电力系统电气设备安装与调试的技术分析

侯继文

（巴彦淖市电业局杭后分局，内蒙古 巴彦淖尔 015400）

0 引 言

电力系统电气设备的安装与调试的技术性，主要体现在整个电气设备的驱动回路中。如果驱动信号没有按时到达指定的动作位置，则相应的机械硬件就不会作出相应的动作，从而无法实现整个电气设备的连贯性运行。

1 电力系统电力设备安装与调试的主要问题和要求

1.1 驱动电路需要注意的问题

在经过逆变电路的整流滤波后，将直流电通过电流互感器使用多条通道输出到驱动电路的输入端[1]。该电路需要使用7个互不影响的电源来对电路提供能量。根据之前的设定值，其中正向电压为18 V，反向电压为-5 V。同时，考虑到IGBT的工作稳定性和芯片的耐压值，给其施加5 V的驱动电压。

在保护措施方面，HCPL316J的第2管脚始终作为接地线的端口使用。搭建芯片的外围电路时，要将IGBT的其中一段进行接地处理，避免其中的一个器件误导通时，使桥臂发生短路，最终造成器件损坏。此外，要从电路运行的控制方面着手，调控IGBT的通断恢复时间，以求上、下管无法同时导通而形成双重保护。

该芯片的一个特点是能够兼容TTL/CMOS电平。所以，在驱动电路部分的接口，可以在不外加辅助电路的条件下，接收控制电路的输出量[2]，如PWM信号。为了方便起见，整个驱动电路使用全局复位。实际运行时，整个驱动电路的复位脉冲通过或门输出，以一个信号输出至控制器的复位端口。故障自检脉冲和复位信号相同，汇总后发送到控制器的接收端口。

1.2 IGBT的开关特性以及要求

根据IGBT的一些有关特性，在实际开发驱动电路时，需要对其导通条件、元件耐压峰值以及线路过电压引起的误导通做具体分析。当正偏置电压UGE保持在一定值时，通态电压UCE不受其他因素影响，只随着集电极电流的增长而升高。反应时间越长，导通耗损就会越大。为了避免因为电压过高而使元件损坏，门极电压应控制在25 V以内。为了安全起见，本课题选择将该值设定为18 V。

1.3 串联电阻RG的影响

门极电阻RG主要作IGBT切换工作状态时的辅助器件使用。当选择阻值较大的电阻时，会使IGBT的工作效率下降；当选择数值较小的RG时，又会使线路的过电流上升，对电路造成更多的耗损、噪音以及IGBT的误导通。此外，要考虑IGBT的具体参数和栅极电路的具体形式。

综上所述，IGBT对驱动电路要求有：

①IGBT属于电压型器件，其通断由电压触发进行。它的最大可承载电压不超过5.5 V，需要在输入端串联一个容性负载。同时，IGBT反应非常灵敏，当栅极电荷集聚较多时，有可能被触发。所以，驱动电路的搭建除了要保证稳定性外，还要尽量减少连接线（低阻抗）的使用[3]。

②栅极的驱动电压源高效可靠，使IGBT始终保持在饱和状态，避免器件的耗损。在对外接电容充电时，要选择容量小的电流源进行，降低IGBT在交替通断时的耗损。

③驱动电路能输出较宽的脉冲频率。④驱动电路要确保作为一个独立的部分供系统使用。⑤驱动电路要可靠稳定，且在线路设计时尽量简单优化，以求减小线路耗损。

1.4 IGBT过压的原因及抑制

当IGBT关断时，电路中会产生大量的反向电流，与导通时回路中的正向电流作用产生杂散电感，导致电路电压升高，产生开关浪涌电压，最终使得IGBT关断时的电压超出了反向偏置安全工作区域RBSOA，对IGBT造成耗损。

目前，大多通过改变电路的走线方式来尽可能降低主回路中产生的寄生电感，从而实现对过电压的控制[4]。具体实施时，在确保线路连接正确的前提下，应尽量少使用外接线。

1.5 IGBT的过流保护

在IGBT的实际使用中，首先对其工作电流进行分析，选择合适的器件。其次，在满足器件正常运行的前提下，可以允许产生一定值的过电流。当系统发生故障时，器件所承受的涌浪电流可以通过搭建闭环回路来解决。而当逆变电路中的桥臂发生短路时，IGBT所承受的故障电流非常高，会导致器件被烧坏。当这种过载现象发生时，需要对IGBT搭建一个快速保护电路。

在逆变电路部分，由两个交叉的IGBT组成一个桥臂，一共两组。若系统发生故障或者是器件误导通，使同一个桥臂上的两个IGBT同时处于通态，就会造成该桥臂短路。短路后，两个器件需要承载较大的涌浪电流，可能会烧坏器件。

1.6 短路保护电路的要求

（1）电路运行可靠稳定。在器件失效之前完成IGBT的关断。对于IGBT所经历的所有工作状况，它应该是成立的。

（2）依托IGBT的基本特性构建电路，原则上不影响其性能[5]。

（3）可以检测到较多种类的短路故障。

（4）对于由快速通断产生的噪声和电磁干扰，有一定的排除能力。

2 电力系统电力设备调试的技术分析

2.1 集成光电隔离驱动模块HCPL-316J

搭建围绕IGBT的驱动电路以及其过电流保护电路时，在保证系统正常运行的前提下，还要尽量缩短开发时间和研究成本。目前市面上使用频率最多的驱动电路都会存在一些缺陷，综合之前系统对驱动电路的几个要求，本课题使用光电耦合驱动器件HCPL-316J作为核心来搭建驱动电路。该芯片是由AGILENT公司生产的复合型集成芯片，内部带有故障自检反馈电路，可以实现对整个驱动电路的保护。

（1）器件特性。兼容CMOS/TTL电平；光隔离，故障状态反馈；开关速度最大500 ns；“软”IGBT关断；VCC检测自锁保护；宽工作电压范围15～30 V；用户可配置自动复位、自动关闭。

（2）芯片管脚及其功能介绍，如表1所示。

该器件主要分为两个主要的功能区域。当输入信号接入上部光电隔离器LED1后输出时，会触发保护隔离区域工作；当该信号从下部光电隔离器LED2输出时，使驱动隔离区域运行。

基本工作原理如下。

（1）正常工作时。基准电压为低电平，将第7管脚的电压和基准电压7 V作比较，输出为低电平；第5管脚FAULT点的电位保持在逻辑0位置，即为低电平；而信号点E的电平高低由LED1控制。整个系统由三个点位的电平调控，主要通过两个互锁器实现单状态输出，输出电压即为电源的供电电压。

（2）实现保护功能时。①欠压保护。当第13管脚的检测电压小于12 V时，回路中的UVLO保护和第14管脚端的保护被启动，将输入端的A点置为0，确保输出电压一直恒定在低电平，锁定晶体管，避免栅源电压无法满足IGBT的正常导通需求而使器件损坏。当检测到该值大于12 V后，系统自动解除锁定，恢复运行。②退饱和故障检测保护。IGBT处于通态时，由于线路的杂散电感产生过流现象，发射极和集电极之间的电压迅速增高。该值大于安全工作范围时，退饱和故障自检电路开始运行。此时，DASAT管脚处的电压大于7 V。电路将第5管脚角的电平置为1，输入端两个点位都置0，三级复合达林顿管和50*DMOS管进行自锁，同时触发1*DMOS管来对输入端进行放电，直至栅源电压控制在2 V后，50*DMOS管重新被激活，并将栅源电压截断在第9、10管脚处。当接收到LED1的闭锁信号时，FAULT再变为低电平。整个过程实现了器件软关断。它不同于强制关断，采用这种关断方式可以增加器件的使用寿命。整个保护完成所使用的时间在学术上称之为退饱和故障检测消隐时间，具体数值为：

表1 HCPL-316J各管脚功能表

tblank值反映出第14管脚DESAT在检测到系统内问题后，最多需要的响应时间，即实际运行IGBT时，当系统检测到集电极和发射极之间的电压急剧上升，该保护会在tblank后启动。如果在IGBT切换工作状态时发生此类现象，DESAT二极管的响应时间会因为其管件中的寄生电容而缩短。一般都将该时间设置在保护盲区，从而在极短的时间内对系统的过流故障做出反应。

设计保护电路时，VCE的取值也很重要。如果取值较大，会限制电路的安全工作时间。反之，取值太小会令保护电路过于灵敏，造成误动作。具体的取值主要通过改变外接二极管的个数来实现[6]，如图1所示。

（3）器件功能分析。HCPL316J作为复合型集成元件，实际使用时非常方便。依据实际要求，可以自主切换输入端电平的高低。同时，该芯片可以实现自主复位，内部拥有故障自检系统和退饱和电压检测系统，对芯片的使用形成双重保护。此外，对CMOS/TTL电平兼容，还使用软关断对器件进行保护，实现故障脉冲的输出独立化。最大驱动电流可达3 A，最大驱动电流IA=150 A、VCE=1 200 V，开关速度快，可以正常运行的电压范围较大，最高可达到30 V。实际驱动电路如图2所示。

图1 逻辑电路原理图

图2 HCPL316J驱动电路

Vin+和Vin-是芯片的两个驱动信号，分别在芯片的第1、2管脚输入。其中，经过内部的光耦隔离后，从第11管脚输出，其波形和VIN1相同。当IGBT处于正向通态时，栅源电压为VCC2；关断后，电压为VEE。输出端的3个小电容主要是为开关瞬时切换通断时提供电能。电容Cblank主要负责记录IGBT发生故障后HCPL316J的整个响应时间，主要根据故障排除时电容内储能的大小来计算。第7管脚外接的上拉电阻Rl和C2，主要是为了使系统对故障脉冲的识别更加精确。同时，为了防止门极发生故障导致IGBT受损，在栅射极之间加装一个下拉电阻R4，可以负载650 μA左右的静态电流。R2主要是吸收芯片在DDESAT脚上的外抽电流。它和Cblank、DDESAT在IGBT的集电极发生短路时，对器件形成保护。

3 结 论

海绵城市理论对于一个城市的发展至关重要。所有设计中，必须考虑对该地区地质结构的影响。也就是说，在对一个地区进行前期侦测时，要确保整个地区的地质结构能够满足该道路的铺设条件。比如，如果该地区的地质结构属于泥沙性质，铺设新型的可以渗水的道路就会造成该地区的水土流失，造成更严重后果的地质问题，且长时间的水土流失还会导致整个道路的塌陷，从而影响整个道路的正常运营。