可控硅整流器的快速熔断器保护.pdf

6 0 可控硅整流器的快速熔 断器保护 2 0 o 2 ． №4 可控硅整流器的快速熔断器保护 杨 秀 杰 哈 尔滨电机厂有限责任公 司， 黑龙江 哈 尔滨 1 5 0 0 4 0 【 摘要】 介绍了快速熔断器在可控硅整流器中的应用及参数的选择。 【 关键词】 可控硅整流器； 快速熔断器 ； 应用 【 中图分类号】 T M 4 6 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 0 -3 9 8 3 2 0 0 2 0 4 - 0 0 3 Ap p l i c a ti o n o f t h e Qu i c k - f u s e i n t h e T h y r i s t o r C o n v e r t e r a n d t h e C h o i c e o f P a r a me t e r Y A H G X i u - j i e H a r b i n E l e c t r i c Ma c h i n e r y C o m p a n y L i m i t e d ， H a r b i n 1 5 0 0 I 4 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，t h e a p p l i c a t i o n o f q u i c k - f u s e i n t h y r i s t o r c o n v e r t e r i s i n t r o d u c e d a n d t h e c h o i c e o f p a r a me t e r ． Ke y wo r d s t h y r i s t o r c o n v e r t e r ； q u i c k - f u s e； a p p l i c a t i o n l 前言 静止励磁系统的可控硅整流器的作用是将交流电 源转换为直流 ，为发电机的磁场绕组提供合适的励磁 能源 见图 1 。由于可控硅元件的热容量小， 在过流故 障状态下必须要有快速保护 。快速保护的方式 有两 种 一种是在整流桥的交流侧装设空气断路器 ， 利用空 气断路器的过流脱扣功能， 当发生过流故障时 ， 断路器 跳闸将整流桥全部退 出。由于此种保护方式会限制发 电机的出力，很少采用。一般都将断路器的过流脱扣 器摘除 ，将断路器作 为带 电检修整流桥时的隔离开 关。另一种是采用快速熔断器保护 ，这是通常采用的 方式。快速熔 断器具 有与可控硅元 件相类 似的热特 性 ，是一种较为理想的保护器件。由于快速熔断器保 护分断后一般仅有一个元件退出运行 ，整流桥仍能在 图1 励磁系统方框图 缺一波头的情况下运行 ，因此 ，比以前采用的空气断 路器保护更有实用价值。 2 使用接线 图 2 将快速熔断器放在整流器的直流侧。图 3 将 F U [ ] [ ] [ 】 ● [ ] [ ] [ ] 图 2 FU[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ●- 图 3 2 O 0 2 ． N o 4 大 电 机 技 术 6 l 快速熔断器放在整流器的交流侧。 保护效果是完全等效的。 两种接线方式下的 磁系统即采用此种参数的匹配。 造成可控硅过流的原因有两个 一是 回路中有短 路点；二是某个可控硅元件发生击穿事故。对于第一 种情况 ，与短路点在电气上相连的快速熔断器均要保 护分断。第二种情况下，当同组 中其它相的可控硅元 件换相导通时 ，将与被击穿的可控硅元件所在的相发 生相间短路。只是与故障元件相串联的快速熔断器保 护熔断或者两臂上快速熔断器均保护熔断。 3 快速熔断器的参数选择 快速熔断器的许多指标是在 I E C国际电工标准规 定的条件下确定的， 与整流器的使用条件有一定差距 ， 所以要比较精确地计算和选用快速熔断器是比较复杂 的， 在选择与可控硅元件串联的快速熔断器时 ， 主要应 考虑以下方面 1 快速熔断器的额定电压要高于整流桥交流侧 线电压的有效值。 2 按实际需要选择熔断器的额定 电流。 快速熔断器的额定电流是指电流有效值。而可控 硅元件的额定电流 ， 是正弦半波的平均值， 其有效值 是 1 ． 5 7 1 。因此对于单相半波整流电路在电阻负载和 可控硅全导通的情况下 ，从长期运行用快速熔断器保 护可控硅的观点出发 ，应按 1 ． 5 7 1 来选择快速熔断器 的额定电流。但是从 出现短路到快速熔断器熔断这段 时间内的短路电流波形并非正弦，快速熔断器和可控 硅在不同的短路电流 冲击下的发热和损坏情况各不相 同； 并且， 从正常运行的角度来看 ， 由于选用可控硅时 所取的安全系数不同，流过可控硅的实际电流有效值 不同，因此不能简单地按 1 ． 5 7 1 ， 来选择快速熔断器的 额定 电流 。 一 般来说 ，快速熔断器的额定电流按与之相 串联 的可控硅的工作电流再乘以一个系数 约为 1 ． 4 ， 此系 数是根据多年来的试验确定的来选取。可控硅元件 的标称额定电流是指在理想的散热条件下 ，可控硅元 件的结温不超过其允许结温时的电流。实际应用 中可 控硅元件的散热条件是不理想的 ，可控硅的电流与所 选配的散热器有关。在全动态试验 台上可以测出可控 硅元件在配上散热器后不超过允许结温的最大电流 ， 快速熔断器的额定电流可以选为全动态测试电流乘以 系数 1 ． 4 。 例如某标称为 K P 1 6 5 0 A的可控硅元件， 在某 种散热器配置下 ， 其全动态测试 电流若是 1 0 0 0 A， 则快 速熔断器的额定电流可选 1 4 0 0 A。新安江水电厂的励 4 影晌快速熔断器的一些因素 4 ． 1 快速熔断器的重要指标 ， 2 f 快速熔断器的电流通过能力满足系统短路电流的 要求后 ， 发生短路故障时可以隔离故障电流， 但能否保 护所串联的可控硅元件则必须分析二者的 ， 2 f 值。只 有当快速熔断器的 ， 2 f 小于可控硅元件的 ， 2 f 值时 ， 才 能对可控硅元件起到保护作用。短路故障时的 ， 分 为两个 阶段 ， 即弧前 ， 2 t 和分 断 ， t 。 熔体金属从 固态转 为液态的时间称为弧前时间， 此阶段的 ， 2 f 即为弧前 ， 2 f 。 经验证明， 弧前 ， 2 f 的上升 率越高， 越有利于快速熔断器的可靠分断， 因此应用中 要避免快速熔断器低倍数过载 ，即回路中可能的短路 电流应大于 5 倍的快速熔断器额定电流。 当熔体金属变为蒸汽时 电弧始燃 ， 从燃弧到熄弧 ， 此阶段 l Z t 即为熔断 l Z t 。在应用 中快速熔断器的额定 电压总是高于使用电压。实际的熔 断 ， 2 f 则应修正为 实际电压 定 电压 I Z t 。快速熔断器的综合 ， 2 f 为弧 前 ， 2 f 加上修正后的熔断 ， 2 f 。 I Z t 是精选快速熔断器的重要指标。 4 ． 2 快速熔断器的温升和功耗 快速熔断器的损耗为 △W m ， f 【 l o t t t o 】 R／ n 6 式中 m整流桥臂数， 对于三相整流桥来说 ， m 6 ， f 通过快速熔断器的有效值； f 风冷时取 1 2 0 C； t 一 可按 2 o ℃计算 ； a 电阻温度修正系数， 取 0 ． 0 0 3 5 ／ C ； R 快速熔断器冷态电阻； n 。 每臂并联支路数 励磁系统中， n 通常为 1 。 快速熔断器是靠发热熔断的 ，正常运行时应尽可 能使温升减到最小。 快速熔 断器的功耗与其冷态电阻有很大的关系 ， 冷态电阻是快速熔断器的重要指标 ，选用冷态电阻低 的快速熔断器有利于降低温升 ，因为电流通过能力主 要受温升限制。快速熔断器接头处的连接状况 ，也影 响其温升 ，要求快速熔断器接头处的温升不影响相邻 器件的工作。试验证明，快速熔断器温升低于 8 0 K可 以长期运行 ， 温升 1 0 0 K时制造工艺稳定的产品仍能长 期运行， 温升 1 2 0 K是电流通过能力的临界点 ， 若温升 6 2 可控硅整流器的快速熔 断器保护 2 0 o 2 ． №4 达到 1 4 0 K则快速熔断器不能长期运行。 实际应用中若 能将快速熔断器置于可控硅元件的冷却系统 中，能有 效地降低快速熔断器的温升。 4 ． 3 快速熔断器的分断能力 分断能力是另一安全指标 ，设计整流器时应计算 整流器的相间短路 电流 ，并按此电流选用具有足够分 断能力的快速熔断器。分断能力不足的快速熔断器会 持续燃弧直至爆炸 ，严重时会导致交直流短路。分断 能力取决于制造厂的产品质量，一般的快速熔断器分 断能力为 5 0 k A， 高质量的快速熔断器其分断能力达到 1 0 0 k A 。使用中应尽量选用高分断力的快速熔断器。 在分断能力满足整流器的要求时 ，还要注意分断 瞬间电弧电压峰值 标准中称为暂态恢复 电压 ， 在快 速熔断器选择参数时要注意 ，使其低于可控硅元件所 能承受的最大值 ，否则可控硅元件将会损坏 。故分断 时间最短的熔断器不一定最适用。 4 ． 4 电流通过能力 电流通过能力取决于接头处的连接状况 ，其影响 着快速熔断器的温升和安全运行，为此必须保持接触 面的平整和清洁 。无镀层的母排接触面要去除氧化 层 ， 安装时给予一致的压紧力并在接触面涂导电膏 ， 最 好使接触面产生弹性变形。并联的快速熔断器要求逐 个检测接触面压降。 5 结束语 1 在可控硅整 流回路 中使用快速熔断器应考虑 它的冷却 问题。 2 所选择的快速熔断器的 ， 应小于被保护的 整流可控硅元件的 ， 值。 3 尽量选用冷态电阻较低和具有高分断能力的 快速熔断器。 『 收稿 日期 1 2 O 0 2 0 4 0 8 [ 作者简介】 杨秀杰 1 9 6 6 一 ， 黑龙江哈尔滨人 ， 1 9 8 9年毕 业于华东工学院 自动控制专业 ， 现从事发电机 励磁设计和研究工作 ， 工程师。 上接第 3 4页 L Y 图 2 Mi s e s 等应力线 分布十分合理 ， 表明单元的划分、 边界条件处理正确 。 护环配合公盈选取恰 当， 计算结果可信。在超速工况， 护环的应力达到最大值， 其 Mi s e s等应力线见图 2 。超 速时， 护环相当应力最大值 ， Ma ,m肼 5 5 5 MP a 最大切向 拉应力 Ma ,my 5 4 慨。 护环材料是 5 o l 8 C 。 屈 服极限为 9 5 0 M P a 。护环设计要求考核切向拉应力 ， 要 求最大切向拉应力不大于屈服极限的 7 O ％即 6 6 5 4 口 P a ． 可见护环的应力设计完全满足设计要求 。 5 小结 1 护环 与本 体、 中心环 配合面采用 了 G A P元来 处理， 从应力分布来看 ， 结果非常理想。G A P元用于接 触问题是一次成功的尝试， 值得推广应用。 2 护环与本 体 两个配 合面直 径最 佳 配合 公盈 2 ． 4 ra m，护环与中心环两个配合面直径最佳配合公盈 1 ． 8 n R no 3 护环最大应力 朋l嘣 5 4 0 MP a 。小于材料屈服 极限的 7 0 ％ ，表 明护环的应 力设计完全满 足设计要 求。 4 配合公盈选取恰当， 各个工况下 ， 护环与本体 接触 良好 ， 转子齿头始终受到压应力作用， 不承受交变 力的作用 ， 将大大提高齿头的使用寿命。 【 收稿 日期1 2 o o 1 ． 1 1 ． 1 9 [ 作者简介】 李丽阳 1 9 6 3 一 ， 黑龙江哈尔滨人， 毕业于 哈尔滨理工大学 ， 一直从事 汽轮 发电机产品 设计工作 ， 助理工程师。 ■ }