徐建霖，王 晨，甄洪斌，江壯賢

（1. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033，2. 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081）

串聯(lián)晶閘管光纖隔離觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計及試驗

徐建霖1，王 晨2，甄洪斌1，江壯賢1

（1. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033，2. 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081）

本文在闡述串聯(lián)晶閘管主要的觸發(fā)方式的基礎(chǔ)上，針對中壓直流斷路器中10kV脈沖電流回路開關(guān)

晶閘管 串聯(lián) 觸發(fā)電路 光纖 隔離

0 引言

隨著艦船電力系統(tǒng)向著綜合電力系統(tǒng)方向發(fā)展，電站容量急劇增大，電壓等級也將提高至5 kV等級甚至更高，對艦船電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備提出了更高的要求[1-3]。因此，研制艦船用新型中壓直流斷路器非常必要，直流斷路器通常是通過向主回路注入一個反向脈沖電流來實現(xiàn)主電流過零分?jǐn)嗟摹?/p>

中壓直流斷路器中脈沖電流回路的開關(guān)設(shè)計是中壓直流斷路器的關(guān)鍵技術(shù)之一。它的運行特點是電壓高（＞10 kV）、電流峰值大（＞10 kA）、電流上升率高（＞100 A/μs）、脈寬窄、能量釋放迅速[4-6]。晶閘管開關(guān)是較適合于用做斷路器中反向脈沖電流回路的開關(guān)，在直流斷路器中，考慮系統(tǒng)可能出現(xiàn)的過電壓（超過10 kV），仍然不得不采取多個晶閘管器件串聯(lián)來滿足斷態(tài)時的阻斷電壓需要[7-9]。因此，必須對串聯(lián)晶閘管的關(guān)鍵技術(shù)開展研究，其中觸發(fā)電路技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)之一。

串聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路的要求有：1）多路觸發(fā)信號同步性要求；2）每路觸發(fā)電路之間的絕緣要求；3）控制電路與高壓回路之間的絕緣要求。目前，常用的串聯(lián)晶閘管觸發(fā)方式有電磁觸發(fā)方式、光耦觸發(fā)方式、直接光觸發(fā)方式、光電觸發(fā)方式[10-12]。本文設(shè)計制作了一套采用低成本光收發(fā)模塊的光電觸發(fā)系統(tǒng)，試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足該串聯(lián)晶閘管的觸發(fā)要求，能夠可靠觸發(fā)，并且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，其高壓取能電路滿足小電流低功耗要求。

1 串聯(lián)晶閘管主要的觸發(fā)方式

電磁觸發(fā)方式是最常用的串聯(lián)晶閘管觸發(fā)方式，其工作原理是將低電平的觸發(fā)信號經(jīng)脈沖隔離變壓器隔離后送到處于高電位的晶閘管門極。圖1為自制三路晶閘管觸發(fā)板電路圖，采用了電磁觸發(fā)方式。該方式優(yōu)點很多，很好的實現(xiàn)了觸發(fā)脈沖信號的傳輸與高低回路的隔離，由于觸發(fā)系統(tǒng)從低壓回路取電，電壓穩(wěn)定，不受晶閘管主回路的影響，因此能夠輸出較大功率的觸發(fā)信號，具有較好的可靠性。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的脈沖隔離變壓器耐壓已經(jīng)達(dá)到30kV，可以應(yīng)用于更高電壓等級的系統(tǒng)。

圖1 脈沖變壓器隔離觸發(fā)電路

1.2 光耦觸發(fā)方式

光耦觸發(fā)系統(tǒng)是將觸發(fā)脈沖經(jīng)過光耦合器傳輸至高電位脈沖放大電路，脈沖放大后觸發(fā)晶閘管所構(gòu)成的觸發(fā)系統(tǒng)。該方式可隔離上千伏高壓，但是當(dāng)電壓繼續(xù)升高時則難以勝任。該方式仍采用全電路傳輸脈沖，脈沖傳輸受干擾問題不能從根本上解決。此外，有人將電磁觸發(fā)和光耦觸發(fā)結(jié)合在一起，在一些特殊工況下可能有優(yōu)勢，但通常來說性價比不高。

1.3 直接光觸發(fā)方式

直接光觸發(fā)方式就是將觸發(fā)脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷}沖，觸發(fā)高位直接光觸發(fā)晶閘管（LTT）。圖2為直接光觸發(fā)晶閘管實物圖。在直接式光觸發(fā)系統(tǒng)中，可控硅元件可以直接用一定波長、一定能量強(qiáng)度的光脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，電觸發(fā)脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷}沖后，經(jīng)過光纖傳遞直接作用于可控硅元件門極，省去了高電位上的觸發(fā)回路和光-電信號的轉(zhuǎn)化電路，觸發(fā)的可靠性較高。目前，國內(nèi)還沒有生產(chǎn)直接光觸發(fā)晶閘管的能力，經(jīng)市場調(diào)查，有公司進(jìn)口國外閥片進(jìn)行封裝銷售，其產(chǎn)品斷態(tài)重復(fù)峰值電壓達(dá)到8 kV，不重復(fù)浪涌電流達(dá)到100 kA，具有很好的di/dt耐受能力。但是該型晶閘管價格是同規(guī)格普通晶閘管的4～6倍，比較昂貴，多應(yīng)用于新型高壓脈沖電源系統(tǒng)。直接光觸發(fā)晶閘管是未來的發(fā)展方向。

圖2 直接光觸發(fā)晶閘管

1.4 光纖隔離觸發(fā)方式

光纖隔離觸發(fā)就是采用光纖通信技術(shù)，將低壓回路的電脈沖觸發(fā)信號通過光纖發(fā)送模塊轉(zhuǎn)換為光脈沖信號，通過光纖傳送到高壓側(cè)，再通過光纖接收模塊將光脈沖信號還原為電脈沖信號，經(jīng)處理后送至晶閘管門極。該方式優(yōu)點較多：易實現(xiàn)高壓晶閘管閥體的在線監(jiān)測，系統(tǒng)具有理想的電磁抗干擾性能，能夠產(chǎn)生分散性小、前沿陡的門極觸發(fā)脈沖，有利于串聯(lián)晶閘管的同時觸發(fā)，可以采用普通的高壓晶閘管等。

2 串聯(lián)晶閘管光纖隔離觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

串聯(lián)晶閘管作為高壓脈沖電源系統(tǒng)的理想開關(guān)，應(yīng)用于中壓直流斷路器，該中壓直流斷路器高壓脈沖電源系統(tǒng)采用預(yù)充電到10kV的電容器組為電源，由串聯(lián)晶閘管控制電容向負(fù)載進(jìn)行脈沖放電，其運行特點是電壓高，并且持續(xù)承受正向高壓，電流峰值大，電流上升率高，脈寬窄?；谝陨咸攸c采用晶閘管光纖隔離觸發(fā)優(yōu)點很多，系統(tǒng)具有理想的電磁抗干擾性能，能夠產(chǎn)生分散性小、前沿陡的門極觸發(fā)脈沖，有利于串聯(lián)晶閘管的同時觸發(fā)，采用高壓取能電路能夠?qū)崿F(xiàn)高低壓電磁隔離。

首先，事業(yè)單位各部門、人員要明確責(zé)任分工和權(quán)限，除了要設(shè)立部門責(zé)任制之外，還應(yīng)將具體責(zé)任落實到個人。其次，各部門應(yīng)帶頭細(xì)化單位內(nèi)部的各類規(guī)章機(jī)制，強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)管理，爭取每一環(huán)節(jié)都設(shè)有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募s束機(jī)制，為經(jīng)費管控保駕護(hù)航。

晶閘管光纖隔離觸發(fā)系統(tǒng)主要包括閥基電子板(VBE)和晶閘管電子板(TE)兩大部分。本文設(shè)計制作了一套采用低成本光收發(fā)模塊的光電觸發(fā)系統(tǒng)，試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足該串聯(lián)晶閘管的觸發(fā)要求，能夠可靠觸發(fā)，并且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，其高壓取能電路滿足小電流低功耗要求。本文所研究的光纖隔離觸發(fā)系統(tǒng)的觸發(fā)的對象為3只額定6500 V/1300 A晶閘管。系統(tǒng)的原理如圖3所示，VBE板接收控制系統(tǒng)的觸發(fā)命令，將寬度為50 μs的TTL觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)送到光分路器，光分路器將光信號分為三路同時發(fā)送給三路TE板，再通過TE板將光信號轉(zhuǎn)換為電信號觸發(fā)晶閘管。

圖3 晶閘管光纖隔離觸發(fā)系統(tǒng)

閥基電子板（VBE）主要由觸發(fā)系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)及光電、電光轉(zhuǎn)換接口三部分構(gòu)成，其中，觸發(fā)和監(jiān)測部分主要由微處理芯片和可編程器件構(gòu)成，光電、電光轉(zhuǎn)換部分主要由光電器件構(gòu)成。

本文采用的是價格低廉的FBT多模光分路器，參數(shù)為工作波長850 nm，輸入輸出端1×3，分光比1：1：1。其功能為將VBE板的光觸發(fā)信號等分成3路光觸發(fā)信號發(fā)送給TE板。

晶閘管電子板（TE）位于觸發(fā)系統(tǒng)的高壓側(cè)，其功能有從高壓側(cè)取能為自身提供電源，接收VBE板光觸發(fā)信號并轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)過處理后送到晶閘管門極觸發(fā)晶閘管。本文自制TE板主要由高位取能電路、光接收電路和門極觸發(fā)電路構(gòu)成。

3 串聯(lián)晶閘管光纖隔離觸發(fā)系統(tǒng)試驗

根據(jù)中壓直流斷路器高壓脈沖電源系統(tǒng)的要求，按上述VBE板與TE板的功能和工作原理設(shè)計制作了一套完整的晶閘管閥組光電觸發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計了模擬觸發(fā)實驗，并采用三只6500V/1300A高壓晶閘管串聯(lián)進(jìn)行了觸發(fā)實驗。

由于本文設(shè)計的光纖隔離觸發(fā)系統(tǒng)高壓取能回路應(yīng)用于10 kV串聯(lián)晶閘管組件。直接進(jìn)行10 kV等級的觸發(fā)實驗，存在一定風(fēng)險，因此設(shè)計了模擬觸發(fā)實驗，在低壓條件下獲取觸發(fā)信號波形，三路觸發(fā)信號同步性，觸發(fā)延時等參數(shù)，作為10 kV等級觸發(fā)實驗的基礎(chǔ)。

模擬觸發(fā)實驗電路如圖4所示。考慮到真空直流斷路器高壓脈沖電源電壓范圍8～12 kV，因此用2.6～4 mA電流源代替靜態(tài)均壓回路，用10 Ω電阻R代替晶閘管門極。實驗中調(diào)整電流源分別為2.5 mA、4 mA，給VBE板觸發(fā)信號，用示波器同時測量VBE板觸發(fā)信號與TE1、TE2、TE3板的J2端觸發(fā)信號。分析判斷觸發(fā)信號強(qiáng)度、同步性與延時等特性是否滿足要求。

圖4 TE板模擬觸發(fā)測試電路

本文制作了5套光纖隔離觸發(fā)系統(tǒng)。在輸入電流2.6～4 mA條件下，光纖隔離觸發(fā)系統(tǒng)輸入輸出波形如圖5所示，VBE為輸入電流波形，TE1、TE2、TE3為三路輸出電流波形。

圖5 實驗電流波形

串聯(lián)晶閘管觸發(fā)信號的同步性要求多路觸發(fā)信號具有相同的觸發(fā)強(qiáng)度，嚴(yán)格一致的上升沿。以下參數(shù)能夠作為觸發(fā)信號同步性的判斷依據(jù)。

1）觸發(fā)電流峰值Imax。該參數(shù)是觸發(fā)信號強(qiáng)度的主要依據(jù)。

2）觸發(fā)信號階躍時刻的最大時間差Δt′max與觸發(fā)信號達(dá)到峰值的最大時間差Δt′′max之和Δtmax，如圖6所示。該參數(shù)考慮了觸發(fā)信號兩個拐點影響，能夠很好反應(yīng)觸發(fā)信號上升沿的差異。

圖6 觸發(fā)信號時間差定義

實驗測量5套光纖隔離觸發(fā)系統(tǒng)三路TE輸出電流的峰值Imax，脈沖寬度，電流上升到320 mA的時間tr，三路TE板輸出信號階躍時刻的最大時間差與觸發(fā)信號達(dá)到峰值的最大時間差之和Δtmax，VBE板信號峰值時間與TE板信號峰值時間的最大時間差Δt′。其結(jié)果如表1所示。

由表1實驗結(jié)果可知：

1）Imax的最小值為396 mA，最大值為536 mA，均高于參考值320 mA；tr最小值為0.55 μs，最大值為0.98 μs，范圍覆蓋了參考值0.7 μs。觸發(fā)脈沖寬度最大值為52.3μs，最小值為51.5μs，均大于50 μs。因此該系統(tǒng)觸發(fā)信號強(qiáng)度滿足晶閘管觸發(fā)要求。

表1 光纖隔離觸發(fā)系統(tǒng)實驗結(jié)果

2）Δtmax最大值為440 ns，遠(yuǎn)大于晶閘管的上升時間。因此該觸發(fā)系統(tǒng)滿足觸發(fā)同步性要求。

3）VBE板信號峰值時間與TE板信號峰值時間的最大時間差Δt′最大值為2μs，最小值1.04 μs，該系統(tǒng)延時微秒級別，延時分散性小，因此滿足系統(tǒng)要求。 綜上，經(jīng)過實驗測試對各系統(tǒng)TE板進(jìn)行配對后，該觸發(fā)系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計要求。將該觸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用于中壓直流斷路器10 kV脈沖電源系統(tǒng)進(jìn)行了串聯(lián)晶閘管組件觸發(fā)放電實驗，多次實驗均成功觸發(fā)，晶閘管均壓達(dá)到預(yù)期要求。

4 小結(jié)

針對中壓直流斷路器反向脈沖電流回路開關(guān)的要求，設(shè)計并制作了串聯(lián)晶閘管光纖隔離觸發(fā)系統(tǒng)，成功應(yīng)用于中壓直流斷路器10 kV脈沖電流回路中。該系統(tǒng)采用低成本光收發(fā)模塊，結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低，具有理想的電磁抗干擾性能，能夠產(chǎn)生分散性小、前沿陡的門極觸發(fā)脈沖，有利于串聯(lián)晶閘管的同時觸發(fā)。采用高壓取能電路能夠?qū)崿F(xiàn)高低壓電磁隔離，通過模擬實驗驗證了系統(tǒng)的有效性與可靠性。

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Design and Test of Series Thyristor Optical Fiber Isolation Trigger System

Xu Jianlin1, Wang Chen2, Zhen Hongbin1, Jiang Zhuangxian1

(1. Electrical Engineering Institute, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. The 54th Research Institute
of CETC, Shijiazhuang 050081, China)

This article described the main trigger mode of series thyristor, and designed a series thyristor optical fiber isolation trigger system according to the request of development of 10kV Pulse current circuit switch in medium voltage DC circuit breaker. At the same time it carried out the research in series thyristor trigger circuit. The validity and reliability of the trigger system was proved by simulation experiment.

thyristor; in series; trigger circuit; optical fiber; isolation

TM471

A

1003-4862（2016）12-0010-04

2016-07-08

國家自然科學(xué)基金（51207166，51307179，51377166）。

徐建霖(1979-)，男，碩士，講師。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。

的研制要求，設(shè)計了一套串聯(lián)晶閘管光纖隔離觸發(fā)系統(tǒng)，同時對串聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路進(jìn)行了研究，并且通過模擬實驗驗證了該觸發(fā)系統(tǒng)的有效性與可靠性。