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晶闸管整流装置过电压分析及保护的配置

文档作者：陈小明１谢燕军２刘喜泉１文档来源：１．溪洛渡水力发电厂２．国电南瑞科技股份有限公司		点击数：	更新时间： 2025年12月30日
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２０１８ 年第１ 期
２０１８ Ｎｕｍｂｅｒ １
水电与新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
第３２ 卷
Ｖｏｌ．３２
ＤＯＩ： １０．１３６２２ ／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２ －１８００／ｔｖ．１６７１ －３３５４．２０１８．０１．０１５
收稿日期：２０１７ －１２ －１０ 作者简介：陈小明，男，高级工程师，主要从事发电厂励磁系统等检修维护方面的工作。
晶闸管整流装置过电压分析及保护的配置
陈小明１，谢燕军２，刘喜泉１
（１．溪洛渡水力发电厂，云南永善 ６５７３００；２．国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 ２１１１０６）
摘要：依据励磁系统晶闸管整流装置及其工作原理，对励磁系统晶闸管工作过程中可能存在的过电压进行了分析，并针
对引起晶闸管及其整流装置过电压产生的主要原因，探讨了常用的过电压保护配置方案，提出了过电压的测试方法。
关键词：励磁系统；晶闸管整流装置；过电压保护；非线性电阻
中图分类号：ＴＭ３５９．７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１ －３３５４（２０１８）０１ －００５３ －０５
Analysis of the Overvoltage in Thyristor Rectifier Device
and the Protection Configuration
ＣＨＥＮ Ｘｉａｏｍｉｎｇ１ ， ＸＩＥ Ｙａｎｊｕｎ２ ， ＬＩＵ Ｘｉｑｕａｎ１
（１．Ｘｉｌｕｏｄｕ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ， Ｙｏｎｇｓｈａｎ ６５７３００， Ｃｈｉｎａ； ２．ＮＡＲＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１０６， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ， ｔｈｅ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ
ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ．Ｍａｉｎ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｄｅｖｉｃｅ
ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｎ， ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ．Ａｌｓｏ， ｔｈｅ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ
ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Key words： ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ； ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｄｅｖｉｃｅ； ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ； ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
晶闸管整流装置是一种将交流变换为直流、为同
步电机提供励磁电流的整流装置，一般由多个三相晶
闸管全控整流桥及附属设备组成［１ －２］ 。
晶闸管整流装置的交流输入一般来自励磁变压器
或中频机，直流输出接励磁绕组。不同的输入接线和
输出至不同的励磁绕组，可以组成不同的励磁系统，比
如静止方式励磁系统和旋转方式励磁系统等，如图１
所示。
图1 晶闸管整流励磁系统
无论何种励磁系统，晶闸管整流装置总是工作在
一个电感回路中，如果电流突变，电感回路就会产生感
应电势及其过电压。所以，晶闸管整流装置必须配置
过电压保护设备。离开了过电压保护，晶闸管励磁装
置的安全性和可靠性就会大大降低，甚至无法工作。
１ 过电压产生原因及危害
1．1 晶闸管换相过电压
晶闸管整流装置主要由三相全控整流桥组成，如
图２ 所示，励磁变压器ＬＢ 次级相电压分别为Ua 、Ub 、
Uc ，其漏感及每相线路电感可以折合到次级绕组分别
用集中电感La 、Lb 、Lc 表示（La ＝Lb ＝Lc ）。三相整流电
路正常运行时，晶闸管k１ 、k２ 、k３ 、k４ 、k５ 、k６ 依次轮流
导通。
假设在t１ 时刻前，晶闸管k１ 和k２ 导通；在t１ 时刻
晶闸管k３ 收到触发脉冲，此时励磁变压器二次侧相电
压Ub ＞Ua ，故k３ 管承受正向压降使其导通，而k１ 管承
５３
万方数据
水电与新能源２０１８ 年第１ 期
图2 三相桥式整流电路整流原理图
受反向压降被迫关断。但是由于k１ 管在导通期间，其
内部储存了大量少数载流子，并不可能立即恢复截止，
使得晶闸管k１ 和k３ 在短时间内同时导通。此时，a、b
两相间产生瞬时的短路，Uab≈０，短路电流id 满足关系
式２Lb did ／dt ＝Ub －Ua 。短路期间整流电路输出电压
瞬时值Uf ＝（Ubc ＋Uac ）／２，为两相对c 相线电压的平
均值（考虑励磁变压器ＬＢ 次级a、b 相的短路阻抗压
降相同），使整流输出的直流电压波形产生了一个缺
口，称之为换相缺口，如图３ 所示。两晶闸管换相时流
过的电流波形如图４ 所示。t１ 时刻前k１ 管电流ik１ 等
于励磁电流If ，k３ 管电流ik３ 为零；t１ 时刻k３ 管触发导
通，其电流ik３ 逐步上升，同时ik１ 下降，开始换相过程，
ik１ ＋ik３ ＝If ，由于励磁绕组ＬＱ 大电感的影响，励磁电
流If 可视为恒定值。换相的快慢即ik１ 及ik３ 的变化率
（同时也是短路电流id 的增长率）ｄid ／ｄt ＝（Ub －Ua ）／
２Lb 。到t２ 时刻ik１降到零，ik３ ＝If 。可此时k１ 内仍积聚
了大量的少数载流子，不能立即恢复截止，故短路电流
id 过零后继续增加，ik１ 变为负值，而ik３ ＞If 。直至t３ 时
刻，k１ 反向恢复电流达到最大值，积存的少数载流子
迅速复合完毕，立即恢复截止，故k１ 反向电流立刻回
零。晶闸管电流ik１ 和ik３ 同时也是电感Lb 内的电流，
由于t３ 、t４ 时刻间时间间隔很小，因此，电流变化率极
大，即使和元件串联的线路电感与变压器漏感很小，产
生的感应电势也很大，电感Lb 中感应极高的换相过电
压Δu ＝－Lb ｄik ／ｄt。
在一个周期中，励磁整流装置依次存在６ 次换相
过程，产生６ 个过电压缺口，交流电感产生６ 个过电压
尖峰，并且叠加在交流输入和直流输出电压波形上。
晶闸管换相过电压属于周期性过电压，影响晶闸
管整流装置以及励磁变压器和励磁绕组的绝缘，降低
可靠性，甚至损坏晶闸管元件。抑制晶闸管换相过电
压最有效的办法就是配置阻容保护电路。
图3 桥式整流电路晶闸管上电压波形图
图4 k1 、k3 晶闸管换相时电流波形图
1．2 励磁变压器过电压
１．２．１ 雷击过电压
当晶闸管励磁系统的交流电源来自由输电线路供
电的降压变压器的低压侧，线路遭受雷击或静电感应
等从电网侵入的冲击（浪涌）电压时，会在变压器的低
压侧感应过电压。目前，励磁系统很少采用输电线路
供电，雷击过电压很少，但是对于励磁变高压侧接厂用
电的他励励磁方式，存在着雷击过电压的可能。
尽管雷击过电压的时间短暂，一般仅为几十微秒，
但是雷击过电压值可以很高，危害较大，可能击穿励磁
回路绝缘。抑制雷击过电压，最有效的方式就是采用
氧化锌避雷器。
１．２．２ 合闸过电压
假定C１２为励磁变一次（高压）和二次绕组（低压
侧）间的寄生电容，C２０为二次绕组对铁芯之间的电容，
在变压器一次合闸瞬间，由C１２ 和C２０ 电容构成的充电
电路引起位移电荷，由此，可求得一次传到二次侧的过
电压为
U２ ＝ C１２
C１２ ＋C２０ ×U１
５４
万方数据
陈小明，等：晶闸管整流装置过电压分析及保护的配置２０１８ 年１ 月
限制励磁变压器操作过电压，措施之一是在一、二
次绕组之间增加金属静电屏蔽层，屏蔽层与接地铁芯
相连，使一、二次绕组间的电容C１２ 接近于零值。措施
之二是在二次绕组侧接入对地电容C０２ ，理论上当确定
限制过电压倍数为Ku２ 时，C０２ 之值可由下式求得：
C０２ ＝C１２ u１ －Ku２ （C１２ ＋C２０ ） Ku２
１．２．３ 分闸过电压
在电源变压器空载情况下，如果在电源电压过零
时突然断开电源，则会产生严重的瞬变过电压。变压
器空载时，一次绕组中只有励磁电流i０ ，它在相位上滞
后于电源电压U１ 近９０°，U１ 过零时，i０ 达到最大值。
相应的磁通也达到最大值。如此时突然切断变压器，
使i０ 由最大值变到零，则相应的di０ ／dt 和du ／dt 都很
大，将在二次绕组中感应出很高的瞬时过电压。产生
过电压的倍数最高可达正常反向峰值电压的８ ～１０
倍，一般情况下也有４ ～５ 倍。抑制分闸过电压的措施
是将储存在电感中的能量转换到与变压器二次绕组并
联的过电压吸收电路中。
1．3 励磁绕组过电压
１）励磁绕组跳闸灭磁过电压。晶闸管整流装置
的输出侧，一般配置直流磁场断路器，磁场断路器分断
励磁电流时，将在励磁绕组两端产生反向过电压。所
以，励磁整流装置与励磁绕组之间必须配置过电压保
护电路，即励磁绕组过电压（转子过电压）保护。
２）发电机异步运行转子滑差过电压。发电机异
步运行，定子与转子的合成磁场开始切割励磁绕组，在
转子上产生周期性的滑差电流，并在转子回路寻找能
量消耗通道。如果转子或整流装置存在低阻通道，滑
差电势不会很高；由于晶闸管整流装置的阻断阻抗都
很高，此时转子绕组相当于一个滑差恒流源，经高阻抗
产生很高的滑差过电压，可能会击穿转子绕组和整流
装置的绝缘。
３）发电机突然短路、非全相或非同期合闸转子感
应过电压。发电机突然短路、非全相或非同期合闸，转
子在磁链守恒的作用下，将产生非周期和周期性的转
子过电压，也极大危害转子或者整流装置的绝缘。
励磁绕组过电压保护，主要采用两种方案，一是通
过跨接器在绕组两端并联过电压吸收电阻，可以是非
线性电阻，也可以是线性电阻。二是直接将高能氧化
锌非线性电阻（ＺｎＯ）或高非线性系数的碳化硅电阻
（ＳｉＣ）并联在励磁绕组两端，吸收过电压。
２ 过电压保护的配置
2．1 总体配置方案
抑制晶闸管整流装置的过电压，主要措施有：励磁
变压器高低压侧屏蔽接地，配置三相组合式压敏电阻、
阻容吸收电路、励磁绕组过电压保护等设备，通常采用
的配置如图５ 所示，不同的励磁系统可根据实际需要
选用。
配置晶闸管整流装置过电压保护，首先应明确保
护对象和保护范围，然后对参数和整定值进行协调配
合，其典型配合如图６ 所示。
图5 晶闸管整流装置过电压保护的配置
５５
万方数据
水电与新能源２０１８ 年第１ 期
图6 晶闸管整流装置过电压保护的配合
阻容吸收保护主要负责吸收晶闸管换相过电压，
是晶闸管整流装置最主要的过电压保护，主要分为桥
臂分散式、三相集中式、三相整流式等阻容保护电路，
如图５ 所示。晶闸管整流装置最大输出电压Vｆｍａｘ等于
最大整流峰值叠加换相过电压尖峰值，配置阻容吸收
电路，可降低Vｆｍａｘ ，如图６ 所示。
交流侧三相组合式压敏电阻主要吸收雷击过电压
和励磁变压器操作过电压，防止过电压入侵晶闸管整
流装置。
励磁绕组过电压保护，能有效抑制发电机各种运
行工况在励磁绕组上产生的电压不超过出厂试验时绕
组对地耐压试验电压幅值的７０％，是晶闸管整流装置
和励磁绕组的最终过压保护。
三相组合式压敏电阻保护与励磁绕组过电压保
护，其动作整定值都应该大于晶闸管整流装置最大输
出电压Vｆｍａｘ ，小于晶闸管晶闸管反向重复峰值电压
VＲＲＭ 。
2．2 压敏电阻保护配置
由于励磁变压器高、低压侧必须设置屏蔽层，并可
靠接地，大大削弱了发电机出口的雷击和操作过电压
对晶闸管整流装置的影响，再加上发电机出口配置了
避雷器，所以一般不再配置避雷器等交流侧压敏电阻。
励磁变高压侧一般不配置交流断路器、高压熔断器，因
此不会产生分断和合闸操作过电压。励磁变低压侧如
果配置交流磁场断路器，一般在正常开停机时，交流断
路器仅在发电机残压下合闸和分闸；在事故停机时，一
般采用逆变灭磁或灭磁电阻方式灭磁，减少了交流磁
场断路器分闸产生过电压的危害。
对于励磁变压器高压侧接入厂用电的他励接线方
式系统，必须配置交流侧压敏电阻，一般采用三相组合
式压敏电阻，一方面可吸收相间的差模过电压，另一方
面还可吸收对地的共模过电压，组合式压敏电阻抑制
了雷击、合闸和分断等过电压浪涌，是一个比较好的
方案。
2．3 阻容保护配置
无论自励还是他励方式，无论是静止励磁还是旋
转励磁，都应该配置抑制晶闸管换相过电压的阻容保
护。可以配置桥臂分散式，也可以配置三相整流式，二
者选其一即可。选用桥臂分散式阻容保护，在抑制效
果不好或加强抑制效果的情况下，可以额外配置三相
集中式阻容保护。三相集中式阻容保护是一种辅助保
护，一般不作为晶闸管换相过电压的主保护。
根据经验，三相集中式、三相整流式阻容保护应配
置熔断器，其额定电压宜大于励磁变压器低压侧额定
峰值电压。三相集中式和桥臂分散式的电容宜选用交
流电容，其额定电压宜大于励磁变压器低压侧额定电
压的２．０ 倍。三相整流式的电容宜选用直流电容，其
额定电压宜大于励磁变压器低压侧额定电压的
２．５ 倍。
2．4 转子过电压保护配置
转子过电压保护，一般为跨接器过电压保护，也可
配置非线性电阻限压器，二者选其一即可。
跨接器过电压保护是指当过电压达到整定值时，
跨接器导通，将过电压吸收电阻并入励磁绕组两端，吸
收过电压能量，抑制过电压上升。当过电压低于整定
值时，跨接器关断。过电压吸收电阻，可以是线性电
５６
万方数据
陈小明，等：晶闸管整流装置过电压分析及保护的配置２０１８ 年１ 月
阻，也可以是非线性电阻，而非线性电阻又分为高能氧
化锌电阻（ＺｎＯ）和碳化硅电阻（ＳｉＣ）。跨接器的过电
压吸收电阻，可以与灭磁电阻共用。
不同非线性系数的电阻，其伏安特性曲线明显不
同，如图７ 所示，１ 是线性电阻，是一条直线，斜率由电
阻值决定；２ 是ＺｎＯ 电阻，有明显的击穿导通点，大电
流下的稳压特性很好；３ 是非线性系数约为０．４ 的ＳｉＣ
电阻，低电压的电流就较大，故不能直接并联在励磁绕
组两端运行，需要跨接器；４ 是非线性系数约为０．２ 的
ＳｉＣ 电阻，低电压的电流很小，可并联在励磁绕组两端
运行。
图7 电阻的伏安特性
直接将非线性电阻并联在励磁绕组两端，也是励
磁绕组过电压的选择方案，特别是小型发电机组，一般
不选择跨接器过电压保护，仅采用高能氧化锌电阻通
过熔断器并联在励磁绕组两端作为过电压限制器。也
可直接将高非线性系数碳化硅电阻并联在励磁绕组两
端，正常运行电阻电流很小，相当于一个小负载。如果
过电压，流过电阻的电流增大，吸收灭磁或过电压的
能量。
３ 结 语
随着电力电子器件制造技术的快速发展，可控硅
元件性能参数逐步提高，可控硅整流装置的容量也越
来越大。由于可控硅自身的特点，晶闸管对施加在其
两端的过电压很敏感，当晶闸管承受的正向过电压超
过其断态重复峰值电压一定值时，晶闸管会出现误导
通；当晶闸管承受的反向过电压超过其反向重复峰值
电压一定值时，晶闸管会损坏。因此晶闸管过电压保
护的正确配置对晶闸管装置的可靠运行起着至关重要
的作用。同时，良好的过电压保护装置可以降低晶闸
管两端承受重复峰值电压的要求，减少晶闸管选型成
本，对晶闸管的选型经济性起着积极的作用。
参考文献：
［１］李基成．现代同步发电机励磁系统设计及应用［Ｍ］．２ 版．
北京： 中国电力出版社， ２００９
［２］梁建行．水电厂发电机励磁系统设计［Ｍ］．北京： 中国电
力出版社， ２０１５
（上接第５２ 页）
得到如表１ 数据。
表1 离心泵电机外壳和轴承温差
名称 初始数据 方案１ 方案２ 方案３ 轴承
最高／℃ ８５．９ ７６．１ ８０．２ ６５．８ 平均／℃ ８２．２ ７３．８ ７５．５ ６４．５ 最高温升／Ｋ ５７．８ ４９．０ ５１．２ ３６．９ 外壳
最高／℃ ９６．７ ７８．１ ７４．２ ６２．４ 平均／℃ ８９．３ ７４．６ ６９．６ ５９．５ 最高温升／Ｋ ６８．６ ５０．９ ４５．２ ３３．５ 环境温度／℃ ２８．１ ２７．１ ２９．０ ２８．９ ５ 结 语
１）原始数据中离心泵运行电机轴承与电机外壳
温度明显超出ＧＢ５０７０６—２０１１ 中规定的温升值；方案
１ 和方案２ 电机轴承与电机外壳温度有所下降，但仍
超出ＧＢ５０７０６—２０１１ 中规定的温升值。
２）方案３ 离心泵运行温度优于其他方案，运行电
机轴承温度低于ＧＢ５０７０６—２０１１ 中规定的温升值，电
机外壳接近ＧＢ５０７０６—２０１１ 中规定的温升值，运行温
度参数良好。
叶轮切割降低了离心泵电机运行温度，但并没有
提高泵组效率［３］ ，且切割后的叶轮只能通过特殊加工
获取备品。而型号ＳＬＯＷ３５０ －４４０Ａ 离心泵及其配套
的西门子电机在各方面的性能要明显优于ＡＳＣ５００ －
４００ －５４０Ｅ 的离心泵及配套电机。
根据上述结论，综合考虑后溪洛渡水电站已逐步
将ＡＳＣ５００ －４００ －５４０Ｅ 离心泵整体更换为
ＳＬＯＷ３５０ －４４０Ａ离心泵。
参考文献：
［１］秦曾煌．电工学（上册）［Ｍ］．６ 版．北京： 高等教育出版
社， ２００５
［２］ＧＢ ５０７０６ －２０１１， 水利水电工程劳动安全与工业卫生设计
规范［Ｓ］
［３］关醒凡．现代泵理论与设计［Ｍ］．北京： 中国宇航出版社，
２０１１

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