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1、一 过电压的产生及过电压保护1.1 过电压及其产生的原因整流设备晶闸管能够承受的最大峰值电压是重要参数之一，该参数表征晶闸管承受过 电压的能力。过电压主要是指电气系统内部合闸、分闸和电力电子器件的关断等原因造成 的操作过电压。例如，降压变压器初次合闸时，初级施加的高压会通过初、次级绕组间的 分布电容耦合到次级，使之出现感应过电压；交、直流侧的分闸操作切断电感回路电流时 会因电感释放磁场储能而形成数倍额定电压的过电压；在晶闸管管断过程中，因反向电流 迅速减小。回路电感中会产生很高的换相过电压。除了操作过电压外，还有由于雷击等外 部因素侵入电网的偶然性的浪涌过电压，过电压倍数会很高。采取过电压保护
2、措施后，会使经常发生的操作过电压限制在器件额定电压以下，偶然 性的浪涌电压限制在其间的断态和反向不重复峰值电压数值以下。过电压保护措施有基于吸收原理的阻容保护和基于泄放原理的非线性元件保护两种， 其目的都是为将过电压限制在允许范围之内。1.2 阻容保护及参数计算1.2.1 交流侧阻容保护参数计算为吸收变压器释放出来的磁场能量，可在变压器二次侧并联电阻和电容吸收保护，接 线形式如图 1-1。由于电容量端的电压不能突变，可以快速吸收造成过电压的磁场能量， 电阻可以起阻尼作用，并可在电磁过程中消耗造成过电压的能量。图 1 中交流侧阻容保护元件为 R 、C ，其参数的计算与整流器的容量有关。aa图 1
3、-1 RC 阻容保护电路(1)单相变压器或三相小功率变压器(5kVA以下)，C ( rF )可由下式计算：aC 二 Ka gs U 2rm式中， S 为整流变压器的等值容量， VA， U 为臂反向峰值电压， V， K 为计算系数T rm gs见表 1-1，可按整流电路接线形式和阻容保护接线方式选取。表 1-1 计算系数 Kgs电路形式单相三相保护电路（星形接法）三相保护电路（三角形接法）Y 200VA200VAY, Y 双拍Y, d 双拍单拍Y, Y 双拍Y, d 双拍单拍Kgs7004001503009004509002700注：单拍电路指各种半波整流电路；双拍电路指各种桥式整流电路阻尼电阻
4、R （ Q ）可由下式计算：R = 100 Ud=VdCJfS式中， f 为电源频率， Hz 。当阻容保护电路接在整流变压器的初级时，仍可用上式计算R的容量，只是此时的Urm为电网电压峰值。如果整流变压器为降压型， RC 吸收电路介于初级时， C 的容量减小，但其耐压值增大。2）大容量变压器，阻容吸收装置中C （卩F）的计算公式为：g1fsU2l计算公式为：R=K UiR 的功率（ W ）a计算公式为： PRa以上各式中， U频率， Hz ， K为变压器次级空载线电压，2l 、Kg1g 2g3V，、 K 为计算系数，见表12为变压器次级线电流，A，f为电源1-2,:为变压器励磁电流对额定电流的
5、标么值，一般取0.02 0.05。表 1-2 计算系数 K 、K 、 Kg1g 2g 3电路形式单相桥式三相桥式三相半波三相双反星形Kg129000173201386012120Kg 20.30.170.210.24Kg 30.250.250.250.2三相 RC 保护电路可为星形连接，也可为三角形链接，以上各式适用于星形连接方式。1当为三角形链接方式时，电容C应取计算值的的1，而电阻R应取计算值的3倍。a 3 a阻容保护的电路中，电阻发热量较大，也不利于限制晶闸管的电流上升率。为克服上述缺点，可采用如图 1-2 所示的整流式阻容保护电路。正常工作时。保护的三相桥式整流器输出端电压为变压器次级
6、电压的峰值，输出电流很小，从而减小了保护元件的发热。过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量的 通路，电容将吸取的过电压能量转换为电场能量；过电压消失后，电容经 R 、R 放电， 12将储存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。电容器的电容量C（卩F）可按下式计算:JIC = C + C = （43300 121244） 亠1 2f Us 2 lC = 0.1C，C = C - C2 1 2i2 LR用于限制C的充电电流，其数值为：R = （0.40.8）一iiiC式中，L为变压器每相漏抗，单位为rH。TR用于提供放电通路，R C近似为电路的放电时间t。则R为：2 2 2tR =2 C为
7、使保护电路尽快恢复正常状态，时间常数t越小越好，一般取T = 2s。1.2.2 直流侧阻容保护直流侧也有可能发生过电压。当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置适当地保护 这种过电压，仍会通过导通着的晶闸管反应到直流侧来，为此，直流侧也应装设过电压保 护，用于抑制过电压保护。直流侧过电压抑制电路元件参数的选择计算方法见表1-3。表中，U为直流输出电am压的交流成分中幅值最大的谐波电压有效值，即最低次谐波幅值；f为与U相应的谐波d am频率；I
8、是与U相应的电流有效值。am am表 1-3 直流侧 RC 保护的参数计算电路形式CdRdPRd单相桥式120000fdUd amU0.25 am- 匚IamU 2 Ramd(106/2吋 C )2 + R 2d dd二相桥式121244 am fdUd amU 0.058amamU 2 Ramd(106/2吋 C )2 + R 2d dd1.2.3 换相过电压的抑制晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电 流。当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过回复电流的电感会因高电流变化 率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并
9、联 RC 电路，如图1-3所示。图 1-3 换相过电压的抑制图1-3中，C、R用于吸收换相过电压能量。其中C参数与晶闸管通态电流有关。b b b电流愈大,产生的过电压越高，C的容量越大。C （卩F）的计算公式为：C = （2 4）I x 10-3b b bTaaR通常取100300，其功率的计算式为：P f C （空匕）2bRb a b ns式中，n为整流器件串联时的个数；为整流器件反向电压的幅值，单位为V。s有 RC 电路兼作均压和抑制换相过电压时，按公式计算的值应与根据瞬态均压所计算的数值相比较，在两者兼顾的基础上最后决定。1.3 非线性元件保护用于抑制过电压的非线性器件具有近似于稳压管的
10、伏安特性，若能把过电压值限制在 一定范围内，对于浪涌过电压具有非常有效地抑制作用。1.3.1 压敏电阻压敏电阻是一种常用的非线性元件保护，其符号和伏安特性如图 1-4 所示，因伏安特 性对称于原点，故具有双向限压作用。压敏电阻是由氧化锌、氧化铋等烧结而成的非线性 电阻元件。具有明显的击穿电压，在施加电压低于击穿电压时，漏电流仅为毫安级，损耗 小；在施加电压超过击穿电压时，压敏电阻击穿，可以通过很大的浪涌电流，几乎呈现恒 压特性，其接线图如图 1-5 所示。由于多晶结构，内部寄生电容较大，高频下电容电流将 产生附加损耗，不宜用于高频电路。值得注意的是压敏电阻击穿并通过教的浪涌电流之后， 其标称电
11、压有所下降，多次击穿后将迅速降低，故不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。图 1-4 压敏电阻伏安特性 压敏电阻主要参数有：标称电压U :漏电流为1mA时对应的端电压值，V ；1mA残压U :放电电流达到规定I时的端电压，V ； UyU 叫做残压比;yy/1mA允许通流量:在规定的波形下允许通过的浪涌电流， kA。图 1-5 压敏电阻保护电路在使用压敏电阻时，参数的选择是很重要的。应保证在元件的U 下降到原来的10% 1mA时，即使电源电压波动达到最大允许值，压敏电阻漏电流也不超过1mA。当压敏电阻为星形连接时， U 的计算公式为：1mAU1mA1迂K Ua0.9 3 Ky当压敏电阻为三角形连接时
12、，U 的计算公式为：1mA1 一U 2UK1mA0.9B式中， K 为计算系数，考虑到星形连接时各元件电压分配不均，通常取0.8 0.9，在选配 y使用时取K = 0.90.95； K为电网电压上升系数，取1.05 1.10 ； U为压敏电阻保护装 yb置外接端电压有效值。 压敏电阻吸收得过电压能量应小于压敏电阻的通断容量，一般中、小型整流器的操作过电压保护可选择3kA 5kA，防雷保护选择5kA - 20kA。1.3.2 硒过电压抑制器硒过电压抑制器也是一种常用的过电压保护器件，它由多片单向导电的硒片叠成。硒 过电压抑制器通常的接法如图 1-6 所示。有图可知，硒过电压抑制器常采用对接方法，
13、抑 制正、反向过电压。在其端电压低于击穿电压时，有较高反向电阻。在其两端出现高于击 穿电压的过电压时，电阻急剧下降，电流明显增加，端电压保持不变。硒片本身具有负温度系数，在保护过电压过程中具有正反馈作用。h zs沃图 1-6 采用硒堆的过电压保护电路硒片伏安特性分散性较大，宜实测选用。硒过电压抑制器的硒片数量由外接电压决定，其值为：n （1.11.3）2UR式中，Ur为每片硒片的反向电压有效值；U为硒过电压抑制器外接端电压的有效值。直流侧采用非线性元件抑制过电压时，参数选择可按照上述原则。1.3.3 转折二极管 （BOD）转折二极管的正向特性有明显的转折电压，转折后管压将很低；反向特性击穿电压
14、很 低，无承受反向电压的能力。使用中，为限制转折后的电流，通常采用串联二极管的方法 它允许频繁过电压转折，但不宜经受大的浪涌电流，可与晶闸管组合构成扩容的限压电路 1.3.4对称硅过电压抑制器（SSOS）对称硅过电压抑制器是一种新型的过电压保护器件，相当于两个雪崩二极管的反向串 联。其特性与压敏电阻相似，击穿后的动态电阻低，限压效果好，允许频繁转折、响应速 度快、保护效果好。1.4 过电压保护的设置按过电压保护的部位来分，有交流侧保护、直流侧保护和器件保护。过电压保护设置 如图 1-7所示。-r-GD图 1-7 整流器过电压保护设置图A避雷器；B接地电容；C阻容保护；D整流式阻容保护;E压敏电阻保护；F器件侧阻容保护对于因雷电产生的偶然性过电压，一般可在变压器的高压侧加设避雷器或火花间隙，主要用于保护变压器等电力设备如图9中A,由高压电源经降压变压器供电的变流器，在变压器网侧合闸瞬间，由于变压器初级（网侧）与次级（阀侧）绕组之间存在分布电容， 初级绕组的高压电可通过次分布电容耦合到次级绕组，造成静电感应过电压，其值可能大大超过次级正常过电压。为此可采用附加屏蔽绕组的变压器或在变压器和地之间附加电容 器，如图9中B。为限制操作过程中的过电压
