Особенности защиты полупроводниковых вентилей.
Большинство преобразовательных установок, широко применяемых в различных отраслях народного хозяйства, выполняется на силовых кремниевых вентилях. Обеспечение высокой надежности, бесперебойной и долговременной работы выдвигает повышенные требования к их защите.
Во время эксплуатации преобразователей возникают как технологические перегрузки, так и аварийные режимы, которые сопровождаются прохождением через вентили токов, недопустимых по значению и длительности. Кремниевые силовые диоды и тиристоры ввиду малого объема, небольшой теплоемкости вентильного элемента и высокой плотности тока p-n-перехода обладают повышенной чувствительностью к токовым перегрузкам. Если постоянная времени нагрева обмоток трансформаторов или электродвигателей равна десяткам минут, то для кремниевого диска силового вентиля она составляет сотые доли секунды. Следовательно, защита преобразователя должна быть быстродействующей, т.е. быстро отключить электроустановку или ее часть и предотвратить повреждение вентилей.
Полупроводниковые вентили чувствительны также к перенапряжениям, возникающим в преобразователях. Причины этих перенапряжений могут быть различными. Периодические коммутационные перенапряжения возникают при закрывании вентиля из-за большой скорости спада (обрыва) обратного тока. Перенапряжения возникают при включении и отключении ненагруженного трансформатора, резких изменениях выпрямленного тока в индуктивностях. Обратные напряжения, превышающие допустимые значения, воздействующие на вентиль в течение 12 мкс, могут привести к электрическому пробою p-n-перехода. Система защиты преобразователя должна обеспечить ограничение всех видов перенапряжений до допустимого уровня.
Защита силовых вентилей от токовых перегрузок. Основными причинами, обусловливающими выход из строя силовых вентилей в электроустановке, являются КЗ, длительные токовые перегрузки, опрокидывание инвертора и электрические пробои вентилей. При протекании опасных для полупроводниковых вентилей токов перегрузки или КЗ должна вступать в действие токовая защита.
Для правильного выбора устройств защиты силовых полупроводниковых приборов в информационных материалах для каждого типа прибора приводятся следующие зависимости:
1) максимально допустимый ток рабочей перегрузки /р<Пер в интервале времени от 10 мс до 5 мин при токе предварительной нагрузки, равном 0, 20,40,60 и 100% предельного тока с последующим приложением напряжения, равного 80% UnoB; число таких повторяющихся перегрузок, обусловленных характером работы потребителя, за весь срок службы вентиля не ограничивается, но температура полупроводниковой структуры не должна превышать максимально допустимого значения;
максимально допустимая амплитуда тока аварийной перегрузки /ав,пер в интервале времени от 10 до 200 мс с последующим приложением обратного напряжения, равного 80% U„OB; при таких перегрузках предполагается превышение максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры, но воздействие тока Аш.пер возможно ограниченное число раз за время срока службы прибора;
максимально допустимые значения амплитуды ударного ток а. А, длительностью 1—10 мс. и защитный показатель (тепловой эквивалент) вентиля WB = /|iflfB, характеризующий допустимую аварийную перегрузку при длительности импульса 10 мс. А2-с, без последующего приложения напряжения.
Рис. 46. Перегрузочные характеристики тиристора типа Т9-200: а - допустимая амплитуда тока рабочей и 6 — аварийной перегрузки от длительности
Основными показателями предохранителя, характеризующими его защитные свойства, являются номинальное напряжение 1/п ном, номинальный ток /п,ном плавкой вставки, тепловые эквиваленты плавления /pfnjl и отключения /п?откл-
Рис. 47. Защита полупроводникового преобразователя от коротких замыканий и перегрузок по току:
а - быстродействующими предохранителями; б - автоматическими выключателями
На рис. 47,а приведена принципиальная схема трехфазного выпрямителя с параллельным включением силовых диодов в плечах моста, защищаемого плавкими предохранителями, которые могут быть установлены: последовательно с каждым вентилем FU1 для защиты от внутренних повреждений; в фазных (подводящих) проводах FU2 для обеспечения отключения при внешних повреждениях; на выходе постоянного тока FU3. В первом случае через предохранитель протекает ток вентиля /в,д ~ 1.73/в,ср- При такой схеме включения БП необходимо учитывать, что при перегорании одного из предохранителей может появиться перенапряжение на остальных вентилях, включенных параллельно поврежденному. Во втором случае плавкие вставки предохранителей должны быть рассчитаны на вторичный ток, действующее значение которого для мостовых схем выпрямления равно у/2!в д (см. табл. 1). Это несколько ограничивает защитное действие предохранителей. Однако преимущество такого включения в том. что напряжение дуги, возникающей при перегорании предохранителя, не создает опасных перенапряжений в вентилях схемы.
Номинальное напряжение применяемого предохранителя должно быть не меньше номинального напряжения выпрямительной установки, в которой он будет эксплуатироваться. В противном случае не будет обеспечено нормальное гашение дуги, что может привести к разрушению корпуса предохранителя и перебросу дуги на токоведущие части. Время срабатывания БП составляет 10^15 мс.
При установке предохранителя последовательно с вентилем или на вторичной стороне трансформатора (FU1 и FU2 на рис. 47,э) необходимо,чтобы значение /^Г0ткл предохранителя было не больше допустимого значения теплового эквивалента Iв д'в защищаемого вентиля.
В тиристорных преобразователях, имеющих в одном плече несколько параллельных ветвей, предохранители выбираются из условия
(79)
где пв — число параллельно включенных в плече тиристоров; к — коэффициент неравномерности загрузки тиристоров (обычно принимают к = 1.05-М .2); /*_ДГВ - допустимый тепловой эквивалент тиристоров; /^откл - тепловой эквивалент отключения предохранителей. Значения flfB силовых вентилей и 'п'откл быстродействующих предохранителей приводятся в информационных материалах заводов-изготовителей и в технических данных на указанные приборы.
Длительное время серийно выпускались два типа быстродействующих плавких предохранителей, предназначенных для защиты от токов КЗ преобразователей с силовыми полупроводниковыми вентилями:
предохранители типа ПНБ-5 для работы в цепях с номинальным напряжением до 660 В постоянного и переменного тока на номинальные токи 40, 63, 100, 160, 250, 315, 400, 500 и 630 А; предохранители серии ПБВ для работы в цепях переменного тока частотой 50 Гц и номинальным напряжениям ЗВО В на номинальные токи от 63 до 630 А.
В настоящее время освоен выпуск предохранителей новой серии ПП57, предназначенных для защиты преобразовательных агрегатов с силовыми кремниевыми вентилями при внутренних КЗ в цепях переменного и постоянного тока при напряжениях 380-1000 В на токи 100, 250,400,630 и 800 А.
Все указанные предохранители имеют различные сигнальные устройства (например, визуальный указатель срабатывания или вспомогательный контакт), которые позволяют быстро обнаружить сгоревший предохранитель, что упрощает эксплуатацию вентильных преобразователей.
Предохранители, выбранные из условия Wn < WB, обеспечивают защиту полупроводниковых вентилей лишь от токов КЗ и не защищают их от перегрузок по току. Защита силовых вентилей и преобразователей от токовых перегрузок осуществляется автоматическими выключателями, кото- рые имеют главные контакты, снабженные механизмом расцепления, и реле защиты прямого действия, или так называемые расцепители.
Автоматические выключатели выпускаются с электромагнитными, тепловыми или комбинированными расцепителями. Электромагнитный расцепитель предназначен для защиты от КЗ, тепловой - предусматривается для защиты от длительных перегрузок током, превышающим номинальный на 20—30 %.
Автоматический выключатель позволяет производить ограниченное число включений и выключений преобразователя при нормальных режимах работы. При срабатывании электромагнитного расцепителя и размыкании главных контактов выключатель можно включить повторно без паузы, после срабатывания теплового расцепителя выключатель будет готов к включению после остывания теплового элемента через 1—1,5 мин. В этом состоит преимущество автоматических выключателей перед предохранителями, однако быстродействие последних выше.
В преобразователях с силовыми вентилями автоматические выключатели применяются для защиты от внешних КЗ, опрокидываний инвертора и перегрузок потоку. Выключатели устанавливают со стороны переменного и постоянного тока преобразователя.
Автоматические выключатели переменного тока QF1 устанавливаются в преобразователях, питающихся от сети 380 В, на первичной стороне трансформатора или до токоограничивающих реакторов в бестрансформаторных схемах (рис. 47). При питании преобразователя от сети 6 или 10 кВ защита трансформатора осуществляется масляным выключателем высокого напряжения QFM, не входящим в состав агрегата и получающим сигнал на отключение от трансформаторов тока или от максимальных реле, установленных в КРУ 6—10 кВ. В этом случае выключатель QF2 устанавливается на вторичной стороне трансформатора и защищает преобразователь от внешних КЗ.
Автоматические выключатели постоянного тока QF3 включаются на выходе преобразователя и в отходящих линиях нагрузки. Срабатывание такого выключателя обеспечивает отключение нагрузки при недопустимых перегрузках и опрокидываниях инвертора, но не защищает преобразователь от аварийных режимов, возникающих при пробое вентилей, и от КЗ токоведущих частей внутри выпрямителя. Для защиты вентилей от недопустимых токов в таких случаях используется быстродействующее устройство защиты по управляющему электроду АК с датчиками UA на основе магнитоуправляемых контактов (герконов), сдвигающее управляющие импульсы в сторону увеличения углов пв или аи при внешних и внутренних КЗ, появлении аварийных токов в уравнительном контуре и др. (рис. 47,6).
Место включения автоматического выключателя выбирается с учетом схемы питания и соединения вентилей преобразователя, мощности потребителя, а также характеристик и технических данных автоматических выключателей, которые характеризуют ся номинальными током и напряжением выключателя, номинальным током и током срабатывания расцепителя, полным временем срабатывания.
В настоящее время электропромышленность освоила выпуск автоматических выключателей серии А3700, предназначенных для защиты электрических установок от перегрузок и КЗ в цепях постоянного тока напряжением до 440 В и переменного тока до 660 В, на номинальный ток от 40 до 630 А. Эти выключатели могут быть использованы для защиты полупроводниковых преобразователей, время отключения их составляет 12- 15 мс.
Для уменьшения мощности защитных аппаратов ограничивают ток КЗ в первый полупериод после возникновения аварии. С этой целью в преобразователях применяют трансформаторы с большим индуктивным сопротивлением обмоток (обычно ик = = 8-10%). Если значение ик трансформатора недостаточно для ограничения тока КЗ, то в фазы преобразователя дополнительно включают токоограничивающие анодные реакторы.
Защита силовых вентилей от перенапряжений.
Импульсы обратного напряжения, превышающие периодически прикладываемые допустимые обратные напряжения, могут разрушить вентиль, поэтому необходимо принимать специальные меры для защиты силовых вентилей от перенапряжений. Причинами перенапряжений могут быть отключение или включение силового трансформатора на холостом ходу, отключение в цепи постоянного тока, перегорание плавких вставок, а также перенапряжения, вызываемые коммутацией тока с одного вентиля на другой.
Коммутационные перенапряжения обусловлены тем, что при закрытии полупроводникового вентиля прямой анодный ток резко спадает до нуля, и когда напряжение становится обратным, накопившиеся в р-/>переходе положительные носители тока (дырки) создают обратный ток, который ограничивается только сопротивлением трансформатора. С окончанием рекомбинации дырок обратный ток "обрывается", что вызывает в кривой обратного напряжения появление начального скачка, превышающего расчетное значение Uo6pmax, что может привести к пробою вентиля.
Рис. 48. Защиты вентилей преобразователя от внешних перенапряжений: а — неуправляемого; б — полностью управляемого
Для защиты от внутренних перенапряжений, возникающих в момент закрывания вентилей, применяют демпфирующие RС-цепочки из последовательно соединенных конденсатора Ск и резистора Як, включаемых параллельно вентилям. В момент закрытия диода или тиристора обратный ток коммутируется из цепи вентиля в RС-цепочку. Заряд емкости при этом носит колебательный характер, что способствует более быстрому рассеиванию основных носителей зарядов р-/?-переходов, поэтому ускоряется процесс запирания вентилей, что приводит к уменьшению коммутационных перенапряжений и способствует выравниванию времени закрывания тиристоров, а этот фактор играет существенную роль в реверсивных ТП, работающих на якорь двигатели постоянного тока, так как устраняется перегрузка тиристоров с большим значением.
Особое внимание следует обращать на перенапряжения, вызванные включениями и отключениями первичной обмотки ненагруженного трансформатора преобразователя. Возникновение таких перенапряжений, называемых внешними, связано с наличием в цепях трансформатора индуктивностей (намагничивания L0 и рассеяния Ls) и емкостей между секциями обмоток.
