一种采用间隙避雷器的串联保护电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及高速放电电路中晶闸管的过电压限制措施，具体涉及一种采用间隙避雷器的串联保护电路及其控制方法。

背景技术

在一些军工行业以及直流断路器中,往往有许多晶闸管工作在高速放电电路中。晶闸管承受高电压，导通、开断大电流，对整个设备的稳定性起到关键作用，高频电路中对晶闸管的均压更为严格。在实际中发现，晶闸管在开通时会出现不均压现象，关断后和反向恢复过程中会出现极高的过电压，过电压会超过晶闸管极限耐受能力，因此，对高频电路中晶闸管的保护尤为重要。

通常对于过电压的抑制措施是并联避雷器。常规的避雷器MOV的VRES/VREF(VRES：动作残压；VREF：1mA参考电压)通常在1.4-2.5之间，这意味着与MOV并联的固态开关的电压利用率注定低于70％。此外，在实际工程中，MOV的VRES通常设计为低于半导体器件的VMAX作为安全裕度；MOV的VREF需要高于固态开关的Vdc。否则，MOV在长期耐压下会损坏。

而并联间隙避雷器能够改善MOV的非线性特性。间隙在静态下分担电压，在动态下被击穿，可以解耦过电压和连续工作电压,提高电压利用率。静态下，间隙共享一部分直流电压。有过电压时，间隙承受大部分电压直至击穿，全部电压加到了MOV上。当电压超过了MOV的VREF,MOV开始工作，电流转移到MOV支路，MOV限制过电压，吸收系统能量。

图1(a)、(b)展示了常见的含有晶闸管的高速放电电路，在晶闸管导通瞬间、反向恢复时以及关断后会出现过电压，如果没有保护措施，会被击穿。

文献1[黄凯,董志强,任人,张翠花.电磁炮脉冲电源系统中晶闸管开关保护技术研究[C]//.2011中国电工技术学会学术年会论文集.,2011:109-113.]为黄凯,董志强,任人,张翠花于2011年发表的电磁炮脉冲电源系统中晶闸管开关保护技术研究中，提出在电磁炮发射过程中用到的脉冲功率电源中晶闸管开通时存在不均压问题，提出了加入RC吸收回路，可在一定程度上实现动态均压效果。

文献2[王晨,徐建霖.一种混合型直流断路器中晶闸管关断过电压抑制方法研究[J].船电技术,2017,37(10):1-6+40.DOI:10.13632/j.meee.2017.10.001.]为王晨,徐建霖于2017年发表的一种混合型直流断路器中晶闸管关断过电压抑制方法研究中，分析了混合型直流断路器中晶闸管反向恢复过程过电压产生的原因，在晶闸管开通时存在不均压问题，提出了加入RC吸收回路，可在一定程度上实现动态均压效果。但高耐压值、大电容量的电容器体积庞大，不适合安装在吸收回路中。

文献3[张翔宇,余占清,黄瑜珑,陈政宇,屈鲁,曾嵘,杨悦民,肖风良.500kV耦合负压换流型混合式直流断路器原理与研制[J].全球能源互联网,2018,1(04):413-422.]为张翔宇,余占清,黄瑜珑,陈政宇,屈鲁,曾嵘,杨悦民,肖风良于2018年发表的500kV耦合负压换流型混合式直流断路器原理与研制中，介绍了耦合负压断路器中，存在晶闸管反并联二极管的特殊工况，在实际运行中晶闸管关断后也会出现过电压，通常的限制方法是并联避雷器。避雷器能够限制过电压，但会使与MOV并联的固态开关的电压利用率降低。

为了克服电压利用率低、动作慢的缺陷，使晶闸管两端的过电压快速被限制，并提高电压利用率，并联间隙避雷器的方案被提出。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种在晶闸管两端并联间隙避雷器的解决方案。具体技术方案如下：

一种采用间隙避雷器的串联保护电路，包括间隙1、MOV2；电阻3、MOV2的并联电阻4；其特征为：间隙1与电阻3并联，MOV2与电阻4并联；所述间隙1与一个MOV2串联后并联在高速放电电路中需要保护的晶闸管6的阴极和阳极之间。

优选为：所述高速放电电路包括晶闸管6、电容7、电感8、二极管9、晶闸管触发电路10、直流电压源11、开关12；所述直流电压源11与所述开关12串后并联在电容7两端，电容7的正极串联电感8后与晶闸管6的阳极连接，晶闸管的阴极连接直流电压源11的负极，再将二极管9反并联在晶闸管6两端。

本发明还公开采用间隙避雷器的高速放电开关保护电路的控制方法，包括上述的串联保护电路，包括如下步骤：

步骤1：t0-t1，静态时间隙避雷器并联在晶闸管6两端，间隙1和避雷器按照其上并联的电阻4分担电压；

步骤2：t1时，需要保护的晶闸管6两端出现过电压，间隙1和MOV2两端电压迅速升高；

步骤3：t2时，间隙1两端电压达到间隙1的击穿电压，间隙1击穿；

步骤4：t2-t3，间隙1击穿后其两端电压为零，晶闸管6全部电压加在MOV2两端，当达到MOV2的动作残压时，MOV2动作，晶闸管6两端电压下降；

步骤5：t3时，间隙避雷器两端电压降到V

有益效果

本发明提供的技术方案在传统的并联避雷器(指直接并联MOV，没有间隙避雷器)的保护方案上，串入间隙，提出用间隙避雷器保护晶闸管。通过间隙在静态下的分压，从而实现了改善避雷器的非线性，电压利用率大大提高。

附图说明

图1(a)、(b)是两种简化的高速放电电路的电气拓扑图。

图1(c)、(d)是加入间隙避雷器后的电气拓扑图。

图2是在晶闸管两端并联间隙避雷器的电气拓扑图。

图3为高速放电电路结构示意图。

图4为本发明控制方法时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

请参照图2，本发明提供一种采用间隙避雷器的高速放电开关的保护电路，包括：包括一个间隙、一个MOV、一个间隙的并联电阻、一个MOV的并联电阻。间隙的并联电阻并联在间隙两端、MOV的并联电阻并联在MOV两端。将间隙和MOV串联后，并联在高速放电电路的晶闸管两端。需要保护的高速放电电路参照图1(a)(b)，包括：晶闸管、电容、电感、二极管、晶闸管触发电路、直流电压源、开关。直流电压源与所述开关串联后并联在电容两端，电容的正极串联电感，再连接晶闸管的阳极，晶闸管的阴极连接直流电压源的负极，再将二极管反并联在晶闸管两端。

其中，MOV：保护晶闸管,一旦晶闸管两端出现过电压,避雷器起到保护作用,当电压值正常后,避雷器又迅速恢复原状；MOV为传统的避雷器可以限制过电压，与之串联的间隙能够分担原本MOV上的电压，间隙和MOV的并联电阻起到控制MOV和间隙两端分压的作用。间隙：分担电压，改善MOV的非线性特征。并联电阻：控制MOV和间隙两端的分压。

间隙避雷器的参数配置方法：

晶闸管的连续工作电压等于间隙电压和直接并联MOV方案中MOV的连续工作电压V

当采用在晶闸管两端并联间隙避雷器的方案时，虽然可以在静态时让间隙分担一部分直流电压，提高晶闸管的连续工作电压，但由于间隙避雷器在静态状态下不具有与离散MOV相同的电压自平衡能力，因此需要电压平衡电路。

在间隙和MOV上分别并联电阻，间隙和MOV在静态时，电压按照其上并联的电阻分配，并确保间隙上分担的电压在静态时不会使间隙击穿，MOV在静态时分担的电压要低于其1mA参考电压，并留有一定裕度，以保证MOV在长期的电压承受下不会被损坏。

V

V

V

其中V

为进一步说明本发明，现详述其工作过程原理：

一种采用间隙避雷器的高速放电开关的保护电路的控制方法，其特征为：包括如下步骤：

参见如图4所示，其中图中参数定义如下：

Vall：MOV和间隙的总电压

Vgap：间隙电压

V

Vmax:间隙避雷器承受的最大电压

步骤1：t0-t1，静态时间隙避雷器并联在晶闸管两端，间隙和避雷器按照其上并联的电阻分担电压。

步骤2：t1时，需要保护的晶闸管两端出现过电压，间隙和MOV两端电压迅速升高。

步骤3：t2时，间隙两端电压达到间隙的击穿电压，间隙击穿。

步骤4：t2-t3，间隙击穿后其两端电压为零，全部电压加在MOV两端，MOV动作使其电压下降。

步骤5；t3时，间隙避雷器两端电压降到V

本发明的优点在于间隙能在静态时，分担一部分电压，使晶闸管在静态时能够承受更高的电压，当出现过电压时，首先击穿间隙，之后电压全部加在避雷器上。间隙避雷器更加非线性化，在保证了与原有并联MOV的方案相同的限制过电压的效果下，提高了静态时能够承受的电压，从而提高了电压利用率，更适用于振荡频率高的电路中。

本发明针对高速放电晶闸管开关的过电压现象，提出在晶闸管两端并联间隙避雷器的解决方案。将常规的在晶闸管两端并联MOV的保护方案改为在晶闸管两端并联间隙避雷器，间隙的串入，在静态时分担了一部分电压，可以改善MOV的非线性，并且提高电压利用率。其优势在于间隙在静态时可以承担一部分电压，从而提高了静态的电压，当出现过电压时，间隙先击穿，之后电压加在避雷器上，避雷器放电。使电压利用率大大提高。相对于传统方案，该方案能够确保快速动作的同时，使被保护的晶闸管在静态时能够承受更高的电压，间隙避雷器更加非线性化，提高了电压利用率，更适用于振荡频率高的电路中。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。