高压固态软启动装置故障问题剖析及解决措施

廖远桓

（中国石化销售有限公司华南分公司，广东广州510000）

0 引言

高压串联晶闸管的应用在国内起步较晚，真正在石油石化行业广泛应用是2000年以后。在高压固态软启动装置的应用过程中晶闸管故障几乎占据了高压固态软启动装置故障的90%以上。鉴于此，笔者结合多年高压固态软启动装置的应用经验，分析了晶闸管产生故障的原因，初步探索了驱动及保护晶闸管的解决办法。

1 晶闸管产生故障的原因

目前真正已成熟并投入使用的晶闸管耐压仅有直流6 500 V（dv/dt最大也就2 000 V/μs）。当今工业电网电压大多为三相交流6 kV、10 kV、35 kV，单只直流6 500 V的晶闸管无法直接应用于高压系统，须采用串联技术，由此带来了一系列问题，具体如下：（1）晶闸管上的电压不平衡易引起晶闸管过压而损坏；（2）电压谐波易引起晶闸管瞬时过压而损坏；（3）晶闸管的开通与关断不同步易引起晶闸管因过压而损坏。

从目前高压固态软启动装置的故障来看，几乎所有晶闸管的损坏均由上述三种情况所引起。综合以上分析可知，晶闸管的损坏主要与电压有关，有必要从该方面着手进行分析，针对性地采取相应驱动与保护措施，以防止晶闸管因过压而损坏。

2 高压串联晶闸管的驱动与保护研究

2.1 高压串联晶闸管的驱动

2.1.1 晶闸管的触发电路

晶闸管触发电路的作用是将控制信号转变成延迟角信号，通过触发电路向晶闸管提供门极电流，决定各个晶闸管的导通时刻。因此，触发电路与主回路一样是晶闸管装置的重要部分，两者之间相对独立又相互依存。

2.1.2 触发脉冲的要求

晶闸管装置种类很多，工作方式不同，对触发电路的要求也不同，具体如下：（1）由于晶闸管触发导通后，门极即失去控制作用，为减少门极损耗，一般触发信号采用脉冲形式。（2）触发电路的任务是提供控制晶闸管的门极触发信号。由于晶闸管门极参数的分散性以及其触发电压、电流随温度变化的特性，为使各合格元件在各种条件下均能可靠触发，触发电流、电压必须大于门极触发电流IGT和触发电压UGT，即脉冲信号发出功率必须保证在各种工作条件下都能使晶闸管可靠导通。

（3）在大电流晶闸管串联电路中，要求串联元件能同时导通，各元件的di/dt都应在允许范围之内。由于元件特性的分散性，先导通元件的di/dt就会超过允许值而损坏，故应采取图1所示的强触发脉冲。强触发电流幅度为触发电流值的5倍左右，前沿陡度应不小于0.5 A/μs，最好大于1 A/μs（即0～t1段）；强触发宽度对应时间t2应大于50 μs，脉冲持续时间t3应大于550 μs。

图1 强触发脉冲波形

（4）为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角α下触发导通，触发脉冲必须与电源同步，也就是说触发信号应与电源保持固定的相位关系。同时，为了使电路在给定的范围内工作，应保证触发脉冲能在相应范围内工作及在相应的范围内进行移相。为保证逆变工作安全可靠，对最小的逆变角βmin也应加以限制，一般βmin=30°～35°。

2.2 晶闸管的保护

2.2.1 过压保护

晶闸管元件由于击穿电压比较接近工作电压，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。主要措施如下：

对过电压进行保护的原则：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过电压保护器或避雷器进行保护。

（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的方法来减小。

（3）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，应采用压敏电阻等非线性电阻进行保护。

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。

对于由于晶闸管关断过程引起的过电压，其值可达工作电压峰值的5～6倍，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。

2.2.2 均压保护

晶闸管串联时，为了使每组晶闸管上的电压分布均匀，必须采用均压保护（图2）。

图2 动静态均压加过压保护电路

均压电阻的计算：

式中，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。

均压电容的计算：

C=0.5×Qrr/（0.8×Vdrm）

式中，C为均压电容；Qrr为晶闸管的反相恢复电荷；Vdrm为晶闸管的反向不重复峰值电压。

3 结语

笔者针对高压固态软启动装置的故障情况，详细分析了串联晶闸管的驱动，并对高压串联晶闸管的保护提出了均压与过压保护。将文中所述驱动与保护电路应用于高压串联晶闸管装置，多年的现场实践证明其行之有效。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，所以要对更高电压与电流等级晶闸管的驱动与保护展开进一步的研究。