串联晶闸管的保护

0 引言
　　自上世纪九十年代中期晶闸管开始应用到中高压固态软起动装置高低压动态功率补偿装置中， 2000年以后晶闸管大批量应用于大型整流设备、低、中、高压软起动器、高低压动态功率补偿、绕线电机调速控制器、风力发电设备等产品中。国内晶闸管的应用技术也从消化吸收走向自我开发并达到国际先进水平。在高压串联晶闸管的应用过程中晶闸管故障几乎占据了电力电子设备故障率的90%以上，这一直困扰各大晶闸管应用厂家，成为一个行业难题。笔者结合多年的晶闸管应用经验，分析了晶闸管产生故障的原因，初步探索了可靠驱动及保护晶闸管的解决办法。
1 晶闸管产生故障的原因
　　目前因受其技术及工艺条件的限制，晶闸管的耐压水平最高仅到直流8500V,而真正已成熟并投入使用的晶闸管的耐压仅有直流6500V（dv/dt最大也就2000V/us）。而目前工业电网电压大多为三相交流6kV、10kV、35kV，单只直流6500V的晶闸管是无法应用于三相交流6kV、10kV、35kV电网系统中的，要应用就必须采用高压晶闸管串联技术，即将多只晶闸管串联起来。而高压晶闸管串联的应用就带来了一系列的问题，具体如下：
（1）、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；
（2）、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；
（3）、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。
2晶闸管的保护：
2.1、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.
对过电压进行保护的原则是:
使操作过电压限制在晶闸管额定电压UR以下,使浪涌过电压限制在晶闸管的断态和反向不重复峰值电压UDSM和URSM以下。一个晶闸管变流装置或系统应采取过电压保护措施的部位可分为交流侧、直流侧、整流主电路等几部分。
对于交流侧发生的过电压,通常可采取以下保护措施:
①、 雷击过电压可在变压器原边加接避雷器保护.
②、 原边电压很高或变比很大的变压器，由于原、副边绕组间存在分布电容，原边合闸时高电压可能通过分布电容耦合到副边而出现瞬时过电压。对此可采取变压器附加屏蔽绕组接地或变压器星形中点通过电容接地方法来减小。
③、 整流变压器空载且电源电压过零时原边拉闸,此时变压器激磁电流及铁芯中磁通最大,它们的突变将在副边中感应出很高的过电压,此时可以采用阻容保护或整流式阻容保护。
④、对于雷击或更高的浪涌电压,如阻容保护还不能吸收或抑制时,还应采用压敏电阻等非线性电阻进行保护。
　　变流装置输出接有感性负载(平波电抗器,直流电机绕组等),当电路闭合时不会产生过电压,但当桥臂上整流元件过电流保护用的快速熔断器熔断时,储存在负载中的磁场能量突然释放,就会在直流输出端产生过电压.另外当变流装置过载、熔断器切断过载电流时,整流变压器储能的突然释放也会产生过电压.尽管变压器副边已采取保护措施,但变压器过载时储能比空载时储能大,过电压还会通过导通的整流元件反映到直流侧来,带来了直流侧过电压的保护问题.因此,应在直流侧设置与交流侧相同的保护措施,其参数选择原则也相同.
　　变流装置中的晶闸管元件在导通时,载流子充满各半导体层，关断时由于反向阳极电压的作用,正向电流将下降到零。当元件电流下降为零时元件内仍残存着很多载流子,它们在反向电压的继续作用下将反向运动形成较大的反向电流。反向电流将使载流子迅速消失，造成反向电流以极快的速度下降至很小的反向漏电流。由于电流变化率dic/dt极大,即使和元件串联的线路电感LB很小,但感应电势LBdic/dt很大,并与电源电压顺极性串联地反向施加在晶闸管元件上,有可能导致晶闸管的反向击穿。这种由于晶闸管关断过程引起的过电压称关断过电压，或称换流过电压、空穴积蓄效应过电压等,其值可达工作电压峰值的5～6倍，所以必须对晶闸管采取保护措施。此时可采用与元件相并联的阻容保护，其R、C值与晶闸管串联时动态均压阻容计算方法相同。
过电压保护方法中,主要采用阻容保护、压敏电阻保护等（如图1-4）。

图1-4 动静态均压加过压保护电路

2.2、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（如图1-4）。
均压电阻的计算：

注：RX为并联在每组晶闸管两端的电阻值；
    UX为每组晶闸管所分布的电压值；
    IX为晶闸管漏电流的10倍；
    PX为并联在每组晶闸管两端的电阻的功率。
2 结束语
　　笔者针对高压串联晶闸管的详细的分析对高压串联晶闸管的保护提出了均压与过压保护相关技术参数。笔者也将此驱动与保护电路应用于高压串联晶闸管装置中，并且通过现场实践证明是行之有效的。随着晶闸管制作技术与工艺水平的不断提高，晶闸管也在朝着更高电压与电流等级的方向发展，所以需要对更高电压与电流等级晶闸管的驱动与保护作近一步的研究。