摘要：面对高压固态软启动装置的持续大规模使用，其暴露的故障问题不断涌现，特别是高压晶闸管的问题尤为突出。这就要求我们首先需要利用已有的高压固态软启动装置故障知识结合具体的故障类型进行分析，深入找到高压晶闸管所出现故障的过程与原因。另外一方面，由于晶闸管是一类物理特征较为明显的类型，因此，这也需要我们结合其特征，运用多方面知识进行保护。而两种方式能有效避免晶闸管在应用的过程中因触发不可靠及电网谐波而损坏。减少污染排放，提高能源利用率，建设可持续发展的工业经济是时代的主题。但由于社会不断发展，我国的大规模工业化生产也在朝着高度的模块化前进，因此，软启动装置的应用要求也愈发紧迫。软启动技术的产生与发展不仅对于工业生产高度模块化所面临的保护电网问题具有较大作用，在电机安全起动运行、拖动负载等一系列问题的解决方面也具有重要意义。
关键词：高压晶闸管；驱动；保护；串联技术
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。而对于高压固态软启动装置的应用与维护过程中晶闸管故障占据全部故障的90%以上。由此可见，笔者也通过结合近年来高压固态软启动装置的应用经验，查找相关资料，找到真正影响晶闸管出现问题的因素，从而根据实地的实验以及具体知识找到其解决方法。
随着我国经济的高速发展，使得企业不停地改建和扩建，由于受厂区面积小的影响，很多新建项目选址不得不偏离原有厂区，距离远的多达7～8公里，近的也有2～3公里。这样的后果是使新建项目的取电源点远离原有厂区总降压变或高压开关站，那么从节约投资来说只有采用架空线路向新建项目送电，这样就使得从电源点到新建项目配电室的母线电压损失很大，致使很多高压电机在直接启动时，严重影响了其他设备的正常工作，例如电机停车、灯具熄灭等情况。因此，高压固态软启动器应运而生。
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6500V（dv/dt最大也就2000V/μs）。当今工业电网电压大多为三相交流6kV、10kV、35kV，单只直流6500V的晶闸管由于其晶体管自身的性质并不能够直接应用于高压系统，必须通过采用串联技术的方法进行，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）电压谐波的调整使得晶闸管短时间短时间承受压力过大由此受到损坏。（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。根据当前高压固态软启动装置的故障分析来看，绝大部分的晶闸管的损坏均由以上三种情况所引起。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，必须有针对地采取相应保护措施，这样才能够防止晶闸管因过压而损坏情况的发生。
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，在发挥触发电路作用的同时利用其特点向晶闸管提供门极电流，从而控制每个晶闸管的通电情况。这样一来，触发电路与主回路都在一定程度上发挥了重要作用，二者又相互制约。
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）在晶闸管触发导通之后，门极则会立即失去控制作用，因此，通过一定的手段使得门极的损耗承受压力减小，我们采用的方式主要是运用触发信号实现脉冲形式。（2）触发电路的任务是提供控制晶闸管的门极触发信号。但由晶闸管门极参数具有分散性，另外还具有触发电压、电流随温度变化的特性，为了能够保证各个合格元件能够在各种条件下受到可靠触发。
2.1.3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。在进行工作的过程中，元件的分散性一定程度上会使得导通元件的di/dt超过允许值从而受到损坏，因此必须要求我们使用图1相关技术。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0.5A/μs，最好大于1A/μs（即0～t1段）；强触发在一定宽度区域内所符合的时间t2范围必须大于50μs，而其脉冲保持的时间t3应大于550μs。
图1 强触发脉冲波形
2.1.4为了能够使得晶闸管在每个周期都能够在相同的控制角α下保证触发导通，与此同时，又能够触发脉冲与电源同步，也就是要求触发信号应与电源的相位关系得到一定的稳定。同时，为了使电路在给定的范围内工作，这也在一定程度上必须使得触发脉冲时由此引发的影响范围在一定程度上进行移相处理。另外，为了最大限度上保证逆变工作的安全性与可靠性，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
一般条件下，由于晶闸管元件击穿电压与工作电压较为接近，因此晶闸管在对电流与电压的承受方面较差。这就使得在短时间内出现的过电压、过电流现象都可能造成元件损坏。另外，为了能够达到晶闸管元件能正常工作与较少损害的目的，在进行元件选取的同时，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：
在对过电压进行保护时必须遵循相关的原则，如：如果在操作的过程中对于过电压的要求必须依照晶闸管的电压，控制在其以下，在浪涌过电压的控制方面必须保证晶闸管的断态与反向不重复峰值电压UDSM和URSM以下。而对于单个晶闸管变流装置以及其系统的处理方面则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。另外，在交流侧发生的过电压的保护方面，通常可采取下列措施：
（1）应对雷击时的过电压保护需在变压器的原边区域加接过电压保护器或避雷器。
（2）对于原边电压很高以及变比很大的变压器而言，其所包含的原边绕组与副边绕组之间由于存在分布电容，因此在原边合闸时，极大可能导致高电压通过分布电容从而耦合到副边最终出现出现瞬时过电压，针对这一现象可通过采取变压器进行附加屏蔽绕组接地以及变压器星形中点的方式进行减小。
（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，必须运用以压敏电阻为例的非线性电阻进行合理的控制。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，过电压也会借助整流元件的实时反映呈现在直流方面来，这就使得直流侧过电压的问题的产生。由此可见，这就使得在进行电压控制的过程中，应对直流侧设置与交流侧采取较为一致的保护措施，也应该选择同样的参数选择原则。
在晶闸管断电后产生的过电压，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，由于其R、C值在计算时所采用的方法相同，因此，为了能够真正保护过电压，采用的方式主要为阻容保护与压敏电阻保护等。
2.2.2均压保护
对于均压保护来说，在晶闸管进行串联的过程中，利用其能够真正使得电压平均分配。（图2）。
图2 动静态均压加过压保护电路
均压电阻的计算：RX=UX/IXPX=1.2IX2×RX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.高压固态软启动器接线方式及注意事项
3.1中高压固态软起动装置的控制电源问题
当变压器、变压器的高压馈电柜以及低压配电柜出现问题时，如果在中高压固态软启动器装置的断电问题处理上出现不可触发型的控制问题，中高压固态软起动装置则不能够进行工作。如果控制电源为直流220V电源，相对来说，由于中高压固态软起动装置的控制回路失电的问题产生的可能性就会大大减少。因为直流220V电源可以通过直流屏进行供电，另外，实际上直流屏供电的电源点并不相同，相对交流电源来说更加安全可靠。因此，这样看来中高压固态软起动装置的控制电源明确为直流电源较为符合。
3.2中高压固态软起动装置的控制方式选取问题
从控制方式的选取出发，如若采用一拖二的方式，极易撕得两台电机不能同时起动，从而影响具体的运行效率。由于两台电机起动时间间隔为15分钟，因此这也就要求选择开关的个数的合理存在。一档为1#电机，另一档为2#电机。如果签定技术协议时，采购方没有明确选择开关的安装位置，则一般情况供货方将此开关安装在起动柜面板上。那么将会造成实际操作过程的繁琐，这就要求操作人员必须要到安装中高压固态软起动装置的房间将需要大开的各类开关打到计划起动的电机档位上，继而在现场通过一系列合理的操作进行该电机的起动，在15分钟之后，如若起动另一台电机，这就要求必须到软起室将重新进行调整，打到另一档，方可到现场起动另一台电机，然而软起室一般情况下是关闭的，所以建议选择开关安装在现场，以便操作。
3.3中高压固态软起动装置的其他二次控制部分问题
在中高压固态软起动装置使用一拖一控制方式时，转换开关也必须合理地安装在现场操作柱上，很多人认为只要在现场操作柱上安装上启停按钮，转换开关还有启停指示灯就可以了，而忽略了紧急停车这个问题，实际上高压固态软启动器本身带有软停车功能，通过软停按钮，电动机平滑的停车，对电动机的冲击影响较小。但是如果巡视人员正好在机旁，而电动机发生故障，保护还未动作时，电机必须马上停车，此时为了保护设备的安全，只有采取紧急停车，那么我们可以从软启动器本体上把紧急停车按钮引至现场，并使软启动器和高压开关柜联锁（即把软启动的紧急停车按钮的触点串入高压开关柜的跳闸回路中），当发生故障时，按下紧急停车按钮，使高压开关柜同时断电，确保电动机第一时间内停止运行
结语
本篇文章笔者通过对高压固态软启动装置故障情况的具体分析整理，并在专业知识的基础上详细分析了串联晶闸管的驱动，另外一方面，在对高压串联晶闸管的保护问题上也与之对应地提出了均压与过压保护。而文中所述驱动与保护电路应用于高压串联晶闸管装置，在数据分析与现场试验后也证明其行之有效。只有促进晶闸管制作技术与工艺水平的不断提高，晶闸管才能够朝着更高层次与水平的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。
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论文作者:雍长胜
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/1
标签：晶闸管论文; 过电压论文; 高压论文; 固态论文; 电压论文; 装置论文; 软启动论文; 《防护工程》2018年第35期论文;