直覺防反峰——高壓繼電器

前言

在脈沖功率系統中通過電感將高壓電源與儲能電容切斷是最符合直覺的防反峰手段，但在實際應用中往往有許多局限性，也有許多容易忽視的問題，下面我們來逐一分析。

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2020年2月23日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉載注明出處）
閱讀原文 - http://www.sztoxda.net/class/61

高壓繼電器保護高壓電源原理

圖1：高壓繼電器防反峰

此文章為《高壓電源反峰防護》的補充，關于什么是反峰，以及反峰為什么會損壞電源請查看：http://www.sztoxda.net/class/51

如圖1所示：高壓繼電器左側是高壓電源及起到保護作用的續流二極管及限流電阻；右側是儲能電容、脈沖開關及脈沖負載。既然在放電時刻容易損壞高壓電源那么直接將高壓電源輸出切斷就可以保護高壓電源。所以說高壓繼電器是最符合直覺的防反峰手段。

使用高壓繼電器防反峰的隱患

海伏科技在進行客戶現場服務中發現，使用高壓繼電器作為防反峰手段的系統中，超過一半的故障都是由于高壓繼電器被擊穿導致系統故障，而高壓繼電器一端連接著控制系統、一端連接著高壓儲能電容、一旦出現問題就會導致儲能電容異常放電，導致非常嚴重的后果，所以一定要保證高壓繼電器的可靠、確保萬無一失。

高壓繼電器耐壓

請思考一個問題：假設上述系統的充電電壓為10kV，應該選用多高耐壓的高壓繼電器呢？

可能有的朋友認為，選用高于10kV的高壓即可，這就是一個常見的誤區，分析這樣一個工況：當高壓電源充電完成后斷開高壓繼電器，此時高壓電源由于內部有儲能電容，電壓會緩慢跌落；而同時右側脈沖開關K導通，儲能電容C上最大可以出現-10kV的反峰；這樣加在高壓繼電器兩端的電壓足足有20kV，是系統電壓的2倍。

另外需要注意的是，高壓繼電器控制端（通常是驅動線圈）隔離電壓

高壓繼電器外殼是否需要接地

高壓繼電器的觸點連接著高壓電位、線圈連接著控制系統電位，通常控制系統是弱電，其電壓通常在地電位附近；如果高壓繼電器外殼不接地的話其外殼上就會積累電荷，雖然外殼和控制級通常是絕緣的，但絕緣能力十分有限只有幾千伏，當外殼上的電荷積累到一定程度時就會對控制系統放電。所以高壓繼電器外殼需要可靠接地，將感應出的靜電荷釋放掉。

但是使用隔離電源驅動的高壓繼電器外殼除外、可以不接地將在下文中解釋。

脈沖功率系統動作時序

帶有高壓繼電器的脈沖功率系統，一個標準的工作時序如下：

1. 高壓繼電器閉合高壓電源啟動為儲能電容充電；
2. 充電結束達到設定電壓后關閉高壓電源輸出；
3. 切斷高壓繼電器；
4. 觸發脈沖開關，對脈沖負載進行放電；
5. 放電結束后檢測電容電壓，確認電容中沒有負壓之后閉合高壓繼電器準備下次充電；

上述時序中有幾個容易忽視的問題，需要引起注意：

1. 由于高壓繼電器閉合需要一定的時間，根據高壓繼電器類型的不同通常為2-100毫秒，如果閉合高壓繼電器的同時啟動高壓電源，就會出現高壓電源空載運行幾個毫秒之后，再接通高壓繼電器，在高壓電源中就會出現一個電壓沖擊。需要在閉合高壓繼電器之后加入一定的延遲，等待高壓繼電器完全閉合后再啟動高壓電源。
2. 由于高壓繼電器的電流切斷能力通常較弱，如果在充電過程中異常放電高壓繼電器是無法順利切斷高壓電源輸出的，要保證觸發開關有足夠的耐壓，不要自擊穿觸發。
3. 放電結束后不要立即閉合高壓繼電器，如果此時儲能電容中存在反峰電壓，依然會造成高壓電源的損壞。需要檢測高壓電容中的電壓確認沒有反壓之后方可閉合高壓繼電器。

海伏科技額外的建議

高壓繼電器的隔離電壓

通常將控制系統與觸點之間的耐壓稱為隔離電壓，在高壓繼電器的選用、安裝時一定要確保隔離電壓足夠。因為一旦隔離電壓不足充電過程中，儲能電容會對控制系統放電造災難性的后果。

結構設計安裝是需要考慮高壓的位置，預留足夠的安全距離，如果使用的是開放式高壓繼電器為避免污染造成沿面閃絡，需要增加防塵防污措施。如果條件允許將高壓繼電器整體浸沒在絕緣油中是個不錯的選擇。

使用隔離電源對高壓繼電器供電

傳統工控領域通常使用中間繼電器進行隔離，一般的中間繼電器隔離電壓只有3kV左右，但是對于脈沖功率系統來說3kV的隔離電壓是遠遠不夠的，所以如果選擇隔離供電一定要保證隔離電壓大于脈沖功率系統的工作電壓。

高壓繼電器使用隔離電源供電之后其外殼可以不接地，只需對隔離電源的外殼接地即可，高壓繼電器外殼懸浮，即使隔離異常也會有隔離電源這道防護，相當于為高壓繼電器額外增加了一道保護措施。

鑒于市面上很難選到高隔離電壓的隔離電源，海伏科技在系統集成的過程中開發了一系列高隔離電壓的電源，可以根據具體的電壓及輸出功率不同選用具體的形式。有高頻隔離的（小體積）、也有工頻隔離的（簡單易用）。

圖2：海伏科技高頻高壓隔離變壓器

總結

使用高壓繼電器切斷輸出防反壓雖然符合直覺，但實際使用時仍有許多需要注意的問題：

• 對于電過程中異常放電高壓繼電器來不及響應需要保留限流電阻及續流二極管；
• 高壓繼電器觸點間的耐壓需要達到系統電壓的二倍；
• 高壓繼電器的隔離電壓非常重要一定要保證高壓繼電器有足夠的隔離電壓；
• 使用隔離供電時要保證隔離電源的隔離電壓大于系統電壓；
• 高壓繼電器閉合之前一定要確保電容中是沒有反壓。

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