什么是电力电子装置的保护方式?

什么是电力电子装置的保护方式?

[拼音]：dianli dianzi zhuangzhi de baohu fangshi

[外文]：protection for the power electronic equipment

电力电子装置受所用器件性能的影响，承受过电压、过电流的能力比较差(例如电动机、变压器等，通常可在几倍的额定电流下工作几秒钟或几分钟，而在同样条件下电力电子器件只要0.1秒或更短的时间就已损坏)。为了提高电力电子装置的可靠性，除了设计时合理选择电力电子器件的电流、电压容量外，还需采取与一般电工设备不同的一些保护措施，以防止电力电子器件的过电流、过电压损坏。此外，某些电力电子装置还对环境条件(如温度、冷却水压力、风速等)有特定的要求，因而需对这些环境条件进行监测，在环境条件越限时进行报警或者停机，保证电力电子器件的可靠运行。

过流保护

过载电流流过电力电子器件时会使器件温度迅速上升，如不及时切断或限制过电流，很快就会使器件因温度过高而损坏。过载电流越大，器件能承受过电流的时间越短。晶闸管能够承受过电流的时间与过电流大小之间的关系如图1所示，

图中λ=I


/πI


，I


为过电流最大值，I


为晶闸管额定电流。电力电子装置的过电流保护问题主要是其器件的过电流保护。图中电力电子装置产生过电流的原因主要有：

（1）负载变化，包括负载大小的变化和负载性质（阻性、感性、容性、线性、非线性等）的变化。

（2）负载短路。

（3）电源异常。

（4）控制电路故障导致装置工作失常。

（5）干扰信号的侵入引起电力电子装置误动作。

（6）某只电力电子器件损坏导致其他器件的过电流等。常用的过电流保护措施有以下5种。

采用快速熔断器

快速熔断器是一种最简单有效的过电流保护器件，常与电力电子器件直接串联。图2

为三相整流电路采用的快速熔断器。它在装置中用作晶闸管过电流保护。在过电流时，快速熔断器必须在晶闸管损坏以前熔断，才能起保护作用。普通熔断器因熔断时间较长，不能用于电力电子器件的过电流保护。快速熔断器用一定形状的银质或铝质熔丝，周围充以石英砂，在过电流流过时，其熔断时间通常在20毫秒以内。

选用快速熔断器时应合理选取熔断器的额定电压和额定电流，并注意熔断时间和被保护的电力电子器件所能承受过流时间的配合，以保证过电流发生时，熔断器在电力电子器件过电流损坏之前切断过电流。

电力电子装置一般都同时采用几种过电流保护措施。快速熔断器价格较高，更换也麻烦，常常是作为过流保护的最后一道措施。在过电流发生时，应尽量让别的保护措施先奏效，避免直接烧快速熔断器。

快速熔断器常用于工频整流电路中用以保护整流二极管和晶闸管。对于其他电力电子器件，例如快速晶闸管、高频晶闸管、大功率晶体管、功率场效应晶体管等，快速熔断器的熔断时间仍显得太长，一般不能直接采用快速熔断器来进行过电流保护。

设置交流断路器

交流断路器设置在变流电路交流电源端，当发生短路或电流超过预定值时，交流断路器动作，使变流电路与交流电源脱离，实现过电流保护。通常交流断路器动作时间较长，均为0.1～0.2秒。它的主要作用是切断变流电路与交流电源的联接，防止故障电流进一步扩大。

安装快速直流开关

开关动作时间约在10～20毫秒之间，可以起到保护晶闸管等元件而快速熔断器又不至于熔断的作用。常用于中、大容量的电力电子装置，安装在变流电路直流端，切断故障时的直流电源。

加设快速短路器

快速短路器动作时间约为2～3毫秒。在过电流发生时，可使电源变压器经快速短路器直接短路，防止电流再进入电力电子装置，从而保护电力电子器件和快速熔断器。

采用电子电路作为过电流检测和保护

首先由检测电路检测电力电子装置主电路某处的过电流信号。此信号经放大、识别和处理后，再去控制电力电子装置的控制电路或附加在主电路上的保护电路，以抑制电力电子器件的过电流。利用电子电路作为过电流检测和保护的优点是反应速度快；电路的设计、安装比较灵活；过电流信号可从主电路各不同部位的电流中选取，抑制过电流可以利用主电路本身的控制能力进行负反馈控制，也可控制主电路中附加的保护器件或电路；过流保护动作以后，不需更换任何元件就可重新投入工作。所以，这种过电流保护法常常取得较好的效果，但必须在电力电子装置中被控制的元器件完好时才能起作用。若装置中的某些电力电子器件已经损坏，则这种保护方法就不再有效。所以一般仍需同时采用快速熔断器等其他保护方法。

交流电流检测常采用电流互感器(见互感器)取信号，直流电流检测常采用取样电阻或直流电流互感器。霍耳元件和磁敏电阻等新型器件实用化以后亦开始应用于交直流电流信号的检测。应用模拟电子技术和数字电子技术可方便地对信号进行识别、放大和处理。微处理器和微型计算机的应用则为多点采样和信号的综合处理提供了极为有力的工具。

根据检测到的过流信号，抑制主电路的过电流可以有以下一些方法：

（1）对于大功率晶体管、功率场效应管等器件，通常采用切除控制极驱动信号的方式将器件关断以切断主电流。

（2）对于可关断晶闸管 (GTO)可采用在控制极加负脉冲的方法将GTO关断。但GTO关断过电流的能力有限。 如果过电流较大，门极负脉冲不但不能关断GTO，反而加速GTO的损坏，所以有时并不采用这种方法。

（3）对于一般晶闸管，由于器件本身无关断能力，必须采用其他措施来抑制器件的过电流。例如可采用电流负反馈的方法防止电流的上升。强烈的电流负反馈具有截流特性，可将电流强迫限止于某值以下。

（4）可控整流常采用整流电路工作于逆变工作状态，从而很快抑制过电流。

（5）采用分流方法将过电流引向专门设置的旁路保护电路，而避免电力电子器件的损坏。

过电压保护

电力电子装置中出现的过电压按原因可分为外部过电压和内部过电压两类。前者主要来自雷击，电网变压器等的开关 *** 作过程以及负载的切换等；后者主要来自装置内部电力电子器件周期性的换流过程，内部电路的故障，电干扰引起的电路误动作，以及保护电路动作时电流电压突然变化等。常用的过电压保护措施有以下3种。

采用阻容吸收电路

阻容吸收电路又称缓冲电路。由电容和电阻串联而成，利用电容来吸收尖峰状态的过电压，利用与电容串联的电阻消耗过电压的能量，从而抑制电路的振荡。电力电子装置中许多地方都可采用阻容吸收电路。

例如图3a为接在三相电源线上的阻容吸收电路，它可抑制由于雷击或电网变压器接通与开断引起的过电压。图3b的阻容吸收电路可抑制由晶闸管载流子积累效应引起的换流过电压。电阻电容参数可根据不同情况下相应的公式计算并结合实际电路和器件的情况选取。

选用非线性电阻器件

利用它们接近于稳压管的伏安特性和击穿后其特性可自动恢复的特点，实现电力电子装置的过电压保护。常用的器件有以下两种：

（1）硒堆过电压抑制器：硒堆由硒片按同一方向串联而成。当硒堆上加以正向电压时，硒堆导通；当加上反向电压时，硒堆不导通，漏电流很小。但当反向电压超过某一值Um时，流过硒堆的反向电流急剧上升，Um为硒堆击穿电压（图4）。

将硒堆与电力电子器件并联，当晶闸管正向电压UT大于Um时，硒堆击穿，晶闸管端电压不会超过Um ，Um的大小可以通过改变硒堆中硒片的数目来改变。

（2）压敏电阻：金属氧化物压敏电阻是由氧化锌、氧化铋等材料烧结而成的非线性元件。压敏电阻具有正、反向对称的伏安特性，类似于二只硅堆反向串联的特性，惟其伏安特性曲线更陡。压敏电阻体积小，反应速度快，击穿时允许流过的瞬时过电流值大，所以70年代以来应用较多。压敏电阻主要特性参数有标称电压、残压和允许通流容量。使用时应根据实际电路情况合理选取。压敏电阻额定持续功率小，长时间的过压会导致压敏电阻损坏；当放电电流流过压敏电阻时，电阻两端电压（即残压）较高，压敏电阻分布电容较大，高频工作时易发热。这些在使用中都应加以注意。

采用电子电路作为过电压检测和保护

电压信号的检测常采用电压互感器（见互感器）、分压器等采集电压信号。应用模拟电子技术和数字电子技术可方便地对信号进行识别、放大和处理。微处理器和微型计算机的应用为多点采样和信号的综合处理（包括过电流信号）提供了极为有力的工具。

保护电路根据检测到的过电压信号进行过电压保护的主要方法有3 种：

（1）采用电压负反馈的方法防止电压上升。强烈的电压负反馈具有截压特性，可将某处电压限制于一定值以下。

（2）当电力电子器件上可能出现过电压时，通过控制电路将该器件置于导通状态，从而消除其过电压损坏的危险。若器件导通后可能出现过电流，则应同时采用过电流保护措施。

（3）控制附加的过电压泄放电路动作，使过电压通过泄放电路泄放，从而避免器件过压损坏。

故障检测

对电力电子装置主电路和控制电路中一些关键部位的重要参数进行检测，以及时发现装置发生的故障，并自动或人为地进行 *** 作控制，实现对电力电子装置的保护。故障检测系统常常采用测量仪表、模拟电子电路和数字电子电路。随着电力电子技术的发展，装置的复杂程度越来越高，要求的可靠性也越来越高。微处理器和微型计算机能实现多点采样，并且具有对数据进行运算、分析、判断的能力，应用于故障检测系统可大大增强故障检测系统的功能。

当电力电子装置发生故障时，甚至电力电子装置因故障而停机后，为了向 *** 作和维修人员提供故障信息(故障部位、故障原因、故障性质等)，故障显示系统应能将故障信息保留下来并通过某种显示告诉 *** 作人员，便于排除故障和维修。常用的故障显示采用各种指针式仪表和指示灯、发光二极管、蜂鸣器等声光元件，亦可采用记录仪表、数字显示装置、存储器、打印机、屏幕显示装置等。