（已结帖）工控求职面试题擂台第三十一期—不可控器件和半可控器件
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发表于： 20:19:03 楼主
擂台一：请简要说明电力电子器件不可控器件的特点并举例说明一种不可控器件的的结构和工作原理？用相关图形的讲解的更佳！擂台二：请简要说明电力电子器件半可控器件的特点并举例说明一种半可控器件的的结构和工作原理？用相关图形的讲解的更佳！&&工控求职面试题擂台每周一期每期两题，内容旨在服务于即将毕业的面临找工作的工控学子们，但是打擂者不限，只要求能给出完整的，尽可能的详细的答案即可，打擂者可以根据兴趣随便选择一题作答，也可两题一起做答，结果按较好题给分。本期下周结贴。奖项设置：一等奖1名：30MP，二等奖2名：20MP，三等奖3名：10MP，鼓励奖10名：30积分。 MP介绍：gongkongMP即工控币，是中国工控网的用户积分与回馈系统的一个网络虚拟计价单位，类似于大家熟悉的QB，1个MP=1元人民币。 MP有什么用？兑换服务：以1个MP=1元来置换中国工控网的相关服务。 兑换现金：非积分获得的MP可兑换等值现金（满100MP后、用户可通过用户管理后台申请兑换）。
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加TA为好友 发表于： 11:01:50 1楼
不可控器件的特点主要有以下三个方面：不能用控制信号控制其关断、无需驱动电路、结构简单、工作可靠，大量运用于电气设备。
典型的不可控器件为：电力二极管其结构和工作原理如下：
电力二极管是以半 导体PN结为基础的, 实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。 从外形上看，可以有 螺栓型、平板型等多种封装。 其外形、结构、电气符号如下图：
PN结的形成
N型半导体和P型半导体结合后构成PN结，由内电场造成的正负电荷漂移运动和扩散运动的作用下电荷运动最后达到正、负空间电荷量达稳定值，形成稳定的由空间电荷构成的区域，形成了PN结。具体为：扩散运动使N区和P区交界处电子和空穴的浓度差别，造成各区多数载流子（多子）向另一区移动，到对方区成为少数载流子（少子）的运动。 内电场作用下的漂移运动使内电场一方面阻止扩散运动，另一方面又吸引对方区内少子向本区运动。
工作原理从PN结的单向导电性和PN结的电容效应来说明。
1、PN结的单向导电性
1)当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。
2)当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。
3) PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。
①按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 。
②反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。
③否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。
2、PN结的电容效应
1）称为结电容CJ，又称为微分电容
2）按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD
①势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。
②扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。
结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。
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加TA为好友 发表于： 11:34:55 2楼
半控器件的特点主要有以下三个方面：通过控制信号可控制其导通而不能控制其关断、其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的运用。
典型的半控器件是：晶闸管。下面以此为例说明。
下图为晶闸管外形、结构和电气图形符号 ，a)外形 b)结构 c)电气图形符号
晶闸管的工作原理
其电路模型和等效电路如下图：a) 双晶体管模型 b工作原理)
依据上图可列写以下公式：
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加TA为好友 发表于： 15:10:25 3楼
1、首先了解一下电力电子器件
定义：可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
2、分类（按照器件能够被控制的程度）
1）半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。如：晶闸管（SCR）
2）全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。如：GTO,GTR, 电力MOSFET, IGBT
3）不可控器件：不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。如：电力二极管
擂台一：请简要说明电力电子器件不可控器件的特点并举例说明一种不可控器件的的结构和工作原理？用相关图形的讲解的更佳！
1、不可控器件特点：不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。包含：电力二极管 、快恢复二极管（FRD）和肖特基二极管（SBD）
2、电力二极管结构：（如上图所示）由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。
3、电力二极管特点：多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路，其反向恢复时间较长，一般在5us以上，正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。
4、二极管特征：单向导电性（即：承受正向电压则开通，承受反向电压则关断）
5、电力二极管的基本特性（包括静态特性和动态特性）
1）静态特性主要指伏安特性（即：器件两端电压与流过器件电流的关系曲线）
①门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。
②与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。
③承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。
2）动态特性指开通和关断过程的特性
①关断过程
a、须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态
b、反向恢复时间trr
c、关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。
②开通过程：
a、正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。
b、正向恢复时间tfr。
c、电流上升率越大，UFP越高。
擂台二：请简要说明电力电子器件半可控器件的特点并举例说明一种半可控器件的的结构和工作原理？用相关图形的讲解的更佳！
1、半控型器件的特点：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。如：晶闸管（SCR）
2、结构特点与分析
晶闸管是四层三端器件，它有三个PN结，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管，如下图所示：
上图分析：
1）a1和a2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。
2）阻断状态：IG=0，a1+a2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。
3）开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致a1+a2趋近于1，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
3、由结构分析我们可以知道晶闸管的工作原理
1）承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。
2）承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。
3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。
4）要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
4、晶闸管的基本特性（伏安特性）
①IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。
②正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。
③随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。
④晶闸管本身的压降很小，在1V左右
2）反向：（与二极管相似）
①反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。
②当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。
能承受的电压和电流容量很高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。
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加TA为好友 发表于： 07:15:30 4楼
给楼上几位受精了，&学习&
将电工学上的内容再次看过有感－－－－原来学的全没了
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加TA为好友 发表于： 09:24:53 5楼
说的挺好的不错///////////
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加TA为好友 发表于： 11:52:14 6楼
1、不可控器件：功率二极管&&功率二极管是二端(阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流。& 特点：结构和原理简单，工作可靠。结构与符号图实物图2、半控型器件：普通晶闸管& 普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断。& 特点：承受电压和电流容量在所有器件中最高。结构与符号图实物图
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加TA为好友 发表于： 10:58:56 7楼
双向可控硅的工作原理 双向可控硅结构原理及应用
双向可控硅的工作原理
双向可控硅的工作原理1.可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可 以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成 　 当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电 极电流ic2=&2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流 ic1=&1ib1=&1&2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅 使饱和导通。　由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起 触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。　 由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化　2,触发导通　 在控制极G上加入正向电压时（见图5）因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用（见 图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。
TRIAC的特性
什么是双向可控硅:IAC(TRI-ELECTRODE AC SWITCH)为三极交流开关，亦称为双向晶闸管或双向可控硅。 TRIAC为三端元件，其三端分别为T1 (第二端子或第二阳极)，T 2(第一端子或第一阳极)和G(控制极)亦为一闸极控制开关，与SCR最大的不同点在 于TRIAC无论于正向或反向电压时皆可导通，其符号构造及外型，如图1所示。因为它是双向元件，所以不管T1 ,T2的电压极性如 何，若闸极有信号加入时，则T1 ,T2间呈导通状态；反之，加闸极触发信号，则T1 ,T2间有极高的阻抗。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图1 TRIAC
二.TRIAC的触发特性:
由于TRIAC为控制极控制的双向可控硅,控制极电压VG极性与阳极间之电压VT1T2四种组合分别如下：
(1). VT1T2为正, VG为正。
(2). VT1T2为正, VG为 负。
(3). VT1T2为负, VG为正。
(4). VT1T2为负, VG为 负。
一般最好使用在对称情况下(1与4或2与3)，以使正负半周能得到对称的结果，最方便的控制方法则为1与4之控制状态，因为控制极信号 与VT1T2同极性。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图2 TRIAC之V-I特性曲线
如图2所示为TRIAC之V-I特性曲线，将此图 与SCR之VI特性曲线比较，可看出TRIAC的特性曲线与SCR类似，只是TRIAC正负电压均能导通，所以第三象限之曲线与第一象限之曲线类似，故 TRIAC可视为两个SCR反相并联TRIAC之T1-T2的崩溃电压亦不同，亦可看出正负半周的电压皆可以使TRIAC导通，一般使 TRIAC截止的方法与SCR相同，即设法降低两阳极间之电流到保持电流以下TRIAC即截止。
三.TRIAC之触发：
TRIAC的相位控制与SCR很类似，可用直流信号，交流相位信号与脉波信号来触发，所不同者是V T1-T2负电压时，仍可触发 TRIAC。
四. TRIAC的相位控制：
TRIAC的相位控制与SCR很类似，但因TRIAC能双向导通之故，在正负半周均能触发、可作为全波功率控制之用，因此TRIAC除具有SCR的优点， 更方便于交流功率控制，图3(a)为TRIAC相位控制电路，只适当的调整RC时间常数即可改变它的激发角，图3(b)，(c)分别是激发角为30度时的 VT1-T2及负载的电压波形，一般TRIAC所能控制的负载远比SCR小，大体上而言约在600V，40A以下。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （A）
&&&&&&&&&&&&&&&& （B）AC两端电压波形&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （C）两端电压波形
五 .触发装置：
TRIAC之触发电路与SCR类似,可以用RC电路配合UJT、PUT、DIAC等元件组成的触发电路来触发，这些元件的触发延迟角。都可由改变电路所使 用的电阻值来调整，其变化范围在0&～180&之间，正负半周均能导通，而在工业电力控制上，常以电压回授来调整触发延迟角，用以代表负载实际情况的电压 回授，启动系统做良好的闭回路控制。这种由回授来控制触发延迟角，常由UJT或TCA785来完成。
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加TA为好友 发表于： 17:33:54 8楼
不可控器件的特点主要有以下三个方面：不能用控制信号控制其关断、无需驱动电路、结构简单、工作可靠，大量运用于电气设备。
典型的不可控器件为:功率二极管，他的结构和工作原理如下：
1. 功率二极管的结构
2. 功率二极管的工作原理
由于PN结具有单向导电性,所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件.
1.1.2 功率二极管的特性和主要参数
1. 功率二极管的特性
(1) 功率二极管的伏安特性
二极管具有单向导电能力,二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压Uth(又称死区电压),当外加电压小于门坎电压时,正向电流几乎为零.硅二极管的门坎电压约为0.5V,当外加电压大于Uth后,电流会迅速上升.当外加反向电压时,二极管的反向电流IS是很小的,但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿,反向电流迅速增加.
功率二极管的伏安特性
(2) 功率二极管的开关特性
由于PN结电容的存在,二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间trr、最大反向电流值IRM,与二极管PN结结电容的大小、导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流di/dt等都有关.普通二极管的trr=2~10&s,快速恢复二极管的trr为几十至几百ns,超快恢复二极管的trr仅几个ns.
功率二极管的开关特性
2. 功率二极管的主要参数
(1) 反向重复峰值电压URRM
取反向不重复峰值电压URSM的80%称为反向重复峰值电压URRM,也被定义为二极管的额定电压URR.显然,URRM小于二极管的反向击穿电压URO.
(2) 额定电流IFR
二极管的额定电流IFR被定义为其额定发热所允许的正弦半波电流平均值.其正向导通流过额定电流时的电压降UFR一般为1~2V.当二极管在规定的环境温度为+40℃和散热条件下工作时,通过正弦半波电流平均值IFR时,其管芯PN结温升不超过允许值.若正弦电流的最大值为Im,则额定电流为:
(3) 最大允许的全周期均方根正向电流IFrms
二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时,与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms为
由式(1-1)和(1-2)可得
(4) 最大允许非重复浪涌电流IFSM
这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流.该值比二极管的额定电流要大得多.实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力.
功率二极管属于功率最大的半导体器件,现在其最大额定电压、电流在6kV、6kA以上.二极管的参数是正确选用二极管的依据.
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加TA为好友 发表于： 16:18:05 9楼
擂台一：不可控器件 －－ 不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路
举例：电力二极管
只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的
结构及工作原理：
晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向 偏置电压 值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。p-n结的反向击穿有 齐纳击穿 和雪崩击穿之分。
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加TA为好友 发表于： 16:22:07 10楼
用手机回答的，分段了又跑到一起了，传不了图片，凌乱中......
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加TA为好友 发表于： 23:06:34 11楼
一等奖 30MP: EastW&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& abcxiangdong二等奖20MP： 花开_花落&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&the_wisemy_gongkong&&&&&&&&&&&&&& my_gongkongfu4730&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& fu4730 三等奖10MP: zxjjynl&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &zxjjynl&welfare87&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& welfare87今生缘&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& zwl& 鼓励奖30积分： 阿水&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &qsm78
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加TA为好友 发表于： 23:07:56 12楼
本期擂台达此为止，欢迎大家继续参与我们以后我们各期擂台！
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可控金属氧化物避雷器操作冲击动作特性试验方法
时间： &&来源：华天电力&&阅读：3665 次
贺子鸣1 ，陈维江2 ，陈绣娟1 ，颜湘莲1（1.中国电力科学研究院，北京.国家电网公司，北京100031） &&&&&&& 摘 要：可控金属氧化物避雷器（简称可控避雷器）是一种可以深度降低特高压交流输电系统操作过电压的新型设备，现有的避雷器试验方法无法检验其在操作冲击下的动作特性。为此，分析了可控避雷器在操作冲击下的动作特性，设计了检验可控开关动作时延和可控开关动作前后避雷器残压这两个动作特性的试验方法，采用操作冲击电流和操作冲击电压分别进行了试验。通过在现有残压试验回路中并联调波电容实现了冲击电流试验方法。采用冲击电压发生器及其调节和测试回路实现了冲击电压试验方法。研制了一种110kV 电压等级的可控避雷器模型，利用该模型开展了试验研究；结果表明，可控避雷器在操作冲击电压下能够可靠动作。与常规避雷器相比，在相同电流下，可控避雷器模型的残压降低幅度与设计可控比（25%）接近，所设计的可控避雷器模型具有预期的限压效果。验证了提出的可控避雷器动作特性试验方法的有效性。关键词：可控金属氧化物；操作过电压；动作特性；可控比；动作阈值；晶闸管导通时延DOI：10.3969/j.issn.12.04.010&&&& 文章编号：（8-09 &&&&&&& Test method for switching impulse response properties of controllable metal oxide surge arresterHE Ziming1，CHEN Weijiang2，CHEN Xiujuan1 ，YAN Xianglian1 （1.China Electric Power Research Institute ，Beijing 100192，China；2.State Grid Corporation of China，Beijing 100031，China）&&&&&&&& Abstract：The controllable metal oxide surge arrester is a new electrical set-up which can deeply reduce switching overvoltage in UHV transmission system. The conventional arrester method could not be used to validate the switching impulse response properties of the controllable metal oxide surge arrester. Consequently, we discussed the switching impulse response properties of the controllable metal oxide surge arrester, and put forward a new test method which switching impulse current test and switching impulse voltage test were carried out respectively fitting test requirements. Moreover, we verified the response delay of controllable switch and the residual voltage of controllable metal oxide surge arrester in the test. The parallel modulated wave capacitor was used in the exiting residual voltage test circuit to implement the switching impulse current test method, the impulse voltage generator, regulator and measurement circuit were used to implement the switching impulse voltage test method, and a designed 110kV controllable metal oxide surge arrester was used in the verification test. In the test, the controllable arrester could respond reliably under switching impulse voltage. By comparing with the conventional arrester, the decreased range of the residual voltage of controllable arrester was close to the designed controllable rate of 25% in the same current. Furthermore, the designed controllable arrester with expected limit effect was verified, and the availability of the approach was verified.&&&&&&& Key words: controllable metal
s respon thyristor self-trigger delay &&&&&&&&&0& 引言&& &&&&&&& 在超、特高压交流输电系统中，操作过电压倍数对输变电设备的造价和制造难度影响较大，降低操作过电压倍数，有利于合理选取设备绝缘水平。为了深度降低特高压甲流输电系统的操作过电压，文献[4-6]提出并研究了特高压可控金属氧化物避雷器（以下简称可控避雷器）方案。&&&&&&& 可控避雷器是不同于常规避雷器的一种新型设备，通过动态改变金属氧化物避雷器的伏安特性达到限压的目的。它在结构上由避雷器本体和可控开关构成。避雷器本体由受控元件和固定元件两部分串联组成，可控开关可采用电力电子开关或可控间隙，它与受控元件并联组成可控部分。受控元件的额定电压与避雷器本体的额定电压之比为可控比，是可控避雷器的一个关键参数。在系统正常运行时，可控开关断开，受控元件和固定元件共同承受运行电压，通过提高避雷器本体的额定电压来降低避雷器正常运行时的荷电率，提高可靠性。瞬态情况下，当避雷器本体上的电压高于设定的动作阈值时，可控开关导通，受控元件被短接，整支可控避雷器的残压仅为固定元件的残压，可以深度降低系统的过电压水平。&&&&&&& 在运行过程中，可控避雷器要承受系统持续运行电压、工频过电压、操作过电压和雷电过电压，在上述电压下，可控避雷器的特性各不相同。在系统持续运行电压下，可控避雷器应能够安全可靠地长期运行。在超、特高压输电系统中，主要采用安装并联高抗等措施限制工频过电压，避雷器不作为限制系统工频过电压的手段。对于雷电过电压，由于其波前时间较短，所以可控避雷器无法再雷电过电压到达峰值前导通。以采用晶闸管的可控开关为例，从检测出过电压信号到晶闸管完全导通要延时几us，晶闸管开关来不及在雷电过电压到达峰值前导通，过电压水平由可控避雷器本体决定。对于操作过电压，其波前时间较长，特别是在特高压输电系统，一般为600-4500us，90%以上的操作过电压波前时间&1000us。以特高压交流是哦眼示范工程中操作过电压的波前时间为例，各种操作方式所产生的过电压波前时间最小为2800us，最大为4800us，所以可控避雷器能够在操作过电压达到动作阈值时动作，将系统的操作过电压水平限制在允许范围内。&&&&&&& 可控避雷器在操作过电压下的动作特性由避雷器本体和可控开关共同决定，该动作特性是否能达到预期的效果，则需要通过动作特性试验加以检验。本文拟通过分析可控避雷器在操作过电压下的动作特性和现有避雷器试验方法存在的问题，提出检验可控避雷器操作冲击动作特性的试验方法，并通过模型试验验证所提出的试验方法的有效性。 &&&&&&& 1& 操作过电压下的动作特性 &&&&&&& 当操作过电压作用于可控避雷器时，若电压瞬时值超过可控避雷器的动作阈值，则可控开关动作，将可控避雷器的受控元件短接，可控避雷器仅有固定元件起作用，从而达到深度降低操作过电压的目的。为了便于定量分析可控避雷器在操作过电压下的动作特性，本文选取一支特高压可控避雷器作为研究对象，其额定电压为890kV，本文以额定电压为基准值，动作阈值的标幺值为1.3（即1 167kV），可控比为25%，阀片参数与1000kV 特高压工程用避雷器阀片参数相同。导通时延△t是可控开关的固有特性，综合考虑测量、触发等环节后取值为5us。利用电磁暂态软件ATP构建仿真模型，研究可控避雷器在操作冲击电压下的特性，电压取双指数波，视在波前时间为250us，半峰值时间为2500us，电压峰值为1850kV，该电压作用下的计算结果如图1所示，其中图1（a）为可控避雷器在此操作冲击电压下的电压、电流关系。为了详细说明可控开关动作时的情况，将图1（a）局部放大为图1（b）。&&&&&&&&&图中U1为预期输出的操作冲击电压；U2为可控避雷器上的电压；I为可控避雷器中流过的电流。
&&&&&&& 当可控避雷器两端的电压瞬时值超过动作阈值1167kV 时，可控开关经过导通时延△t（本文取5us）后才导通，此时电压已上升到1230kV（标幺值为1.37），比设定的动作阈值1167kV（标幺值为1.3）略有提高，即△t所对应的电压上升率的增大，导通时延△t的影响增大，会直接影响可控避雷器的限压效果。可控开关导通后，仅由固定元件限制操作过电压，由于此时施加在固定元件上的电压已超过拐点电压值，所以避雷器电流迅速增大，当固定元件的电压达到峰值时，电流同时达到峰值。&&&&&&&&此外，本文还以特高压交流试验示范工程为例，利用电磁暂态软件ATP研究运行于实际系统中、计及可控开关的动作特性后，可控避雷器在系统操作过电压下的电流、电压关系，仿真中采用的可控避雷器的参数与前文相同。结果表明，在各种操作方式下，当断路器无合闸电阻、仅采用常规避雷器时，线路中部相对地的统计过电压的标1.95~2.10，相间为3.3~3.5；而采用可控避雷器时，可将系统相对地和相间统计过电压的标幺值分别限制在1.6和2.7以内。图2分别为南阳站合空线操作时可控避雷器上的电压和流过的电流。从图2中可以看出，在操作过电压下，可控避雷器中的电流为脉冲电流，且电流和电压同时到达峰值。&&&&&&& 综上所述，可控避雷器的动作特性包括可控开关的动作时延和可控开关动作前后避雷器的残压。这些参数都有设计预期值，但实际效果必须通过动作特性实验加以验证，因此，有必要研究可控避雷器动作特性的实验方法。 &&&&&&& 2& 操作冲击动作特性实验方法&&&&&&& 2.1 整体思路&&&&&&& 通过电流源向可控避雷器中注入冲击电流，能够同时得到可控避雷器在操作大电流冲击下的动作时延参数及残压。因此，可控避雷器在实际系统中的动作特性能够通过冲击电流实验完全反映出来。按照现有实验室的水平，在个别研究性质的实验室中，冲击电流发生器回路能够满足≤220kV 等级的整支可控避雷器的实验要求。对于超、特高压系统用可控避雷器来说，其额定电压较高，现有实验室无法进行整支可控避雷器的冲击电流实验，而研制满足整支可控避雷器实验要求的冲击电流源设备投入较大。，因此，对于≤220kV等级的可控避雷器，实验时应采用整支。对于＞220kV 等级的可控避雷器，实验设备若能满足可控部分全尺寸实验要求，则在全尺寸可控部分上进行实验；若不满足要求，则应在可控部分尺寸尽可能大的比例元件上进行实验。本实验应作为可控避雷器型式实验的一项内容。为了检验可控避雷器的动作特性参数是否与设计指标一致，出厂前必须检验每一个产品能否在设计的动作阈值下可靠动作，并检验可控开关的动作时延，通常情况下，工厂仅具备对阀片进行冲击电流实验的能力。因此，考虑采用冲击电压实验作为检验可控避雷器动作特性的一项例行实验内容。 &&&&&&& 2.2 冲击电流实验方法&&&&&&& 常规避雷器残压实验方法是一种冲击电流实验方法，需要分析此方法能否直接应用于检验可控避雷器的动作特性。常规避雷器残压实验在冲击电流发生器回路中进行，且多针对阀片进行实验，在获得阀片的残压后，通过乘以阀片数量并考虑不均匀系数后获得整支避雷器的残压。图3为30/60us操作冲击电流下，避雷器阀片残压实验的典型残压与电流波形。从图3中可以看出，避雷器残压峰值时间明显超前于冲击电流峰值时间，残压峰值所对应的电流并非峰值；而当电流到达峰值时，残压已开始降低。造成这种现象的原因是：实验室所用冲击电流发生器可被认为是一种电流源设备，当负载为避雷器阀片时，残压由流过阀片的电流和阀片的等值阻抗的乘积决定。在伏安曲线的拐点以下，阀片为高阻抗，阀片上虽只流过很小的电流，但电压依然很高。随着阀片电流逐渐增大，其等值阻抗迅速减小，但二者的乘积变化并不明显，在波形上表现为残压峰值时间超前于电流峰值时间，残压保持峰值直到电流达到峰值，随后随着电流的下降而降低。对整支避雷器的残压实验同样会出现上述问题。&&&&&&& 在工程上，残压由电压峰值决定，对常规避雷器而言，残压实验的结果偏严，尚可满足其在应用上的要求；但对可控避雷器而言，该方法已不能满足检验其动作特性的要求。可控避雷器可控开关的导通有一定的时延，将可控避雷器置于冲击电流发生器回路中时，由于电压上升很快，可控开关来不及导通，表现为电压先上升到整支避雷器的残压值，如图4所示，图中波形分别为可控避雷器两端电压和避雷器中电流波形。此时，可控避雷器的残压由电压峰值决定，即由整支避雷器的特性决定，没有反映出可控避雷器的真实特性。所以，现有实验方法无法满足可控避雷器操作冲击电流动作特性的实验要求，需要加以改进、完善。&&&&&&& 可控避雷器的电流和电压需同时到达峰值，冲击电流实验回路应满足该要求，为此，本文通过引入调波电容，设计了改进后的实验回路。调波电容是指并联在可控避雷器试品两端、用于降低可控避雷器试品上电压上升率的电容器，它在现有冲击电流发生器回路中的配置方式如图5所示。在冲击电流发生器的充电电容充电后，点火触发球隙，充电电容向调波电容和可控避雷器放电。由于调波电容原本不带电荷，而此时可控避雷器的等效阻抗很大，因此，调波电容迅速充电，电压逐渐升高。可控避雷器和调波电容处于等电位，其电压会随调波电容的电压升高而升高，而电压上升过程会被调波电容拉缓。当可控避雷器的电压达到可控开关的动作阈值时，可控开关导通，将受控元件短接。可控避雷器此时的等效阻抗降低，电流将持续增大直到电压达到最大值。实际上，引入调波电容C2的目的就在于将电流源设备输出的电流转换成回路输出的电压，以模拟实际系统中作用于可控避雷器上的过电压，同时保证可控避雷器中流过较大幅值的冲击电流。
&&&&&&& 假设可控避雷器（CMOA）的电压、电流分别为Ucmoa、Icmoa,非线性伏安特性为Ucmoa＝f（Icmoa），对于图5所示的实验回路，其回路方程可以描述为以下形式 &&&&&&& 式中，C1为充电电容；C2为调波电容；R为回路中电阻；L为回路中的电感；uc1、uc2、iL分别为充电电容电压、调波电容电压、回路中电感电流。初始条件为：充电电容电压初始值uc1（0-）=U0；调波电容电压初始值uc2（0-）=0；回路中电感电流的初始值iL（0-）=0。C2的值决定了放电时间常数，而C1的充电电压初始值决定了放电后试品上电压的峰值。&&&&&&& 由上述回路方程可分别得到下面两式： &&&&&&& 将可控避雷器的伏安特性代入联立求解式（2）、式（3），可以得到可控避雷器的电流、电压。考虑到可控避雷器的伏安特性进行分段线性化并计及动作时延后，采用数值计算的方法研究可控避雷器在改进实验中的动作特性。对于实验室中已有的冲击电流发生器来说，其充电电容C1、回路中电阻R、回路中的电感L皆为已知量，方程中未知量仅有调波电容C2、负载可控避雷器的伏安特性以及C1电压初始值。所以，设计实验改进回路就是在不同的冲击电容电压下、根据不同额定电压的可控避雷器确定合适的调波电容参数。本文以中国电力科学研究院特高压直流实验基地避雷器实验室中，220kV等级的整支避雷器残压实验的冲击电流发生装置为例，假定负载为一支额定电压为93kV、动作阈值为128kV、可控比为25%的可控避雷器，计算得到C1在不同充电电压Uc1下、试品上电压的波前时间与调波电容C2的对应关系如表1所示。 &&&&&&& 由表1的计算结果可知，在同一充电电压下，C2越大，试品电压的波前时间越长；在同一调波电容下，C1的充电电压越高，试品电压的波前时间越短。通过调整C2的值和C1的充电电压值能够调节电压上升率，但二者有相互制约的关系：若C2太大，则虽可大大延长波前时间，但为了使可控开关电压达到动作阈值，C1的充电电压值也 要相应提高，利用实验室既有设备可能难以实现；若C2太小，则无法起到延长波前时间的目的。因此，在既有设备的基础上设计改进实验回路，使C2的取值在一定范围内变动，根据本文选取的冲击电流发生器回路参数及假定负载的情况，为获得合适的电压上升率且使可控避雷器中流过的冲击电流和电压同时到达峰值，调波电容的取值范围应为0.25~1uF。以调波电容取0.7uF、充电电容电压取300kV为例，计算得到可控避雷器电压、电流与可控开关电压的对应关系如图6所示。从图6中可以看出，冲击电流峰值为3.8kA，可控避雷器的电压在上升过程中不存在明显的电压过冲；当电压瞬时值达到可控避雷器的设计动作阈值时，可控开关经过时延后导通，将可控避雷器的受控元件
短接。可控避雷器的电流和电压同时到达峰值，仿真结果与理论分析相符，该改进实验回路可以满足可控避雷器操作冲击动作特性实验的要求。为了得到不同峰值的冲击电流，调节冲击电流发生器回路中充电电容C1的充电电压，充电电压越高，冲击电流峰值越大。&&&&&&& 冲击电流试验方法中采用的试品因电压等级的不同而不同，≤220kV等级的可控避雷器为整支。对于＞220kV等级的可控避雷器，若试验设备能满足可控部分全尺寸试验要求，则在全尺寸可控部分上进行试验；若不满足要求，则在可控部分尺寸尽可能大的比例元件上进行试验。试验中，需分别检验可控避雷器在正、负极性操作冲击电流0.5、1、2、4kA下的动作特性。 &&&&&&&&&2.3 冲击电压试验方法&&&&&&& 采用冲击电压试验方法检验可控避雷器的动作特性是可控避雷器例行试验的内容之一，是为了在出厂前检验设计的可控避雷器是否能在设计的动作阈值下可靠动作，并检验可控开关的动作时延参数。因此，试验中选择试品为可控避雷器的可控部分，试验中分别施加正、负极性标准冲击电压各3次，峰值为可控避雷器受控元件额定电压峰值的操作冲击电压，试验回路采用冲击电压发生器及其调节和测试回路。&&&&&&& 可控开关动作后，可控部分电压瞬时值直接跌落到零，记录跌落时刻的电压峰值作为可控避雷器的实际动作电压值，测量电压跌落时刻相对于动作阈值时刻之间的时间表，求出测量结果的平均值作为可控避雷器动作时延的实测值。比较动作时延的实测值和设计值，若实测值小于设计值，则认为此参数满足技术指标，可控避雷器能够在设计的动作阈值下可靠动作。 &&&&&&& 3& 试验验证&&&&&&& 为了验证可控避雷器动作特性试验方法的有效性，根据可控避雷器的原理，设计了一台额定电压为93kV、动作阈值为128kV、可控比为25%的110kV电压等级可控避雷器模型，如图7所示，并选用此模型作为试品开展研究。此模型中，可控开关采用基于BOD自触发方式的晶闸管开关导通时延的设计预期值为3us。&&&&&&& 3.1 冲击电流动作特性试验&&&&&&& 试验在特高压直流试验基地避雷器实验室进行，根据220kV等级整支避雷器残压试验的冲击电流发生装置参数及110kV电压等级可控避雷器模型参数，选用的调波电容为0.7uF，由3台电容量2.1uF、额定电压100kV的脉冲电容器串联构成。试验中，分
别测试了避雷器本体、可控避雷器在操作冲击电流下的特性，通过示波器采集避雷器电
压、电流波形，如图8、图9所示。从图8、图9中可以看出，避雷器上的电压和电流几乎同时到达峰值，与理论分析、仿真计算结果相符，证明了操作冲击电流试验方法的有效性。通过该方法进行可控避雷器操作冲击电流动作特性试验，能够验证它是否具备预期的限压效果。&&&&&&& 利用该方法，进行了可控避雷器操作冲击电流动作特性实验，分别测量了在不同冲击电流峰值下可控避雷器的动作时延，结果如表2所示。由表2可知，其实测值均小于设计预期值，此参数满足技术指标。同时，记录了在不同冲击电流峰值下可控避雷器的残压，并与避雷器本体残压进行对比，其对比结果如图10所示，图中标识的数据点为实验数据点，曲线为按指数规律拟合得到的趋势线。从图10中可以看出，与常规避雷器相比，在相同电流下可控避雷器的残压有明显降低，其降低的幅度与设计可控比（25%）接近，可以验证所设计的可控避雷器具有预期的限压效果。 &&&&&&& 3．2 冲击电压动作特性实验 &&&&&&& 实验在中国电力科学研究院高压大厅进行，采用250/2500us正极性标准操作冲击电压波。由于实验中采用的可控避雷器模型额定电压较低，因此采用整支进行实验。当可控避雷器放置在地面、可控部分放置于避雷器低压端时，可控避雷器电压U3和可控部分电压U4的波形如图11所示。图中， &&&&&&&&U30为可控避雷器动作电压值；U40为可控部分动作电压值。&&&&&&&&由图11可知，可控避雷器电压U3上升至其动作阈值后，可控开关经过时延后导通，U4会在瞬间降到0，并一直维持到波尾，U3会在U4下降的同时出现截波，然后再缓慢下降。实测结果表明，可控避雷器动作时延为2.6us，动作电压值U30为133.2kV，相对于动作阈值128kV的误差为+4.1%；U40为32.3kV，相对于动作阈值32kV的误差为+0.9%；通过计算得到可控避雷器模型的可控比为24.2%，与理论设计值的相对误差为+3.2%。可以看出，晶闸管开关导通时延的实测值小于设计预期值，可控避雷器在操作冲击电压下能够可靠动作，且能够在波前动作，证明了冲击电压实验方法的有效性。 &&&&&&& 4& 结论&&&&&&& 1）本文提出了可控避雷器操作冲击动作特性实验方法，检验可控开关的动作时延、可控开关动作前后可控避雷器的残压，采用操作冲击电流和操作冲击电压分别进行实验。&&&&&&& 2）通过在现有残压实验回路中引入调波电容设计出新的冲击电流实验回路，既降低了避雷器上的电压上升率，又保证了电流、电压同时到达峰值，实现了可控避雷器动作特性的冲击电流实验方法。采用冲击电压发生器及其调节和测试回路，实现了可控避雷器动作特性的冲击电压实验方法。
&&&&&&& 3）设计了一种额定电压为93kV、动作阈值为128kV、可控比为25%的可控避雷器模型，并利用此模型作为试品开展研究。结果表明，可控避雷器模型的动作时延实测值均小于设计预期值，其在操作冲击电压下能够可靠动作。与常规避雷器相比，在相同电流下，所设计的可控避雷器模型残压降低的幅度与设计可控比接近，具有预期的限压效果。验证了提出的可控避雷器动作特性实验方法的有效性。 & &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ――摘自《高电压技术》
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