高壓固態軟啟動裝置故障問題剖析及解決措施

廖遠桓

（中國石化銷售有限公司華南分公司，廣東廣州510000）

0 引言

高壓串聯晶閘管的應用在國內起步較晚，真正在石油石化行業廣泛應用是2000年以后。在高壓固態軟啟動裝置的應用過程中晶閘管故障幾乎占據了高壓固態軟啟動裝置故障的90%以上。鑒于此，筆者結合多年高壓固態軟啟動裝置的應用經驗，分析了晶閘管產生故障的原因，初步探索了驅動及保護晶閘管的解決辦法。

1 晶閘管產生故障的原因

目前真正已成熟并投入使用的晶閘管耐壓僅有直流6 500 V（dv/dt最大也就2 000 V/μs）。當今工業電網電壓大多為三相交流6 kV、10 kV、35 kV，單只直流6 500 V的晶閘管無法直接應用于高壓系統，須采用串聯技術，由此帶來了一系列問題，具體如下：（1）晶閘管上的電壓不平衡易引起晶閘管過壓而損壞；（2）電壓諧波易引起晶閘管瞬時過壓而損壞；（3）晶閘管的開通與關斷不同步易引起晶閘管因過壓而損壞。

從目前高壓固態軟啟動裝置的故障來看，幾乎所有晶閘管的損壞均由上述三種情況所引起。綜合以上分析可知，晶閘管的損壞主要與電壓有關，有必要從該方面著手進行分析，針對性地采取相應驅動與保護措施，以防止晶閘管因過壓而損壞。

2 高壓串聯晶閘管的驅動與保護研究

2.1 高壓串聯晶閘管的驅動

2.1.1 晶閘管的觸發電路

晶閘管觸發電路的作用是將控制信號轉變成延遲角信號，通過觸發電路向晶閘管提供門極電流，決定各個晶閘管的導通時刻。因此，觸發電路與主回路一樣是晶閘管裝置的重要部分，兩者之間相對獨立又相互依存。

2.1.2 觸發脈沖的要求

晶閘管裝置種類很多，工作方式不同，對觸發電路的要求也不同，具體如下：（1）由于晶閘管觸發導通后，門極即失去控制作用，為減少門極損耗，一般觸發信號采用脈沖形式。（2）觸發電路的任務是提供控制晶閘管的門極觸發信號。由于晶閘管門極參數的分散性以及其觸發電壓、電流隨溫度變化的特性，為使各合格元件在各種條件下均能可靠觸發，觸發電流、電壓必須大于門極觸發電流IGT和觸發電壓UGT，即脈沖信號發出功率必須保證在各種工作條件下都能使晶閘管可靠導通。

（3）在大電流晶閘管串聯電路中，要求串聯元件能同時導通，各元件的di/dt都應在允許范圍之內。由于元件特性的分散性，先導通元件的di/dt就會超過允許值而損壞，故應采取圖1所示的強觸發脈沖。強觸發電流幅度為觸發電流值的5倍左右，前沿陡度應不小于0.5 A/μs，最好大于1 A/μs（即0～t1段）；強觸發寬度對應時間t2應大于50 μs，脈沖持續時間t3應大于550 μs。

圖1 強觸發脈沖波形

（4）為使晶閘管在每個周期都在相同的控制角α下觸發導通，觸發脈沖必須與電源同步，也就是說觸發信號應與電源保持固定的相位關系。同時，為了使電路在給定的范圍內工作，應保證觸發脈沖能在相應范圍內工作及在相應的范圍內進行移相。為保證逆變工作安全可靠，對最小的逆變角βmin也應加以限制，一般βmin=30°～35°。

2.2 晶閘管的保護

2.2.1 過壓保護

晶閘管元件由于擊穿電壓比較接近工作電壓，承受過電壓、過電流能力差，短時間的過電壓、過電流都可能造成元件損壞。為了使晶閘管元件能正常工作而不損壞，除合理選擇元件外，還必須針對過電壓、過電流發生的原因采取適當的保護措施。主要措施如下：

對過電壓進行保護的原則：使操作過電壓限制在晶閘管額定電壓UR以下，使浪涌過電壓限制在晶閘管的斷態和反向不重復峰值電壓UDSM和URSM以下。一個晶閘管變流裝置或系統應采取過電壓保護措施的部位可分為交流側、直流側、整流主電路等幾部分。

對于交流側發生的過電壓，通?？刹扇∫韵卤Ｗo措施：

（1）雷擊過電壓可在變壓器原邊加接過電壓保護器或避雷器進行保護。

（2）原邊電壓很高或變比很大的變壓器，由于原、副邊繞組間存在分布電容，原邊合閘時高電壓可能通過分布電容耦合到副邊而出現瞬時過電壓，對此可采取變壓器附加屏蔽繞組接地或變壓器星形中點通過電容接地的方法來減小。

（3）對于雷擊或更高的浪涌電壓，如阻容保護還不能吸收或抑制，應采用壓敏電阻等非線性電阻進行保護。

當變流裝置過載、熔斷器切斷過載電流時，整流變壓器儲能的突然釋放也會產生過電壓。盡管變壓器副邊已采取保護措施，但變壓器過載時儲能比空載時儲能大，過電壓還會通過導通的整流元件反映到直流側來，帶來了直流側過電壓的保護問題。因此，應在直流側設置與交流側相同的保護措施，其參數選擇原則也相同。

對于由于晶閘管關斷過程引起的過電壓，其值可達工作電壓峰值的5～6倍，必須對晶閘管采取保護措施。此時可采用與元件相并聯的阻容保護，其R、C值與晶閘管串聯時動態均壓阻容計算方法相同。

過電壓保護方法中，主要采用阻容保護、壓敏電阻保護等。

2.2.2 均壓保護

晶閘管串聯時，為了使每組晶閘管上的電壓分布均勻，必須采用均壓保護（圖2）。

圖2 動靜態均壓加過壓保護電路

均壓電阻的計算：

式中，RX為并聯在每組晶閘管兩端的電阻值；UX為每組晶閘管所分布的電壓值；IX為晶閘管漏電流的10倍；PX為并聯在每組晶閘管兩端的電阻的功率。

均壓電容的計算：

C=0.5×Qrr/（0.8×Vdrm）

式中，C為均壓電容；Qrr為晶閘管的反相恢復電荷；Vdrm為晶閘管的反向不重復峰值電壓。

3 結語

筆者針對高壓固態軟啟動裝置的故障情況，詳細分析了串聯晶閘管的驅動，并對高壓串聯晶閘管的保護提出了均壓與過壓保護。將文中所述驅動與保護電路應用于高壓串聯晶閘管裝置，多年的現場實踐證明其行之有效。隨著晶閘管制作技術與工藝水平的不斷提高，晶閘管也在朝著更高電壓與電流等級的方向發展，所以要對更高電壓與電流等級晶閘管的驅動與保護展開進一步的研究。