直觉防反峰——高压继电器

前言

在脉冲功率系统中通过电感将高压电源与储能电容切断是最符合直觉的防反峰手段，但在实际应用中往往有许多局限性，也有许多容易忽视的问题，下面我们来逐一分析。

更新历史

2020年2月23日 - 初稿

作者：海伏科技——小涛（转载注明出处）
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高压继电器保护高压电源原理

图1：高压继电器防反峰

此文章为《高压电源反峰防护》的补充，关于什么是反峰，以及反峰为什么会损坏电源请查看：https://www.hvtop.com/class/51

如图1所示：高压继电器左侧是高压电源及起到保护作用的续流二极管及限流电阻；右侧是储能电容、脉冲开关及脉冲负载。既然在放电时刻容易损坏高压电源那么直接将高压电源输出切断就可以保护高压电源。所以说高压继电器是最符合直觉的防反峰手段。

使用高压继电器防反峰的隐患

海伏科技在进行客户现场服务中发现，使用高压继电器作为防反峰手段的系统中，超过一半的故障都是由于高压继电器被击穿导致系统故障，而高压继电器一端连接着控制系统、一端连接着高压储能电容、一旦出现问题就会导致储能电容异常放电，导致非常严重的后果，所以一定要保证高压继电器的可靠、确保万无一失。

高压继电器耐压

请思考一个问题：假设上述系统的充电电压为10kV，应该选用多高耐压的高压继电器呢？

可能有的朋友认为，选用高于10kV的高压即可，这就是一个常见的误区，分析这样一个工况：当高压电源充电完成后断开高压继电器，此时高压电源由于内部有储能电容，电压会缓慢跌落；而同时右侧脉冲开关K导通，储能电容C上最大可以出现-10kV的反峰；这样加在高压继电器两端的电压足足有20kV，是系统电压的2倍。

另外需要注意的是，高压继电器控制端（通常是驱动线圈）隔离电压

高压继电器外壳是否需要接地

高压继电器的触点连接着高压电位、线圈连接着控制系统电位，通常控制系统是弱电，其电压通常在地电位附近；如果高压继电器外壳不接地的话其外壳上就会积累电荷，虽然外壳和控制级通常是绝缘的，但绝缘能力十分有限只有几千伏，当外壳上的电荷积累到一定程度时就会对控制系统放电。所以高压继电器外壳需要可靠接地，将感应出的静电荷释放掉。

但是使用隔离电源驱动的高压继电器外壳除外、可以不接地将在下文中解释。

脉冲功率系统动作时序

带有高压继电器的脉冲功率系统，一个标准的工作时序如下：

1. 高压继电器闭合高压电源启动为储能电容充电；
2. 充电结束达到设定电压后关闭高压电源输出；
3. 切断高压继电器；
4. 触发脉冲开关，对脉冲负载进行放电；
5. 放电结束后检测电容电压，确认电容中没有负压之后闭合高压继电器准备下次充电；

上述时序中有几个容易忽视的问题，需要引起注意：

1. 由于高压继电器闭合需要一定的时间，根据高压继电器类型的不同通常为2-100毫秒，如果闭合高压继电器的同时启动高压电源，就会出现高压电源空载运行几个毫秒之后，再接通高压继电器，在高压电源中就会出现一个电压冲击。需要在闭合高压继电器之后加入一定的延迟，等待高压继电器完全闭合后再启动高压电源。
2. 由于高压继电器的电流切断能力通常较弱，如果在充电过程中异常放电高压继电器是无法顺利切断高压电源输出的，要保证触发开关有足够的耐压，不要自击穿触发。
3. 放电结束后不要立即闭合高压继电器，如果此时储能电容中存在反峰电压，依然会造成高压电源的损坏。需要检测高压电容中的电压确认没有反压之后方可闭合高压继电器。

海伏科技额外的建议

高压继电器的隔离电压

通常将控制系统与触点之间的耐压称为隔离电压，在高压继电器的选用、安装时一定要确保隔离电压足够。因为一旦隔离电压不足充电过程中，储能电容会对控制系统放电造灾难性的后果。

结构设计安装是需要考虑高压的位置，预留足够的安全距离，如果使用的是开放式高压继电器为避免污染造成沿面闪络，需要增加防尘防污措施。如果条件允许将高压继电器整体浸没在绝缘油中是个不错的选择。

使用隔离电源对高压继电器供电

传统工控领域通常使用中间继电器进行隔离，一般的中间继电器隔离电压只有3kV左右，但是对于脉冲功率系统来说3kV的隔离电压是远远不够的，所以如果选择隔离供电一定要保证隔离电压大于脉冲功率系统的工作电压。

高压继电器使用隔离电源供电之后其外壳可以不接地，只需对隔离电源的外壳接地即可，高压继电器外壳悬浮，即使隔离异常也会有隔离电源这道防护，相当于为高压继电器额外增加了一道保护措施。

鉴于市面上很难选到高隔离电压的隔离电源，海伏科技在系统集成的过程中开发了一系列高隔离电压的电源，可以根据具体的电压及输出功率不同选用具体的形式。有高频隔离的（小体积）、也有工频隔离的（简单易用）。

图2：海伏科技高频高压隔离变压器

总结

使用高压继电器切断输出防反压虽然符合直觉，但实际使用时仍有许多需要注意的问题：

• 对于电过程中异常放电高压继电器来不及响应需要保留限流电阻及续流二极管；
• 高压继电器触点间的耐压需要达到系统电压的二倍；
• 高压继电器的隔离电压非常重要一定要保证高压继电器有足够的隔离电压；
• 使用隔离供电时要保证隔离电源的隔离电压大于系统电压；
• 高压继电器闭合之前一定要确保电容中是没有反压。

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