过电压保护

电力电子器件的保护

一 、过电压保护

电力电子装置中可能产生的过电压外分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的由分闸、合闸等开关操作引起的。电力电子装置中，电源变压器等储能元器件，会在开关操作瞬间产生很高的感应电压。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：

（1）换相过电压：由于晶闸管或者与全控器件反并联的续流二极管在换相结束不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。

（2）关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

电力电子电路常见的过电压有交流测过电压和直流测过电压。常用的过电压保护措施及配置位置如图1-1所示。

S

F

RV

RCD

T

D

C

U

M

RC 1

RC 2

RC 3

RC 4

L B

S DC

图9-10 过电压保护措施及装置位置

F ─避雷器 D ─变压器静电屏蔽层 C ─静电感应过程电压抑制电容

1RC ─阀测浪涌过电压抑制用RC 电路 2RC ─阀测浪涌过电压抑制用反向阻断式RC 电路 RV─压敏电阻过电压抑制器 3RC ─阀器件换相过电压抑制用RC 电路 4RC ─直流测RC 抑制电路 RCD─阀器件关断过电压抑制用RCD 电路

过电压保护所使用的元器件有阻容吸收电路、非线性电阻元件硒堆和压敏电阻等，其中RC 过电压抑制电路最为常见。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制尖峰过电压。串联电阻能消耗部分产生过电压的能量，并抑制回路的振荡。

视变流装置和保护装置点不同，过电压保护电路可以有不同的连接方式。图9-11所示为RC 过电压抑制电路用于交流测过电压抑制的连接方式。

+

-+

-a)

b)

网侧

阀侧

直流侧

C a R a

C a R a

C dc

R dc C dc

R dc C a R a

C a R a

图9-11 RC 过电压抑制电路联结方式 a)单相 b)三相

二、过电流保护

过电流分为过载和短路两种情况。过流保护常采用的有快速熔断器、直流快速断路器、过电流继电器保护措施，以晶闸管变流电路为例，其位置配置如图2-1所示。

负载

触发电路

开关电路过电流继电器

交流断路器

动作电流整定值

短路器电流检测

电子保护电路

快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器

变压器图2-1过电流保护措施和位置配置

实际采用中常常同时采用几种过电流保护措施，相互协调和补充，以提高

保护的可靠性和合理性。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

电子保护电路在检测到过电流信号后直接控制器件的触发或驱动电路，通过 使器件减小电流或关断器件的方式实现过电流保护。在全控型器件的驱动电路中常设置过电流保护环节。

快速熔断器是电力电子装置中最有效，应用最广的一种过电流保护措施，熔断时间到5ms 以下。选择快速熔断器时应考虑一下几方面：

1)电压等级根据熔断后快速熔断器实际承受的电压确定。 2)电流容量按其主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。 3)快速熔断器的t I 2

值应小于被保护器件的允许t I 2

值。

4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。 快速熔断器对器件保护方式可分为：全保护和电路保护两种。全保护是指不论过载还是短路均由快速熔断器进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。电路保护是只能快速熔断器只在短路电流较大的区域保护作用。快速熔断器一般应用于短路电流较大的场合。

快速开关用在直流电路中，它的安全分断时间最快为10ms 。而过电流继电器动作时间更长，一般为几百毫秒。在实际装置中，为了避免经常更换快速熔断器，一般需要用较小容量快速开关或过流继电器，而同时选用较大容量的快速熔断器。这样，在发生过电流，快速开关或过电流继电器首先动作，即使动作速度不如快速熔断器，同样也可以保护器件。经过复位后，又可以

正常工作。

三、缓冲电路

缓冲电路（Snubber Circuit )又称为吸收电路。其作用是电力电子电路中其抑制器件的内因过电压、抑制d u /d t 和d i /d t 减小开关损耗的作用。缓冲电路分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称d u /d t 抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制d u /d t ，减小关断损耗。开通缓冲电路又称d i /d t 抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和d i /d t ，减小器件的开通损耗。可将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起，称为复合缓冲电路。

还可以用另外的分类方法：缓冲电路中储能元件的能量如果消耗在其吸收电阻上，则被称为耗能式缓冲电路；如果缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或电源，则被称为馈能式缓冲电路，或称为无损吸收电路。

如无特别说明，通常讲缓冲电路专指关断缓冲电路，而将开通缓冲电路叫d i /d t 抑制电路。

图9-14所示为IGBT 的一种缓冲电路的电路图。在无缓冲电路的情况下，

IGBT 开通时电流上升，d i /d t 很大；关断时d u /d t 很大，并出现很高的过电压。

在有缓冲电路的情况下；V 开通时S C 通过S R 向V 放电，使c i 先上一个台阶，以后因有i L ，c i 上升速度减慢；V 关断时负载电流通过S VD 向S C 分流，减轻了V 的负担，抑制了d u /d t 和过电压。i VD 和i R 的作用是在V 关断时，给i L 提供释放储能的回路。