晶闸管整流供电回路保护电路设计
王!维
（宝钢集团上海梅山钢铁股份有限公司设备分公司，江苏南京
摘要：主要研究内容为晶闸管整流供电回路保护电路设计问题。分析了过电压、过电流产生的原因，有针对性地设计了保护电路。其中重点介绍了压敏电阻、’(吸收电路过压保护设计及电子电路过流保护设计。该设计能很好地满足直流供电系统的安全运行需求。关键词：晶闸管整流；过压保护；过流保护
!!由于直流电机优良的调速性能，时至今日，其在冶金、机加工等工业生产中仍有着广泛的应用。但由于电网电压波动及负载本身的不稳定性，加之直流电机本身设计结构的缺陷，使得直流电机在运行中时常受损。直流电机价格昂贵，维修周期较长，因此给直流供电回路设计适当的保护尤其必要。本文基于以上特点，设计了晶闸管整流供电回路的过压、过流保护电路。
#*
在变压器阀侧配置浪涌过电压抑制用’(+电路。
#*
在整流桥交流侧采用压敏电阻保护回路，如图#所示。
!
!#!
（#）操作过电压。由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来。
（
（)）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过电压。!#$
可以在变压器网侧设置避雷器来抑制由雷击引起的过电压。
收稿日期：
［#］
!
图!
采用压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流通过元件，而一旦出现过电压时，压敏电阻可通过高达数千伏的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低、体积小，对电压反应快等优点。因此，是一种较好的过电压保护元件，在各种变流装置中被普遍采用。压敏电阻的缺点在于：持续平均功率太小，如果选择不当，在正常工作时将引起电压超过其额定值而损坏，且损坏时所产生的电弧往往波及邻近的电器设备，造成故障扩大化。压敏
［
电阻的选用步骤如下：
作者简介：王!维（#&,
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线电压的有效值。
（’）计算压敏电阻泄放电流初值#)#三相变压器时：#)#*
$#’+,’(
（
式中，!
#6#，为该系列同类元件的最大规格值（如
其电路图如图’所示。
式中，$+为能量转换系数，与断路器类型有关，对空气断路器：$+*,-&.,-/，对油断路器$+*,-
))#
（’）
图!
)C吸收电路作用是抑制电力电子器件的内因过电压=!0=)或者过电流=*0=)，减小器件的开关损耗。)C参数的计算方法：
+*（’.1）@
（D）（
,*（
’
-)E.’+（
（&）
式中，$)为压敏元件特性系数；!为压敏元件非线
在取!*’,时，$)性系数，!一般在’,.’/之间，*
（1）计算过电压倍数$23
’(由式得$23的计算值应低于晶闸管得电压储备系数。
（/）计算和校验压敏电阻的能耗。取!*’,时，压敏电阻的能耗%（!4）为
%*’5%/
+为)C吸收电路电容，#
$23*
（1）
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!%&
晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类：一类是由于整流电路内部原因，如整流晶闸管损坏，触发电路或控制系统有故障等；其中整流桥晶闸管损坏类较为严重，一般是由于晶闸管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流。另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时有发生，因为整流桥的负载实质是逆变桥，逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。另外，如整流变压器中性点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。!%!
’-’-
对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，最常见的保护方式就是接入快速熔短器。快速熔短器的接入方式共有三种，如图&所示。
快速熔断器相接即H型接法时，可以防止因晶闸管损坏或直流侧故障而造成的短路。但由于
#
（/）
式中，
时，允许通过的浪涌峰值电流。
实际能耗%)9（4）应考虑在最不利条件下，即空载切除整流变压器的情况，按下式计算：
%)9*&#
’
#)#
（5）
式中，#)#为泄放电流初值，$；&#为变压器的每相励磁电感，:。按式（;）选取&#值：
(
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侧相电压，7；#=>为额定直流电流，$。
校验能耗应满足下式：%)9!,%?%@
（?）
若不满足，应放大压敏元件的通流容量#6#，并重复式（/）及式（?）的计算步骤。但在设计大容量变流装置时，通常选用的压敏电阻通流容量
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动（一般%&’(），还应留有适当的余地，即
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（&,）
式中，!*+为整流变压器二次线电压有效值。
快速熔断器的额定电流
,),),2采用电力电子电路进行过电流保护
对于重要且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高，很难用快速熔断器保护的全控型器件，需要采用电力电子电路进行过电流保护。图3所示为过电流保护电子电路系统原理图，检测到过流之后关断被保护电路。电路包括过流信号采集模块、整流模块、电压比较整定模块、43+543/控制门及执行电路模块。
+!$!
图!
（&-）
相接熔断器的电流有效值比桥臂晶闸管的电流有效值大，因此在通过故障电流时，熔断器对晶闸管的保护效果就差些，故多用于中小容量装置。快速熔断器接于直流侧即!型接法时，可实现负载侧的短路或过流保护，但对晶闸管本身造成的短路不起保护作用，故多用于小功率装置。通常采用臂接即
快速熔断器的额定电压!#$应大于线路正常工作时的电压有效值，但考虑电源电压的上下波
式中，#.为电流计算系数，对三相全桥，#.0&1CDE%
图#
22下面对图3各模块功能及过流保护原理做简单介绍。
（&）信号采集模块
通过三相电流互感器（鉴于画图工具有限图中电流互感器省略了），在主电路晶闸管交流侧采集电流信号。
采用互感器的主要作用：
&）隔离高压电路。互感器一次和二次没有电的联系，只有磁的联系，因而使保护电路与高压电
路隔开，以保证二次设备和工作人员的安全。
,）使继电器小型化，标准化，可简化结构，降低成本，有利于大规模生产。
［-］
电流互感器运行中的注意事项：&）在连接时一定要注意电流互感器的极性。
否则二次侧所接的仪表，继电器中流过的电流，就不是想要的电流，影响正确测量，乃至引起事故。
,）电流互感器的二次侧和外壳均应接地。接地线不应松动，断开或发热。
!）电流互感器二次侧不准开路或接熔断器。
#）额定电压应大于或等于电网电压。$）一次额定电流应大于或等于（#%$&#%’）倍的长时最大工作电流!()*+，即
!#,.（#*$&#*’）!()*+
（#
!）电流互感器的精确等级应与二次设备的要求相适应。互感器的精确等级与二次负载容量有关，如容量过大，精确等级过大。根据工程经验，过流保护用电流互感器的精确等级应不小于-%’级。
整流模块是不可缺少的一部分，它将电流互感器采集到的交流信号，转化为直流电压信号输送给电电压比较器。
（!）电压比较整定模块
将上一步不可控整流桥的电压输出信号作为一个输入信号输送给电压比较器的一端，而电压比较器输入端口的另一端用来整定。
如图’所示，当
［
从真值表可以看出，当567及826为高电平，时钟脉冲为上升沿时，只要4端接高电平，:输出端就为高，而此时4端接低电平时，:端输出就为低电平。本设计正是利用这一点来对执行电路进行控制。
（’）执行电路
当晶体管基极加高电平时，晶体管导通，继电器线圈得电，其与断路器相连的常闭触点断开，使断路器动作，进而起到保护系统的作用。
［’］
#）继电器的选择
继电器要求动作灵敏，工作可靠。$）晶体管的选择
晶体管要根据继电器参数来选择，晶体管的额定电流应大于继电器的额定电流。而且根据1
!）限流电阻的选择
限流电阻要根据晶体管及继电器参数来选择。
（?）电压整定值计算
按直流负载能承受的最大过载倍数来整定过电流保护：
!@+(A.!!B,
（#?）
!B,为负载额定电式中，!为负载最大过载倍数；流。
此时电流互感器的二次侧电流为
’C!#--@+(A
：
（#’）
整定时，将采集到的信号作为#/$，将整定值作为#/#。#/$一旦大于#/#，比较器就将输出一正脉冲。
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!()$.
（#1）
这里电流互感器的变比取#--D’。
电流互感器采集到的是电流信号，而电压比较器需要的是电压信号，需要加一个电阻将电流信号转变为电压型号（注：电流互感器二次侧星联接）。
$()$.!()$C
此时整流桥二极管承受的最大反压为
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-##-
0:-##-#
图!
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使用1
表#
567-#-###
826#
--###
829;;;&&-4;;;#-;
（#E）
据此可以选择整流二极管的参数。
（#F）
在电压比较环节中，选闸的是8G--$
如图
>&指上升沿触发
压比较器正向输入端!!
!!
&#’()
限于篇幅，未对电流互感器的选择动热稳（-）
定性校验做详细说明。参考文献：
［$］王兆安.电力电子技术［)］.北京：机械工业出版社，
［
［-］王崇林.供电技术［)］.北京：煤炭工业出版社，$//0.［1］夏路易.电子技术基础（下册）［)］.北京：兵器工业
出版社，
［2］贺家李.电力系统继电保护原理［)］.北京：中国电
力出版社，$/3,.
［编辑：周希章］
根据临界整定的原则，这也正是整定输入电压!!$的值。
!
（$）本文对晶闸管整流直流供电系统过压、过流产生的原因进行了简单分析，并设计了较详尽的应对措施。在实际生产中，应用性较高。
（
晶闸管整流供电回路保护电路设计
王!维
（宝钢集团上海梅山钢铁股份有限公司设备分公司，江苏南京
摘要：主要研究内容为晶闸管整流供电回路保护电路设计问题。分析了过电压、过电流产生的原因，有针对性地设计了保护电路。其中重点介绍了压敏电阻、’(吸收电路过压保护设计及电子电路过流保护设计。该设计能很好地满足直流供电系统的安全运行需求。关键词：晶闸管整流；过压保护；过流保护
!!由于直流电机优良的调速性能，时至今日，其在冶金、机加工等工业生产中仍有着广泛的应用。但由于电网电压波动及负载本身的不稳定性，加之直流电机本身设计结构的缺陷，使得直流电机在运行中时常受损。直流电机价格昂贵，维修周期较长，因此给直流供电回路设计适当的保护尤其必要。本文基于以上特点，设计了晶闸管整流供电回路的过压、过流保护电路。
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在变压器阀侧配置浪涌过电压抑制用’(+电路。
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在整流桥交流侧采用压敏电阻保护回路，如图#所示。
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（#）操作过电压。由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来。
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（)）关断过电压。全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出过电压。!#$
可以在变压器网侧设置避雷器来抑制由雷击引起的过电压。
收稿日期：
［#］
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图!
采用压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流通过元件，而一旦出现过电压时，压敏电阻可通过高达数千伏的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低、体积小，对电压反应快等优点。因此，是一种较好的过电压保护元件，在各种变流装置中被普遍采用。压敏电阻的缺点在于：持续平均功率太小，如果选择不当，在正常工作时将引起电压超过其额定值而损坏，且损坏时所产生的电弧往往波及邻近的电器设备，造成故障扩大化。压敏
［
电阻的选用步骤如下：
作者简介：王!维（#&,
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’(由式得$23的计算值应低于晶闸管得电压储备系数。
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（1）
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晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类：一类是由于整流电路内部原因，如整流晶闸管损坏，触发电路或控制系统有故障等；其中整流桥晶闸管损坏类较为严重，一般是由于晶闸管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流。另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时有发生，因为整流桥的负载实质是逆变桥，逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。另外，如整流变压器中性点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。!%!
’-’-
对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，最常见的保护方式就是接入快速熔短器。快速熔短器的接入方式共有三种，如图&所示。
快速熔断器相接即H型接法时，可以防止因晶闸管损坏或直流侧故障而造成的短路。但由于
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对于重要且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高，很难用快速熔断器保护的全控型器件，需要采用电力电子电路进行过电流保护。图3所示为过电流保护电子电路系统原理图，检测到过流之后关断被保护电路。电路包括过流信号采集模块、整流模块、电压比较整定模块、43+543/控制门及执行电路模块。
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式中，#.为电流计算系数，对三相全桥，#.0&1CDE%
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22下面对图3各模块功能及过流保护原理做简单介绍。
（&）信号采集模块
通过三相电流互感器（鉴于画图工具有限图中电流互感器省略了），在主电路晶闸管交流侧采集电流信号。
采用互感器的主要作用：
&）隔离高压电路。互感器一次和二次没有电的联系，只有磁的联系，因而使保护电路与高压电
路隔开，以保证二次设备和工作人员的安全。
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［-］
电流互感器运行中的注意事项：&）在连接时一定要注意电流互感器的极性。
否则二次侧所接的仪表，继电器中流过的电流，就不是想要的电流，影响正确测量，乃至引起事故。
,）电流互感器的二次侧和外壳均应接地。接地线不应松动，断开或发热。
!）电流互感器二次侧不准开路或接熔断器。
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!）电流互感器的精确等级应与二次设备的要求相适应。互感器的精确等级与二次负载容量有关，如容量过大，精确等级过大。根据工程经验，过流保护用电流互感器的精确等级应不小于-%’级。
整流模块是不可缺少的一部分，它将电流互感器采集到的交流信号，转化为直流电压信号输送给电电压比较器。
（!）电压比较整定模块
将上一步不可控整流桥的电压输出信号作为一个输入信号输送给电压比较器的一端，而电压比较器输入端口的另一端用来整定。
如图’所示，当
［
从真值表可以看出，当567及826为高电平，时钟脉冲为上升沿时，只要4端接高电平，:输出端就为高，而此时4端接低电平时，:端输出就为低电平。本设计正是利用这一点来对执行电路进行控制。
（’）执行电路
当晶体管基极加高电平时，晶体管导通，继电器线圈得电，其与断路器相连的常闭触点断开，使断路器动作，进而起到保护系统的作用。
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继电器要求动作灵敏，工作可靠。$）晶体管的选择
晶体管要根据继电器参数来选择，晶体管的额定电流应大于继电器的额定电流。而且根据1
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限流电阻要根据晶体管及继电器参数来选择。
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电流互感器采集到的是电流信号，而电压比较器需要的是电压信号，需要加一个电阻将电流信号转变为电压型号（注：电流互感器二次侧星联接）。
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此时整流桥二极管承受的最大反压为
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［$］王兆安.电力电子技术［)］.北京：机械工业出版社，
［
［-］王崇林.供电技术［)］.北京：煤炭工业出版社，$//0.［1］夏路易.电子技术基础（下册）［)］.北京：兵器工业
出版社，
［2］贺家李.电力系统继电保护原理［)］.北京：中国电
力出版社，$/3,.
［编辑：周希章］
根据临界整定的原则，这也正是整定输入电压!!$的值。
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