一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法与流程

本发明涉及电力机车变流器抗浪涌技术，具体为一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法。

背景技术：

1、随着电力电子技术的高速发展，以及高压大功率半导体器件在变流器上大量应用，由功率半导体器件组成的功率单元作为整个电力机车牵引变流器的核心部件，在运行过程中极易受到来自雷击浪涌的冲击，造成变流器内部的损坏。但是，由于现代电子技术的高速发展，其带来的负效应之一便是功率半导体器件组成的功率单元、甚至是变流器的抗浪涌能力的降低。电力机车牵引变流器工作在高电压和大电流的工况下，加之极易受到雷击等等外部环境因素的影响，主工作回路的功率半导体器件以及复杂的控制系统均有可能受到浪涌的冲击。因此，还需采取系统的、综合的防护措施，确保雷击浪涌出现后变流器是否能够正常、可靠运行。现有技术主要采用单级气体放电管或压敏电阻作为浪涌保护器，如采用单级气体管，当两极的外加电压增大至使得极间场强超过内部气体绝缘强度，放电间隙导通，迅速泄放电流，使得两极间的电压维持在较低的残压值；如采用压敏电阻，其伏安特性连续，在外加电压超过阈值电压时，其伏安特性则变为高非线性，从而有利于恢复正常的运行工况。但是现有技术存在如下问题：1、由于气体放电管的气隙击穿速度取决于电子崩过程的发展进度，故而在暂态电压的作用下，气体放电会延时放电，其实际击穿电压具有很大的分散性；

2、2、气体放电管的动作浪涌能量释放较快，残压水平降低，不利于恢复至工作电压；

3、3、压敏电阻寄生电容较大，在交流电源系统保护中应用时，在正常运行状态下会产生较大的泄漏电流。

4、为了克服单级气体放电管击穿电压存在较大的分散性，以及压敏电阻动作浪涌释放缓慢、残压水平高的不足，就需要对浪涌保护措施采用新方法、引入新器件、使用新组合，以满足牵引变流器的安全、稳定运行。

技术实现思路

1、本发明为解决目前电力机车牵引变流器采用单级气体放电管或压敏电阻作为浪涌保护器时，存在气体放电管释放能量较快，残压水平低，不利于工作电压的恢复；压敏电阻寄生电容较大，正常运行工况下，存在较大的泄漏电流的技术问题，提供一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法。

2、本发明是采用如下技术方案实现的：一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法，所述变流器浪涌保护装置包括串联的气体放电管及压敏电阻；针对气体放电管，应用于交流线路时，气体放电管的直流放电电压ufdc应满足式中up为交流线路正常运行电压的峰值；

3、应用于直流线路时，气体放电管的直流放电电压ufdc应满足ufdc≥1.8udc，式中udc为直流线路正常运行电压的峰值；

4、压敏电阻需要保证可切断气体放电管电弧区续流，并将全部压降均加在压敏电阻的两端。

5、本发明所采用的组合式浪涌保护装置可适用于易于受到雷击浪涌等类型浪涌冲击的电力机车牵引变流器。其主要功能是根据不同电力机车牵引变流系统，选择不同参数的气体放电管及压敏电阻进行组合，提升变流器过电压防护性能，缩短被保护系统电压恢复时间等。

6、本发明方案的技术关键点如下：

7、(1)降低浪涌保护器中的寄生电容

8、由于压敏电阻寄生电容较大，在正常动作状态下会产生较大的泄漏电流。相比于压敏电阻，气体放电管的寄生电容很小。因而，在与压敏电阻组合后形成组合型浪涌保护器后，可有效降低寄生电容值，进而减小泄露电流。

9、(2)提高残压水平，缩短电压恢复时间

10、由于气体放电管泄放浪涌能量较快，使得其动作后的残压水平较低。但是，在外加电压超过阈值电压后，压敏电阻器件伏安特性呈现高非线性；相比于气体放电管，其动作浪涌能量释放更为缓慢，残压水平更高。因此，在采用组合型浪涌保护器后，支路中压敏电阻两端较高的压降又提高了仅采用单级气体放电管保护时较低的残压水平，有利于电压迅速恢复至正常工作电压。

11、(3)根据保护特性选择不同参数的器件进行组合

12、在施加相同浪涌的作用下，气体放电管直流放电电压参数ufdc会对组合型浪涌保护装置的实际击穿电压uft产生影响；随压敏电阻标称电压参数u1ma不断增大，在浪涌保护器动作后负载两端残压也会随之提高。因此，在采用组合型浪涌保护装置时，需根据所保护电力机车牵引变流系统的特性要求来考虑选取气体放电管和浪涌保护器的参数大小。

13、本发明的有益效果：

14、1、可降低单独使用压敏电阻作为浪涌保护器时的寄生电容；

15、2、可提高单级气体放电管保护时较低的残压值，缩短工作电压恢复时间；

16、3、可进一步提升使用单级气体放电管或压敏电阻的过电压防护性能。

技术特征：

1.一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法，其特征在于，所述变流器浪涌保护装置包括串联的气体放电管及压敏电阻；针对气体放电管，应用于交流线路时，气体放电管的直流放电电压ufdc应满足式中up为交流线路正常运行电压的峰值；

2.如权利要求1所述的一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法，其特征在于，所述气体放电管包括等效非线性电阻的受控电流源g、压控开关s、信号电压模块；压敏电阻包括晶界相电阻rp、等效非线性电阻的受控电流源g、寄生电容c、接线电感l和二极管d。

3.如权利要求2所述的一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法，其特征在于，气体放电管中，受控电流源g的正极端与信号电压模块正极输入端相连接，信号电压模块正极输出端通过一个电阻以及一个电容接地，受控电流源g的负极端与信号电压模块负极输入端相连接，信号电压模块负极输出端通过一个电阻以及一个电容接地；信号电压模块的正极输入端、负极输入端、负极输出端、正极输出端依次连接且上述四个端子均接地；压控开关s的正极端一侧与受控电流源g的负极端相连接，压控开关s的正极端另一侧连接在与信号电压模块正极输出端连接的电容和电阻之间，压控开关s的负极一端接地，另一端作为引出端子；受控电流源g的正极端和正极输出端共同引出接线端子，并与外电路连接，受控电流源g的负极输出端与信号电压模块负极输入端连接。

4.如权利要求2所述的一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法，其特征在于，压敏电阻中，受控电流源g的正极端分别与接线电感l、晶界相电阻rp以及寄生电容c的一端相连接，接线电感l的另一端作为引出端子，晶界相电阻rp以及寄生电容c的另一端与二极管d的正极相连接，二极管d的负极端与受控电流源g的负极相连接；受控电流源g的正极端与其正极输出端相连接，受控电流源g的负极输出端与二极管d的负极相连接。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法，其特征在于，浪涌保护装置需要经过测试和分析，以针对不同使用场合和器件确定合理的参数；所述的测试和分析采用的电路包括浪涌发生器，终端负载电阻r和示波器：浪涌发生器产生雷电浪涌，施加于组合型浪涌保护装置；浪涌保护装置由选用的不同参数的气体放电管与压敏电阻串联组合而成；r为终端负载电阻，用于测量浪涌保护装置动作后的电压；示波器设定为单次上升沿触发，用于测量记录终端负载电阻r两端电压的波形。

6.如权利要求5所述的一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法，其特征在于，所生成的雷电浪涌为1.2/50us雷电浪涌。

7.如权利要求6所述的一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法，其特征在于，雷电浪涌相关参数波前时间t1及半峰值时间t2如下式：

8.如权利要求5所述的一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法，其特征在于，采用控制变量法，分别改变其中气体放电管与压敏电阻的参数，利用测试电路进行对比分析，从而选择出可用不同被保护系统的参数指标。

9.如权利要求7所述的一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法，其特征在于，采用控制变量法，分别改变其中气体放电管与压敏电阻的参数，利用测试电路进行对比分析，从而选择出可用不同被保护系统的参数指标。

技术总结
本发明涉及电力机车抗浪涌技术，具体为一种变流器浪涌保护装置及元件参数选择方法。本发明使用组合型浪涌保护装置对电力机车牵引变流器工作电路进行保护时，由于气体放电管的寄生电容很小，可改善压敏电阻单独使用时寄生电容较大的不足；同时在组合型浪涌保护器动作后，压敏电阻两端较高的压降又提高了单级气体放电管保护时较低的残压水平。综合使用浪涌保护元件，组成组合型浪涌保护装置，具备各个元件单级使用的动作特性，满足对于变流器浪涌保护的要求。根据气体放电管所需满足的直流放电电压选择不同类型的气体放电管；根据压敏电阻需要保证可切断气体放电管电弧区续流的要求，选择压敏电阻。

技术研发人员：陈长江,王清,常秀丽,李金霞,于森林
受保护的技术使用者：中车永济电机有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21