專利名稱：可控金屬氧化物避雷器晶閘管開關(guān)的測量控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬氧化物避雷器技術(shù)，尤其涉及一種可控金屬氧化物 避雷器晶閘管開關(guān)的測量控制裝置。
背景技術(shù)：
晶閘管(SCR)從本世紀50年代末誕生至今，器件的性能和容量 得到了飛速發(fā)展。目前，商用器件的最高不重復(fù)峰值電壓已達到 8500V，最大通態(tài)平均電流已達到5200A。然而，與裝置所需的容量相 比，單只器件的容量還遠遠滿足不了要求。因此，在實際的高電壓、大 容量電力電子裝置中，晶閘管通常多只串、并聯(lián)使用，組成晶閘管開 關(guān)。為了保證晶閘管開關(guān)能夠在設(shè)定閾值處準確導(dǎo)通，需要有一套完善 的電氣測量與觸發(fā)控制系統(tǒng)。
晶閘管開關(guān)測量系統(tǒng)的主要功能是實時監(jiān)測晶閘管開關(guān)的狀態(tài)，并 把狀態(tài)信號送回到控制系統(tǒng)進行綜合處理?？刂葡到y(tǒng)將接收到的狀態(tài)信 號和設(shè)定觸發(fā)條件進行比較，當條件滿足時，向觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)觸發(fā)命令。 觸發(fā)系統(tǒng)隨即給晶閘管開關(guān)門極提供 一 個適當?shù)挠|發(fā)電流，使串聯(lián)晶閘 管開關(guān)可靠導(dǎo)通。
目前，晶閘管開關(guān)通常采用如圖1所示的光電觸發(fā)與在線監(jiān)測系 統(tǒng)。該系統(tǒng)包括與晶閘管開關(guān)連接的晶閘管電子板ll、晶閘管開關(guān)觸發(fā) 系統(tǒng)12和晶閘管開關(guān)控制系統(tǒng)13。晶閘管電子板ll與晶閘管開關(guān)觸發(fā) 系統(tǒng)12聯(lián)系，閘管開關(guān)觸發(fā)系統(tǒng)12和晶閘管開關(guān)控制系統(tǒng)13連接。 該光電觸發(fā)與在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是晶閘管開關(guān)觸發(fā)系統(tǒng)12接 收從晶閘管控制系統(tǒng)13送來的晶閘管開關(guān)觸發(fā)命令和同步信號，產(chǎn)生 晶閘管電子板11工作所需的脈沖編碼，并把該脈沖編碼信號經(jīng)電光轉(zhuǎn) 換后由光纖送到處于高電位的晶閘管電子板11。在晶閘管電子板11上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器復(fù)原脈沖編碼信號后，由晶閘管電子板11的解碼電 路進行解碼，從而實現(xiàn)對晶閘管開關(guān)的觸發(fā)和晶閘管電子板工作階段的 控制。同時，晶閘管開關(guān)的狀態(tài)信息、后備觸發(fā)回路的動作信息等經(jīng)晶 閘管電子板11上的電路處理后，由電光轉(zhuǎn)換回路轉(zhuǎn)換為光信號，再由
光纖送到晶閘管開關(guān)觸發(fā)系統(tǒng)12中，晶閘管開關(guān)觸發(fā)系統(tǒng)12根據(jù)接收 到的晶閘管開關(guān)狀態(tài)信息和其它信息，判斷晶閘管開關(guān)是否損壞、后備 觸發(fā)回路是否動作、dv/dt是否越限和光電傳輸系統(tǒng)是否完好，并把判 斷結(jié)果送到裝置的晶閘管開關(guān)控制系統(tǒng)13，同時，才艮據(jù)判斷結(jié)果，決定 是否向裝置的控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出緊急故障信號。
但是，現(xiàn)有技術(shù)的光電觸發(fā)與在線監(jiān)測系統(tǒng)并不能完全滿足可控避 雷器晶閘管開關(guān)的要求，原因包括(1)光電觸發(fā)與在線監(jiān)測系統(tǒng)要求 必須在每個晶閘管開關(guān)所對應(yīng)的高電位上建立晶閘管開關(guān)電子板工作所 需要的輔助電源，可控避雷器的晶閘管開關(guān)被封閉安裝在避雷器磁套 內(nèi)，無論采用高壓側(cè)取能和低壓側(cè)送能的方式獲取輔助電源都存在一定 困難；(2)雖然光電器件的響應(yīng)速度較高，但實際從晶閘管開關(guān)滿足觸 發(fā)條件，到實際觸發(fā)導(dǎo)通，需經(jīng)過晶閘管開關(guān)電子板進行電光轉(zhuǎn)換、光 纖傳輸、光電轉(zhuǎn)換、控制系統(tǒng)判斷并發(fā)觸發(fā)命令、信號傳輸、晶閘管開 關(guān)電子板發(fā)觸發(fā)信號觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管開關(guān)等一系列的環(huán)節(jié)，大約需要幾 十到上百ps的響應(yīng)時間，而可控避雷器晶閘管開關(guān)對響應(yīng)時間的要求 須為幾HS，時間越長，可控避雷器對系統(tǒng)操作過電壓的限制效果越差。 因此，需要新的測量控制系統(tǒng)，以滿足可控避雷器晶閘管開關(guān)的特殊要 求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中晶閘管開關(guān)的測量控制系統(tǒng)的輔助電源和響應(yīng) 時間問題，本發(fā)明提供一種晶閘管開關(guān)的測量控制裝置。
本發(fā)明提供的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置，包括擊穿二極管和第一 二極管，其中擊穿二極管的陰極耦合到晶閘管開關(guān)中晶閘管的門極，擊 穿二極管的陽極耦合到第一二極管的陰極；第一二極管的陰極耦合到擊穿二極管的陽極，第一二極管的陽極耦合到晶閘管的陽極A，用于限制 擊穿二極管的反向電壓。
才艮據(jù)本發(fā)明的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置的 一個實施例，還包括串 聯(lián)在擊穿二極管的陽極和晶閘管的陽極之間的第 一 電阻，用于限制測量 控制裝置中回路的電流脈沖的幅值。
才艮據(jù)本發(fā)明的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置的 一個實施例，還包括低 通濾波支路和保護二極管，低通濾波支路串聯(lián)在擊穿二極管的陰極和晶 閘管的陰極之間，保護二極管的陽極和陰極分別耦合到擊穿二極管的陰 極和晶閘管的門極，用于阻斷正向dv/dt時所述擊穿二極管結(jié)電容產(chǎn)生 的位移電流。其中，低通濾波支路包括并聯(lián)的第二電阻和電容。進一 步，第二電阻取值在100 1000Q之間，電^Mt22 47nF之間。
根據(jù)本發(fā)明的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置的 一個實施例，還包括金 屬氧化物電阻片MOR。 MOR —端耦合到晶閘管的陽極，另一端耦合 到晶閘管的陰極。MOR在最大電流下的殘壓須小于晶閘管的額定電 壓，以防止晶閘管在過電壓下發(fā)生硬開通或損壞。另外，MOR還可以 起到均衡晶閘管開關(guān)中各串聯(lián)晶閘管電壓的作用。
本發(fā)明提供的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置，主要通過擊穿二極管實 現(xiàn)測量、控制和觸發(fā)，將測量、控制和觸發(fā)三種功能集于一體，省略了 很多信號轉(zhuǎn)換和傳輸環(huán)節(jié)，大大縮短了晶閘管開關(guān)導(dǎo)通響應(yīng)時間。另 外，該測量控制裝置直接從晶閘管陽極和陰極之間取能，不需要外加輔 助電源。


圖l是現(xiàn)有技術(shù)的光電觸發(fā)與在線監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖； 圖2是本發(fā)明的可控避雷器中晶閘管開關(guān)測量控制和觸發(fā)系統(tǒng)的應(yīng) 用例的示意圖3是本發(fā)明的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置的一個實施例的電路
圖4是本發(fā)明的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置的另一個實施例的電路圖。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發(fā)明進行更全面的描述，其中說明本發(fā)明的示例 性實施例。在附圖中，相同的標號表示相同或者相似的組件或者元素。
考慮到可控避雷器晶閘管開關(guān)工作條件的特殊性，在觸發(fā)信號取能 回路和響應(yīng)時間兩個主要限制措施的制約下，本發(fā)明提供了 一種晶閘管
開關(guān)的測量控制和觸發(fā)裝置。圖2是本發(fā)明的可控避雷器中晶閘管開關(guān) 測量控制和觸發(fā)裝置的一個應(yīng)用例的示意圖。如圖2所示。和常規(guī)晶閘 管開關(guān)僅要求單向開通不同，由于可控避雷器主要用來限制工頻和操作 過電壓，該兩種類型的過電壓波形均為雙向交流性過電壓，要達到理想 的限壓效果，要求可控避雷器的晶閘管開關(guān)在正反兩個方向波形的過電 壓下均可開通，需采用反并聯(lián)晶閘管對的結(jié)構(gòu)形式?？紤]到可控避雷器 晶閘管開關(guān)額定電壓比單只晶閘管額定電壓高得多，所以需采用多對反 并聯(lián)晶閘管對串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式亦適用于需要單向晶閘管 串聯(lián)的工作場合。圖2中的L為限流電抗器，主要用來限制晶閘管開關(guān) 開通時通過晶閘管開關(guān)的電流i和臨界電流上升率di/dt。
在圖2中晶閘管開關(guān)的觸發(fā)導(dǎo)通主要由與之相連的晶閘管開關(guān)測量 控制和觸發(fā)裝置，即本發(fā)明的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置的示例。
圖3是本發(fā)明的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置的一個實施例的電路 圖。如圖3所示，該測量控制裝置包括擊穿二極管BOD, BOD的陰極 C耦合到晶閘管SCR的門極G， BOD的陽極A耦合到SCR的陽極 A。此外，還包括第一二極管Dl， Dl的陽極耦合到SCR的陽極A， Dl的陰極耦合到BOD的陽極A，用于限制所述擊穿二極管的反向電 壓?？蓛?yōu)選地還包括金屬氧化物電阻片MOR。 MOR —端耦合到SCR 的陽極，另一端耦合到SCR的陰極，以限制SCR兩端的電壓和均衡各 串聯(lián)SCR電壓的作用。MOR在最大電流下的殘壓小于晶閘管的額定電 壓，以防止晶閘管在過電壓下發(fā)生硬開通或損壞，另外，MOR還可以 起到均衡晶閘管開關(guān)中各串聯(lián)晶閘管電壓的作用。該測量控制裝置的工作原理是利用測量控制裝置中的核心元件一擊穿二極管(BOD)構(gòu)成 電壓傳感器，實時監(jiān)測晶閘管SCR兩端的電壓，并間接監(jiān)測系統(tǒng)電 壓。當系統(tǒng)電壓超過所設(shè)定的動作閾值VSo (以避雷器受控元件MOA1 和固定元件MOA2額定電壓比為1:3為例，該閾值可設(shè)定為1.3p.u.) 時，SCR和BOD電壓均會同時超過所設(shè)定的動作閾值，BOD首先擊 穿導(dǎo)通，將有電流流過BOD觸發(fā)回路，BOD電流流向低阻抗的SCR 門極G，給門極提供一個上升前沿陵度極高的觸發(fā)電流脈沖信號，而此 時SCR的陽極還有較高的電壓，在此條件下SCR觸發(fā)導(dǎo)通，大電流從 SCR通過，整個晶閘管開關(guān)導(dǎo)通。當SCR所通過的電流小于其維持電 流時，SCR斷開，進而整個晶閘管開關(guān)斷開。
BOD是晶閘管開關(guān)的測量控制裝置的基礎(chǔ)和核心元件，因其動作 響應(yīng)時間在納秒級，對于系統(tǒng)中的操作波和雷電波，均能及時響應(yīng)，滿 足可控避雷器晶閘管開關(guān)對于響應(yīng)時間的要求。同時，BOD器件的動 作電壓分散性小(一般廠家給出的動作誤差在2%以內(nèi)，實際動作誤差 遠小于該值)，每次門極觸發(fā)信號特性基本維持不變，這確保了晶閘管 開關(guān)能夠按照設(shè)定的邏輯及時準確動作。BOD觸發(fā)回路提供的觸發(fā)電 流信號前沿陵度高，幅值可按晶閘管門極觸發(fā)特性整定，能夠保證晶閘 管可靠觸通。BOD觸發(fā)方式直接由晶閘管陽極抽取一部分電能注入到 晶閘管的門極使其導(dǎo)通，無需再設(shè)置復(fù)雜的取能回路，大大簡化了晶閘 管開關(guān)的結(jié)構(gòu)。BOD器件以被觸發(fā)晶閘管斷態(tài)端電壓為動作依據(jù)，在 晶閘管開關(guān)中，晶閘管端電壓由并聯(lián)限壓電阻片MOR殘壓決定，可選 擇BOD動作電壓在電阻片拐點之上，這樣各串聯(lián)電阻片間的分壓為阻 性分壓，雜散電容影響可以忽略，從而保證BOD觸發(fā)時刻的同期性， 滿足串聯(lián)晶閘管開關(guān)對觸發(fā)信號一致性的要求。
在進行參數(shù)選擇時，BOD首先應(yīng)滿足的條件是在最大環(huán)境溫度 Ta下的轉(zhuǎn)折電壓VBOD應(yīng)等于或低于晶閘管的額定電壓VDRM ，即
^郎(^)^^服 (5誦1)
這也是晶閘管開關(guān)過電壓保護裝置中BOD參數(shù)選擇所遵循的基本 原則，但本發(fā)明中的BOD并非用來限制晶閘管的過電壓，而是作為一種電壓傳感器，用來測量晶閘管兩端的電壓，并在設(shè)定閾值處準確觸發(fā)
開通晶閘管的。正常工作溫度To下BOD的轉(zhuǎn)折電壓須根據(jù)可控避雷器 的控制策略、可控避雷器和晶閘管開關(guān)的觸發(fā)閾值、晶閘管的串聯(lián)個數(shù) 等參數(shù)來確定，設(shè)可控避雷器的動作閾值為Vs。，可控比為K，晶閘管 的串聯(lián)個數(shù)為N，則VBOD的值由式(5-2)算得。應(yīng)用于可控避雷器晶 閘管開關(guān)測量控制和觸發(fā)電路中的BOD同時滿足式(5-l)和(5-2)兩個 限制條件。
在大多數(shù)應(yīng)用情況下，BOD提供的脈沖電流十分短暫，由絕熱引 起的溫升Tj可近似表示為
式中，Ep—脈沖能量；V廠硅片有效體積；Cs—硅片比熱；ps—珪片比 重。
圖4是本發(fā)明的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置的另一個實施例的電路 圖。和圖3相比，圖4中的測量控制裝置還包括第一電阻Rl，低通濾 波支路R2、 C2和保護二極管D2，和穩(wěn)壓管Dz。第一電阻Rl串聯(lián)在 BOD的陽極和SCR的陽極之間的，用于限制測量控制裝置中回路的電 流脈沖的幅值。該測量控制裝置的工作原理為利用測量控制和觸發(fā)電 子板中的核心元件一擊穿二極管(BOD)構(gòu)成電壓傳感器，實時監(jiān)測 SCR兩端的電壓，并間接監(jiān)測系統(tǒng)電壓。當系統(tǒng)電壓超過所設(shè)定的動作 閾值Vs。(以避雷器受控元件MOA1和固定元件MOA2額定電壓比為 1:3為例，該閾值可i殳定為1.3p.u.)時，SCR和BOD電壓均會同時超 過所設(shè)定的動作閾值，BOD首先擊穿導(dǎo)通，將有電流流過BOD觸發(fā)回 路，通過對R2、 C2構(gòu)成低頻濾波抗干擾電路快速充電至穩(wěn)壓管Dz的 穩(wěn)定電壓值時，Dz導(dǎo)通，BOD電流轉(zhuǎn)而流向低阻抗的SCR門極，給 門極提供一個上升前沿陡度極高的觸發(fā)電流脈沖信號，而此時SCR的 陽極還有較高的電壓，在此條件下SCR觸發(fā)導(dǎo)通，大電流從SCR通 過，整個晶閘管開關(guān)導(dǎo)通。當SCR所通過的電流小于其維持電流時，
(5誦2)SCR斷開，進而整個晶閘管開關(guān)斷開。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，也可以通過其它的方式實現(xiàn)低通濾波 器支路。
BOD器件為正、反向非對稱結(jié)構(gòu)，反向耐壓一般低于IOV，應(yīng)用 時為防止承受反向過電壓損壞須串聯(lián)二極管Dl，通常高轉(zhuǎn)折電壓的 BOD已經(jīng)將二極管Dl封裝在同一模塊內(nèi)。
回路中Rl用于限制電流脈沖的幅值，BOD擊穿導(dǎo)通前，SCR充 電至VBOD， BOD擊穿導(dǎo)通電流峰值lTM可表示為
低通濾波支路R2、 C2和保護二極管D2用于阻斷正向dv/dt時 BOD結(jié)電容產(chǎn)生的位移電流，防止寄生觸發(fā)。R2和C2可根據(jù)BOD 元件的結(jié)電容和di/dt耐受能力來進行選擇，推薦值一般分別為100 ~ 1000Q、 22~47nF。 D2可根據(jù)VBOD (Tj)和ITM大小進行選擇。穩(wěn)壓 管Dz用于防止低電壓干擾信號使晶閘管開關(guān)誤觸通。
需要指出，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，在應(yīng)用中，晶閘管開 關(guān)的測量控制裝置可以根據(jù)需要包括第一電阻Rl、穩(wěn)壓管Dz以及低通 濾波支路R2、 C2和保護二極管D2中的一個或者多個。
本發(fā)明提供的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置，其所需的電源完全由晶 閘管開關(guān)自身提供，不需要另外加輔助電源。晶閘管開關(guān)的測量控制裝 置將測量、控制和觸發(fā)三種功能集于一體，省略了很多信號轉(zhuǎn)換和傳輸 環(huán)節(jié)，大大縮短了晶閘管開關(guān)導(dǎo)通響應(yīng)時間。經(jīng)試驗測定，從系統(tǒng)電壓 到達其動作閾值，到晶閘管開關(guān)完全導(dǎo)通一般僅需要l 2fis，完全滿足 可控避雷器對晶閘管開關(guān)的要求。而由于在晶閘管開關(guān)的測量控制裝置 中采用了低頻濾波支路、以及防止誤觸發(fā)的穩(wěn)壓管和二極管，電子板抗 干擾能力強，誤觸發(fā)率較低，可靠性高。
本發(fā)明的描述是為了示例和描述起見而給出的，而并不是無遺漏的 或者將本發(fā)明限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員而言是顯然的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，并且使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明從而設(shè)計適 于特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
權(quán)利要求
1.一種晶閘管開關(guān)的測量控制裝置，其特征在于，包括擊穿二極管和第一二極管，所述擊穿二極管的陰極耦合到所述晶閘管開關(guān)中晶閘管的門極，所述擊穿二極管的陽極耦合到所述第一二極管的陰極；所述第一二極管的陰極耦合到所述擊穿二極管的陽極，所述第一二極管的陽極耦合到所述晶閘管的陽極，用于限制所述擊穿二極管的反向電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置，其特征在 于，還包括金屬氧化物電阻片，所述金屬氧化物電阻片一端耦合到所述 晶閘管開關(guān)中晶閘管的陽極，另 一端耦合到所述晶閘管開關(guān)中晶閘管的 陰極。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置，其特征在 于，還包括串聯(lián)在所述第一二極管的陽極和所述晶閘管的陽極之間的第 一電阻，用于限制所述測量控制裝置中回路的電流脈沖的幅值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置，其特征在 于，還包括低通濾波支路和保護二極管，所述低通濾波支路串聯(lián)在所述 擊穿二極管的陰極和所述晶閘管開關(guān)中晶閘管的陰極之間，所述保護二 極管的陽極和陰極分別耦合到所述擊穿二極管的陰極和所述晶閘管開關(guān) 中晶閘管的門極，用于阻斷正向dv/dt時所述擊穿二極管結(jié)電容產(chǎn)生的 位移電流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置，其特征在 于，所述低通濾波支路包括并聯(lián)的第二電阻和電容，所述第二電阻取值 在100 ~ 100011之間，所述電^l值22 ~ 47nF之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置，其特征在 于，還包括穩(wěn)壓管，所述穩(wěn)壓管的陰極和陽極分別耦合到所述擊穿二極 管的陰極和所述晶閘管開關(guān)中晶閘管的門極，用于防止低電壓干擾信號 使所述晶閘管誤觸通。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的晶閘管開關(guān)的測量控制 裝置，其特征在于，所述擊穿二極管滿足在最大環(huán)境溫度Ta下，所述擊穿二極管的轉(zhuǎn)折電壓v,等于或小于晶閘管的額定電壓v隨。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶閘管開關(guān)的測量控制裝置，其特征在 于，所述擊穿二極管滿足f 71 、 一 ^s10 x《/ k sot 、J o 乂 一其中，^。(。表示溫度To下所述擊穿二極管的轉(zhuǎn)折電壓，V別表示 所述晶閘管開關(guān)所在的可控避雷器的動作閣值，K表示可控比，N表示 所述晶閘管開關(guān)中串聯(lián)的晶閘管個數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種晶閘管開關(guān)的測量控制裝置，包括擊穿二極管和第一二極管，擊穿二極管的陰極耦合到晶閘管門極，擊穿二極管陽極耦合到第一二極管的陰極；第一二極管的陰極耦合到擊穿二極管的陽極，第一二極管的陽極耦合到晶閘管的陽極。通過測量控制裝置中核心元件擊穿二極管構(gòu)成電壓傳感器，實時監(jiān)測晶閘管兩端的電壓，監(jiān)測晶閘管開關(guān)兩端電壓，進而間接監(jiān)測系統(tǒng)電壓。當系統(tǒng)電壓超過所設(shè)定的動作閾值時，晶閘管和擊穿二極管電壓同時超過所設(shè)定的動作閾值，擊穿二極管首先擊穿導(dǎo)通，給晶閘管門極提供一個上升前沿陡度極高的觸發(fā)電流脈沖信號，此時晶閘管的陽極還有較高電壓，在此條件下晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，大電流從晶閘管通過，整個晶閘管開關(guān)導(dǎo)通。
文檔編號G01R31/26GK101603999SQ20091008585
公開日2009年12月16日 申請日期2009年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月3日
發(fā)明者李國富, 沈海濱, 陳秀娟, 陳維江 申請人:中國電力科學研究院