CN101603999A - 可控金属氧化物避雷器晶闸管开关的测量控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种晶闸管开关的测量控制装置，包括击穿二极管和第一二极管，击穿二极管的阴极耦合到晶闸管门极，击穿二极管阳极耦合到第一二极管的阴极；第一二极管的阴极耦合到击穿二极管的阳极，第一二极管的阳极耦合到晶闸管的阳极。通过测量控制装置中核心元件击穿二极管构成电压传感器，实时监测晶闸管两端的电压，监测晶闸管开关两端电压，进而间接监测系统电压。当系统电压超过所设定的动作阈值时，晶闸管和击穿二极管电压同时超过所设定的动作阈值，击穿二极管首先击穿导通，给晶闸管门极提供一个上升前沿陡度极高的触发电流脉冲信号，此时晶闸管的阳极还有较高电压，在此条件下晶闸管触发导通，大电流从晶闸管通过，整个晶闸管开关导通。

Description

可控金属氧化物避雷器晶闸管开关的测量控制装置

技术领域

本发明涉及金属氧化物避雷器技术，尤其涉及一种可控金属氧化物避雷器晶闸管开关的测量控制装置。

背景技术

晶闸管(SCR)从本世纪50年代末诞生至今，器件的性能和容量得到了飞速发展。目前，商用器件的最高不重复峰值电压已达到8500V，最大通态平均电流已达到5200A。然而，与装置所需的容量相比，单只器件的容量还远远满足不了要求。因此，在实际的高电压、大容量电力电子装置中，晶闸管通常多只串、并联使用，组成晶闸管开关。为了保证晶闸管开关能够在设定阈值处准确导通，需要有一套完善的电气测量与触发控制系统。

晶闸管开关测量系统的主要功能是实时监测晶闸管开关的状态，并把状态信号送回到控制系统进行综合处理。控制系统将接收到的状态信号和设定触发条件进行比较，当条件满足时，向触发系统发触发命令。触发系统随即给晶闸管开关门极提供一个适当的触发电流，使串联晶闸管开关可靠导通。

目前，晶闸管开关通常采用如图1所示的光电触发与在线监测系统。该系统包括与晶闸管开关连接的晶闸管电子板11、晶闸管开关触发系统12和晶闸管开关控制系统13。晶闸管电子板11与晶闸管开关触发系统12联系，闸管开关触发系统12和晶闸管开关控制系统13连接。该光电触发与在线监测系统的工作原理是：晶闸管开关触发系统12接收从晶闸管控制系统13送来的晶闸管开关触发命令和同步信号，产生晶闸管电子板11工作所需的脉冲编码，并把该脉冲编码信号经电光转换后由光纤送到处于高电位的晶闸管电子板11。在晶闸管电子板11上，经光电转换器复原脉冲编码信号后，由晶闸管电子板11的解码电路进行解码，从而实现对晶闸管开关的触发和晶闸管电子板工作阶段的控制。同时，晶闸管开关的状态信息、后备触发回路的动作信息等经晶闸管电子板11上的电路处理后，由电光转换回路转换为光信号，再由光纤送到晶闸管开关触发系统12中，晶闸管开关触发系统12根据接收到的晶闸管开关状态信息和其它信息，判断晶闸管开关是否损坏、后备触发回路是否动作、dv/dt是否越限和光电传输系统是否完好，并把判断结果送到装置的晶闸管开关控制系统13，同时，根据判断结果，决定是否向装置的控制系统和监测系统发出紧急故障信号。

但是，现有技术的光电触发与在线监测系统并不能完全满足可控避雷器晶闸管开关的要求，原因包括：(1)光电触发与在线监测系统要求必须在每个晶闸管开关所对应的高电位上建立晶闸管开关电子板工作所需要的辅助电源，可控避雷器的晶闸管开关被封闭安装在避雷器磁套内，无论采用高压侧取能和低压侧送能的方式获取辅助电源都存在一定困难；(2)虽然光电器件的响应速度较高，但实际从晶闸管开关满足触发条件，到实际触发导通，需经过晶闸管开关电子板进行电光转换、光纤传输、光电转换、控制系统判断并发触发命令、信号传输、晶闸管开关电子板发触发信号触发导通晶闸管开关等一系列的环节，大约需要几十到上百μs的响应时间，而可控避雷器晶闸管开关对响应时间的要求须为几μs，时间越长，可控避雷器对系统操作过电压的限制效果越差。因此，需要新的测量控制系统，以满足可控避雷器晶闸管开关的特殊要求。

发明内容

为了解决现有技术中晶闸管开关的测量控制系统的辅助电源和响应时间问题，本发明提供一种晶闸管开关的测量控制装置。

本发明提供的晶闸管开关的测量控制装置，包括击穿二极管和第一二极管，其中击穿二极管的阴极耦合到晶闸管开关中晶闸管的门极，击穿二极管的阳极耦合到第一二极管的阴极；第一二极管的阴极耦合到击穿二极管的阳极，第一二极管的阳极耦合到晶闸管的阳极A，用于限制击穿二极管的反向电压。

根据本发明的晶闸管开关的测量控制装置的一个实施例，还包括串联在击穿二极管的阳极和晶闸管的阳极之间的第一电阻，用于限制测量控制装置中回路的电流脉冲的幅值。

根据本发明的晶闸管开关的测量控制装置的一个实施例，还包括低通滤波支路和保护二极管，低通滤波支路串联在击穿二极管的阴极和晶闸管的阴极之间，保护二极管的阳极和阴极分别耦合到击穿二极管的阴极和晶闸管的门极，用于阻断正向dv/dt时所述击穿二极管结电容产生的位移电流。其中，低通滤波支路包括并联的第二电阻和电容。进一步，第二电阻取值在100～1000Ω之间，电容取值22～47nF之间。

根据本发明的晶闸管开关的测量控制装置的一个实施例，还包括金属氧化物电阻片MOR。MOR一端耦合到晶闸管的阳极，另一端耦合到晶闸管的阴极。MOR在最大电流下的残压须小于晶闸管的额定电压，以防止晶闸管在过电压下发生硬开通或损坏。另外，MOR还可以起到均衡晶闸管开关中各串联晶闸管电压的作用。

本发明提供的晶闸管开关的测量控制装置，主要通过击穿二极管实现测量、控制和触发，将测量、控制和触发三种功能集于一体，省略了很多信号转换和传输环节，大大缩短了晶闸管开关导通响应时间。另外，该测量控制装置直接从晶闸管阳极和阴极之间取能，不需要外加辅助电源。

附图说明

图1是现有技术的光电触发与在线监测系统的示意图；

图2是本发明的可控避雷器中晶闸管开关测量控制和触发系统的应用例的示意图；

图3是本发明的晶闸管开关的测量控制装置的一个实施例的电路图；

图4是本发明的晶闸管开关的测量控制装置的另一个实施例的电路图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。在附图中，相同的标号表示相同或者相似的组件或者元素。

考虑到可控避雷器晶闸管开关工作条件的特殊性，在触发信号取能回路和响应时间两个主要限制措施的制约下，本发明提供了一种晶闸管开关的测量控制和触发装置。图2是本发明的可控避雷器中晶闸管开关测量控制和触发装置的一个应用例的示意图。如图2所示。和常规晶闸管开关仅要求单向开通不同，由于可控避雷器主要用来限制工频和操作过电压，该两种类型的过电压波形均为双向交流性过电压，要达到理想的限压效果，要求可控避雷器的晶闸管开关在正反两个方向波形的过电压下均可开通，需采用反并联晶闸管对的结构形式。考虑到可控避雷器晶闸管开关额定电压比单只晶闸管额定电压高得多，所以需采用多对反并联晶闸管对串联的结构形式，这种结构形式亦适用于需要单向晶闸管串联的工作场合。图2中的L为限流电抗器，主要用来限制晶闸管开关开通时通过晶闸管开关的电流i和临界电流上升率di/dt。

在图2中晶闸管开关的触发导通主要由与之相连的晶闸管开关测量控制和触发装置，即本发明的晶闸管开关的测量控制装置的示例。

图3是本发明的晶闸管开关的测量控制装置的一个实施例的电路图。如图3所示，该测量控制装置包括击穿二极管BOD，BOD的阴极C耦合到晶闸管SCR的门极G，BOD的阳极A耦合到SCR的阳极A。此外，还包括第一二极管D1，D1的阳极耦合到SCR的阳极A，D1的阴极耦合到BOD的阳极A，用于限制所述击穿二极管的反向电压。可优选地还包括金属氧化物电阻片MOR。MOR一端耦合到SCR的阳极，另一端耦合到SCR的阴极，以限制SCR两端的电压和均衡各串联SCR电压的作用。MOR在最大电流下的残压小于晶闸管的额定电压，以防止晶闸管在过电压下发生硬开通或损坏，另外，MOR还可以起到均衡晶闸管开关中各串联晶闸管电压的作用。该测量控制装置的工作原理是：利用测量控制装置中的核心元件-击穿二极管(BOD)构成电压传感器，实时监测晶闸管SCR两端的电压，并间接监测系统电压。当系统电压超过所设定的动作阈值V_S0(以避雷器受控元件MOA1和固定元件MOA2额定电压比为1∶3为例，该阈值可设定为1.3p.u.)时，SCR和BOD电压均会同时超过所设定的动作阈值，BOD首先击穿导通，将有电流流过BOD触发回路，BOD电流流向低阻抗的SCR门极G，给门极提供一个上升前沿陡度极高的触发电流脉冲信号，而此时SCR的阳极还有较高的电压，在此条件下SCR触发导通，大电流从SCR通过，整个晶闸管开关导通。当SCR所通过的电流小于其维持电流时，SCR断开，进而整个晶闸管开关断开。

BOD是晶闸管开关的测量控制装置的基础和核心元件，因其动作响应时间在纳秒级，对于系统中的操作波和雷电波，均能及时响应，满足可控避雷器晶闸管开关对于响应时间的要求。同时，BOD器件的动作电压分散性小(一般厂家给出的动作误差在2％以内，实际动作误差远小于该值)，每次门极触发信号特性基本维持不变，这确保了晶闸管开关能够按照设定的逻辑及时准确动作。BOD触发回路提供的触发电流信号前沿陡度高，幅值可按晶闸管门极触发特性整定，能够保证晶闸管可靠触通。BOD触发方式直接由晶闸管阳极抽取一部分电能注入到晶闸管的门极使其导通，无需再设置复杂的取能回路，大大简化了晶闸管开关的结构。BOD器件以被触发晶闸管断态端电压为动作依据，在晶闸管开关中，晶闸管端电压由并联限压电阻片MOR残压决定，可选择BOD动作电压在电阻片拐点之上，这样各串联电阻片间的分压为阻性分压，杂散电容影响可以忽略，从而保证BOD触发时刻的同期性，满足串联晶闸管开关对触发信号一致性的要求。

在进行参数选择时，BOD首先应满足的条件是：在最大环境温度T_A下的转折电压V_BOD应等于或低于晶闸管的额定电压V_DRM，即

V_BOD(T_A)≤V_DRM                        (5-1)

这也是晶闸管开关过电压保护装置中BOD参数选择所遵循的基本原则，但本发明中的BOD并非用来限制晶闸管的过电压，而是作为一种电压传感器，用来测量晶闸管两端的电压，并在设定阈值处准确触发开通晶闸管的。正常工作温度T₀下BOD的转折电压须根据可控避雷器的控制策略、可控避雷器和晶闸管开关的触发阈值、晶闸管的串联个数等参数来确定，设可控避雷器的动作阈值为V_S0，可控比为K，晶闸管的串联个数为N，则V_BOD的值由式(5-2)算得。应用于可控避雷器晶闸管开关测量控制和触发电路中的BOD同时满足式(5-1)和(5-2)两个限制条件。

V_BOD(T₀)＝V_S0×K/N                (5-2)

在大多数应用情况下，BOD提供的脉冲电流十分短暂，由绝热引起的温升T_J可近似表示为：

$T_J=\frac{E_P}{V_S\·C_S\·{\mathrm{\ρ}}_S}=727\·E_P---(5-3)$

式中，E_P-脉冲能量；V_S-硅片有效体积；C_S-硅片比热；ρ_S-硅片比重。

图4是本发明的晶闸管开关的测量控制装置的另一个实施例的电路图。和图3相比，图4中的测量控制装置还包括第一电阻R1，低通滤波支路R2、C2和保护二极管D2，和稳压管Dz。第一电阻R1串联在BOD的阳极和SCR的阳极之间的，用于限制测量控制装置中回路的电流脉冲的幅值。该测量控制装置的工作原理为：利用测量控制和触发电子板中的核心元件-击穿二极管(BOD)构成电压传感器，实时监测SCR两端的电压，并间接监测系统电压。当系统电压超过所设定的动作阈值V_S0(以避雷器受控元件MOA1和固定元件MOA2额定电压比为1∶3为例，该阈值可设定为1.3p.u.)时，SCR和BOD电压均会同时超过所设定的动作阈值，BOD首先击穿导通，将有电流流过BOD触发回路，通过对R2、C2构成低频滤波抗干扰电路快速充电至稳压管Dz的稳定电压值时，Dz导通，BOD电流转而流向低阻抗的SCR门极，给门极提供一个上升前沿陡度极高的触发电流脉冲信号，而此时SCR的阳极还有较高的电压，在此条件下SCR触发导通，大电流从SCR通过，整个晶闸管开关导通。当SCR所通过的电流小于其维持电流时，SCR断开，进而整个晶闸管开关断开。

本领域的技术人员应当理解，也可以通过其它的方式实现低通滤波器支路。

BOD器件为正、反向非对称结构，反向耐压一般低于10V，应用时为防止承受反向过电压损坏须串联二极管D1，通常高转折电压的BOD已经将二极管D1封装在同一模块内。

回路中R1用于限制电流脉冲的幅值，BOD击穿导通前，SCR充电至V_BOD，BOD击穿导通电流峰值I_TM可表示为：

$I_{\mathrm{TM}}=\frac{V_{\mathrm{BOD}}}{R_1}---(5-4)$

低通滤波支路R2、C2和保护二极管D2用于阻断正向dv/dt时BOD结电容产生的位移电流，防止寄生触发。R2和C2可根据BOD元件的结电容和di/dt耐受能力来进行选择，推荐值一般分别为100～1000Ω、22～47nF。D2可根据V_BOD(T_J)和I_TM大小进行选择。稳压管Dz用于防止低电压干扰信号使晶闸管开关误触通。

需要指出，本领域的普通技术人员应当理解，在应用中，晶闸管开关的测量控制装置可以根据需要包括第一电阻R1、稳压管Dz以及低通滤波支路R2、C2和保护二极管D2中的一个或者多个。

本发明提供的晶闸管开关的测量控制装置，其所需的电源完全由晶闸管开关自身提供，不需要另外加辅助电源。晶闸管开关的测量控制装置将测量、控制和触发三种功能集于一体，省略了很多信号转换和传输环节，大大缩短了晶闸管开关导通响应时间。经试验测定，从系统电压到达其动作阈值，到晶闸管开关完全导通一般仅需要1～2μs，完全满足可控避雷器对晶闸管开关的要求。而由于在晶闸管开关的测量控制装置中采用了低频滤波支路、以及防止误触发的稳压管和二极管，电子板抗干扰能力强，误触发率较低，可靠性高。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (8)

1.一种晶闸管开关的测量控制装置，其特征在于，包括击穿二极管和第一二极管，所述击穿二极管的阴极耦合到所述晶闸管开关中晶闸管的门极，所述击穿二极管的阳极耦合到所述第一二极管的阴极；所述第一二极管的阴极耦合到所述击穿二极管的阳极，所述第一二极管的阳极耦合到所述晶闸管的阳极，用于限制所述击穿二极管的反向电压。

2.根据权利要求1所述的晶闸管开关的测量控制装置，其特征在于，还包括金属氧化物电阻片，所述金属氧化物电阻片一端耦合到所述晶闸管开关中晶闸管的阳极，另一端耦合到所述晶闸管开关中晶闸管的阴极。

3.根据权利要求1所述的晶闸管开关的测量控制装置，其特征在于，还包括串联在所述第一二极管的阳极和所述晶闸管的阳极之间的第一电阻，用于限制所述测量控制装置中回路的电流脉冲的幅值。

4.根据权利要求1所述的晶闸管开关的测量控制装置，其特征在于，还包括低通滤波支路和保护二极管，所述低通滤波支路串联在所述击穿二极管的阴极和所述晶闸管开关中晶闸管的阴极之间，所述保护二极管的阳极和阴极分别耦合到所述击穿二极管的阴极和所述晶闸管开关中晶闸管的门极，用于阻断正向dv/dt时所述击穿二极管结电容产生的位移电流。

5.根据权利要求4所述的晶闸管开关的测量控制装置，其特征在于，所述低通滤波支路包括并联的第二电阻和电容，所述第二电阻取值在100～1000Ω之间，所述电容取值22～47nF之间。

6.根据权利要求1所述的晶闸管开关的测量控制装置，其特征在于，还包括稳压管，所述稳压管的阴极和阳极分别耦合到所述击穿二极管的阴极和所述晶闸管开关中晶闸管的门极，用于防止低电压干扰信号使所述晶闸管误触通。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的晶闸管开关的测量控制装置，其特征在于，所述击穿二极管满足：在最大环境温度T_A下，所述击穿二极管的转折电压V_BOD等于或小于晶闸管的额定电压V_DRM。

8.根据权利要求7所述的晶闸管开关的测量控制装置，其特征在于，所述击穿二极管满足：

V_BOD(T₀)＝V_S0×K/N

其中，V_BOD(T₀)表示温度T₀下所述击穿二极管的转折电压，V_S0表示所述晶闸管开关所在的可控避雷器的动作阈值，K表示可控比，N表示所述晶闸管开关中串联的晶闸管个数。

Images