒng)、低電壓大電流系統(tǒng)再配合一些附屬隔離控制設備構成的聯(lián)合試驗裝置上進行。在試驗過程中，由于要求試品閥周期性承受高電壓和大電流強度，因而存在高電壓串入低壓大電流系統(tǒng)引起過電壓的可能，本文的主要目的是解決這類過電壓問題。2提高電源系統(tǒng)的選擇性晶閘管閥的運行試驗由聯(lián)合試驗裝置完成，圖1示出裝置原理圖。聯(lián)合試驗裝置由高電壓回路和大電流回路組成，前者為一高壓小電流系統(tǒng)，用以提供被試閥高電壓試驗強度；后者為一低壓大電流系統(tǒng)，用以提供被試閥大電流試驗強度。運行試驗所需的高電壓和大電流強度分別由兩個電源提供，可極大減少運行試驗所需的電源總容量。閥運行試驗的試驗步驟要求電源系統(tǒng)周期性交替地將高電壓強度與大電流強度施加于試品閥上，這就要在兩部分電源系統(tǒng)之間采取一定的隔離措施，用于隔離高電壓系統(tǒng)的高電壓強度串入大電流系統(tǒng)。雖然試驗回路中的V1可實現(xiàn)高電壓隔離功能，但因Cs1,Rs1存在，正常試驗工況下，在Vt周期性導通和關斷時刻，大電流系統(tǒng)將要耐受周期性暫態(tài)過電壓沖擊。圖2a示出Vt開通、關斷時施加于大電流系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓波形。另外，由于V1有可能突發(fā)擊穿或誤觸發(fā)導通故障，在故障發(fā)生后，大電流系統(tǒng)更會遭受故障過電壓的沖擊，圖2b示出V1發(fā)生誤觸發(fā)故障時施加于大電流系統(tǒng)的故障過電壓波形。綜上所述，在正常的晶閘管運行試驗工況和故障狀態(tài)下，大電流系統(tǒng)將遭受頻繁的暫態(tài)過電壓和故障過電壓沖擊。為了研究在這些過電壓工況下，如何對大電流系統(tǒng)采取有效的保護措施，首先要對過電壓產生的機理進行分析。3在晶門壓閉器的運行試驗中，可靠性機制3.1暫態(tài)電壓-uvt在正常的閥運行試驗過程中，以某時刻Vt承受正向試驗高電壓為分析起點，則Vt閥導通前后用于過電壓分析的等效原理電路如圖3所示。圖3中各閥均等效為理想開關，各元件定義同圖1，則有：(2）第二階段因試驗進程的需要，Vt觸發(fā)導通后，B點瞬時接地，其上電位瞬變?yōu)榱?，A點電位相應地瞬變?yōu)?（uVt+um），即相當于A,N點之間出現(xiàn)一暫態(tài)高壓-uV1，給大電流系統(tǒng)一過電壓沖擊；(3）第三階段該階段Vt持續(xù)導通，Cs1沿VVt→uac→Ls→L2→Rs1的過阻尼回路放電，Cs1上電壓迅速衰減至零，A點過電壓也相應迅速衰減，因此Vt閥開通后將帶給大電流系統(tǒng)的是暫態(tài)過電壓的沖擊；(4）第四階段Vt關斷，此時由于高電壓系統(tǒng)的作用將使其承受反壓，Cst上承受-uVt的反壓，B點電位瞬時跳變?yōu)?uVt,Cs1上電壓為零不能突變，于是A點電位也瞬時變?yōu)?uVt，并且該過電壓隨Cs1充電到uV1過程的結束而消失，因此在VVt關斷過程中又一次將暫態(tài)過電壓加于大電流系統(tǒng)上。綜合上述分析結果，在閥運行試驗的正常試驗過程中，伴隨著Vt周期性耐受正反向的高電壓強度，大電流系統(tǒng)也要周期性耐受暫態(tài)過電壓的沖擊。3.2故障導通前b點圖3示出V1發(fā)生擊穿或誤觸發(fā)故障導通前后的過電壓分析等效原理電路。分析發(fā)現(xiàn)，在Vt不導通期間，V1發(fā)生的通路故障最為嚴重。假設V1故障導通前，B點電位為uVt，回路A點電位為-um；若V1突然發(fā)生故障（擊穿或誤觸發(fā)），則B點的高電位被引到A點，并加在大電流系統(tǒng)上。由于該故障高電壓是高電壓系統(tǒng)產生的正常試驗電壓，是由V1故障而引入大電流系統(tǒng)的長時過電壓，所以若沒有過電壓泄放措施，該故障過電壓將導致大電流系統(tǒng)元件被擊穿損毀。4周期小的能量根據(jù)上述過電壓產生機理，在晶閘管運行試驗中，存在能量較小的周期性暫態(tài)過電壓；當V1處在故障態(tài)下，會出現(xiàn)能量較大的故障過電壓，本節(jié)將根據(jù)這兩種過電壓的不同特點給出相應的保護策略。4.1vt導通前后dsp的定性分析閥運行試驗中暫態(tài)過電壓的特點是發(fā)生頻繁、持續(xù)時間短、過電壓能量小等。根據(jù)這些特點，要選用一種動作迅速且可頻繁動作的保護策略，而不過多要求其通流容量。在分析了多種可用于暫態(tài)過電壓保護的方法（TVP瞬變二極管、氧化鋅壓敏電阻、擊穿二極管等）后，認為阻容保護策略最適合吸收該暫態(tài)過電壓。圖4示出并聯(lián)阻容保護后暫態(tài)過電壓分析原理圖，各元件定義同圖1。Vt導通前后各點電位分析如下：(1)Vt不導通階段在Cst上具有高電壓系統(tǒng)提供的正向高壓ut，低壓大電流源瞬時電壓為-um,uVtum，則Cs1上的瞬時電壓為uV1=uVt+um，保護閥阻尼電容Csp上的瞬時電位為-um，回路A點電位為-um,B點電位為uVt;(2)Vt觸發(fā)導通階段在Vt導通后，B點瞬時接地，其上電位瞬變?yōu)榱?，忽略阻尼電阻的影響，A點電位跳變?yōu)閇Cs1uVt+（Cs1-Csp)um]/（Cs1+Csp），定性分析uVt=20um即uVtum的工況，則當Csp=Cs1時，A點電位可近似為0.5uVt；當Csp=5Cs1時，A點電位可近似為0.13uVt；當Csp=10Cs1時，A點電位可近似為0.05ut；由定性分析結果可見，選取合適的Csp后，可以很好地抑制Vt開通和關斷過程中的暫態(tài)過電壓。同理，采用阻容保護策略同樣可抑制Vt關斷階段產生的過電壓。4.2bod觸發(fā)晶閘管閥保護方式故障過電壓的起因可能是V1被擊穿，也可能是V1誤觸發(fā)。前者屬于偶發(fā)事件，后者則是由控制或觸發(fā)系統(tǒng)故障而引起的頻發(fā)事件，所以它具有可能頻繁發(fā)生、過電壓能量大、危害大特點。根據(jù)這些特點，要選用一種動作迅速、動作電壓穩(wěn)定、泄放能量大、且適于頻繁動作的保護策略。當前常用的過電壓保護手段均不適合閥運行試驗中故障過電壓的特點?；诖?，本文提出一種新型的過電壓保護策略———BOD觸發(fā)晶閘管閥的保護策略。其基本設計思想就是將BOD保護動作的快速性與大功率晶閘管閥泄放能量大的優(yōu)點結合起來，以實現(xiàn)一種動作電壓穩(wěn)定性高，通流容量大，可頻繁動作保護的新型保護手段。圖5示出其保護原理圖。晶閘管保護閥Vp是能量泄放的主體，其過電壓保護一般采用多級串聯(lián)的形式,Vp的觸發(fā)動作則依靠BOD在過電壓時的擊穿,根據(jù)BOD的串聯(lián)個數(shù)可決定過電壓的保護水平。Vp的阻尼吸收回路Rs,Cs不僅能吸收Vp的關斷過沖,還能減緩過電壓的波頭,起到阻容吸收保護作用。該保護方法的基本原理為:假設某時刻A點出現(xiàn)了過電壓,經閥吸收回路衰減后仍超出被保護設備所能承受的最大電壓,于是BOD保護動作,BOD動作后將部分過壓能量轉為電流引入晶閘管的門極,從而使Vp觸發(fā)導通,將A點電位限制為Vp的通態(tài)壓降電壓,通過Vp將過電壓能量轉化為大電流泄放掉。由于BOD的動作和晶閘管的觸發(fā)導通均為微秒數(shù)量級,所以與傳統(tǒng)的大容量保護設備相比,該保護措施大大提高了動作速度。BOD觸發(fā)晶閘管閥保護方式具有若干特點：(1)由于BOD的擊穿動作電壓分散性小，從而使該保護方式具有良好的動作電壓穩(wěn)定性；(2)由于晶閘管技術的飛速發(fā)展，其電壓等級和電流等級都得到了很大提高，在采用晶閘管串并聯(lián)組合方式后，BOD觸發(fā)晶閘管閥的保護方式可用來承擔大功率電力設備的保護任務；(3)由于BOD動作和晶閘管導通的快速性，使得該保護方式具有微秒級的動作速度；(4)由于BOD器件可長期頻繁動作，使得該保護方式也可以長期頻繁工作；(5)由于該保護方式通常采用RC阻尼吸收回路，吸收回路自身對小能量暫態(tài)過電壓就有一定的吸收抑制作用?；谝陨咸攸c，BOD觸發(fā)晶閘管閥保護方式特別適用于需要頻繁、長期、快速動作的過電壓保護場合，適合于抑制運行試驗中故障過電壓。圖6示出并聯(lián)保護閥Vp后的等效原理圖，元件定義同圖1。同樣考慮Vt不導通期間發(fā)生的V1通路故障。V1故障導通前B點電位為ut，回路A點電位為-um；若V1突然發(fā)生故障（擊穿或誤觸發(fā)），則B點的高電位被引到A點，加過電壓于大電流系統(tǒng)上，在該過電壓作用下，BOD迅速擊穿動作，進而觸發(fā)導通Vp,Vp導通后一方面給高電壓系統(tǒng)產生的過電壓提供了一個泄放通道，另一方面也限制了A點的電位，使得加于大電流系統(tǒng)的過電壓迅速消失。正是由于BOD觸發(fā)保護閥的存在，使得V1故障導通后產生的故障過電壓轉化為大電流系統(tǒng)可承受的非重復暫態(tài)過電壓，保護了大電流系統(tǒng)。5雙向串聯(lián)保護試驗為了驗證BOD觸發(fā)晶閘管閥保護策略的實用性，利用沖擊電壓發(fā)生器對其觸發(fā)保護動作特性進行了試驗。晶閘管閥采用雙向串聯(lián)設計，每層BOD保護動作電壓為6kV（峰值），20層串聯(lián)，則該BOD觸發(fā)晶閘管閥的保護電壓為120kV（峰值），針對正反向過電壓均能發(fā)生保護動作，圖7示出試驗結果。由試驗結果可知，BOD觸發(fā)晶閘管閥的保護策略動作電壓穩(wěn)定，響應速度快，動作后無殘壓，保護器件可重復動作，滿足了大功率電力設備過電壓保護的需要。6理論分析和試驗結果分析了閥運行試