一起SVC 一相可控硅全部擊穿的原因分析

胡建農

(上海梅山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部，江蘇南京 210039)

上海梅山鋼鐵股份有限公司于2001年引進的第二套靜止型動態(tài)無功補償（SVC）系統(tǒng)，系國外的第三代產品，型號為LVVR 30/244，用于對25 MV·A 煉鋼精煉爐（LF 爐）的諧波治理。安裝在LF 爐電源30 kV母線，采用晶閘管控制的電抗器（TCR）＋諧波濾波器（FC）組合而成的靜止型動態(tài)無功補償裝置，由一組容量為22 Mvar的可控硅控制電抗器和22 Mvar 兩組濾波電容器組成。其中可控硅采用雙向可控硅型號為5STB 1365N。使用一段時間后經常發(fā)生穿墻套管的戶外側有放電現(xiàn)象，在采取現(xiàn)場清洗手段后繼續(xù)投運，某日突然發(fā)生“過流保護速斷”動作，檢測后發(fā)現(xiàn)有一相可控硅全部擊穿(ca 相)。

1 SVC 在鋼鐵企業(yè)中的重要性

靜止型動態(tài)無功補償（SVC）裝置是電力系統(tǒng)用于電網諧波治理有效手段，鋼鐵企業(yè)主要用于對熱軋機組、煉鋼精煉爐和煉鋼電弧爐進行動態(tài)無功補償。補償前煉鋼精煉爐所對應的上級變電站110 kV 母線的實際檢測數據為：短時間電壓閃變Pst最大值三相分別為1.594 p.u.，1.531 p.u.，1.496 p.u.，超過允許值，測試期間A 相5 次超標，B 相4 次超標，C 相3 次超標。長時間電壓閃變PltA，PltB，PltC三相別為0.938 p.u.，0.875 p.u.，0.844 p.u.，超過允許值。而三相諧波電壓總崎變率分別為0.72%，0.75%，1%，低于標準2%，各次諧波電流均未超過限值。由此可見煉鋼精煉爐產生的高次諧波對電網影響小，主要是精煉爐負載產生的大量無功引起電壓閃變，頻繁的電壓閃變對電網的污染很大。

諧波治理在過去普遍認為是對電網有利，是解決用戶產生的諧波對電網的污染問題，以及消除由于高次諧波引起的發(fā)熱和能耗[1]。但在上海梅山鋼鐵股份有限公司的實際生產中發(fā)現(xiàn)諧波和閃變會對計算機控制系統(tǒng)產生嚴重影響，造成批量廢品。在計算機控制系統(tǒng)普遍使用的今天，諧波治理更是產品質量的重要保證。

2 可控硅相關技術要求

2.1 可控硅的關鍵參數

供電系統(tǒng)與一般電機拖動系統(tǒng)所使用的可控硅裝置有所不同，供電系統(tǒng)使用的可控硅裝置的特點是電壓高、電流大、外部干擾源多而且復雜的特點。可控硅是SVC的關鍵部件，可控硅的關鍵參數有UDRM，URRM，dV/dt，di/dt。其中可控硅觸發(fā)特性非常關鍵，當門極加入觸發(fā)電流后，元件首先在門極的附近逐漸形成導通區(qū)，并且隨著時間的增長導通區(qū)逐漸擴大直至全部結面變成導通，如在結面還沒有全導通時電流已升到很大，大的電流密度可能在門極的附近的結部發(fā)生過熱使元件損壞[2]。所以規(guī)定通態(tài)臨界電流上升率di/dt 極限值。

2.2 可控硅觸發(fā)裝置

可控硅觸發(fā)是在門極加上大于1.2 V的觸發(fā)信號，經過8～30 μs的時間使可控硅全導通[2]，通常采用脈沖觸發(fā)。目前一般有2 類典型觸發(fā)裝置，一類裝置的結構是集中脈沖觸發(fā)，如圖1 所示。

圖1 集中脈沖觸發(fā)系統(tǒng)圖

集中脈沖觸發(fā)裝置基本原理：脈沖柜接收到控制柜給出的晶閘管觸發(fā)光信號后，驅動脈沖觸發(fā)光電轉換板，將光信號轉換成電信號送給脈沖形成單元。脈沖形成單元是整個脈沖柜的核心部分。在這個單元里，脈沖形成器接收光電轉換單元送來的電信號，通過輸入脈沖前置放大、前沿脈沖控制、前沿脈沖形成、脈沖控制、振蕩、逆變等電路模塊，將其放大形成Tab+，Tab-，Tbc+，Tbc-，Tca+，Tca-6 路方波脈沖信號。6 路強觸發(fā)脈沖通過阻抗匹配電路使脈沖變壓器T1，T2的次級感應出一個脈沖（如圖2 所示），再通過脈沖電纜接到可控硅門極，觸發(fā)可控硅。

圖2 集中脈沖觸發(fā)原理圖

另一類裝置的結構是單閥脈沖觸發(fā)，如圖3 所示。

圖3 單閥脈沖觸發(fā)原理圖

單閥脈沖觸發(fā)裝置基本原理：為每個可控硅閥配一個獨立的觸發(fā)裝置TCU。觸發(fā)裝置TCU的工作電源直接從可控硅閥取用，與外部的聯(lián)絡只有2 根光纖FP，IP，將脈沖形成單元、觸發(fā)控制邏輯單元、緊急觸發(fā)回路和觸發(fā)脈沖檢測回路集成在一起，與可控硅閥裝在一塊電路板上或一個框架上，極短的觸發(fā)脈沖輸出線直接與可控硅閥的門極連接。觸發(fā)裝置接收到控制柜給出的晶閘管觸發(fā)光信號后，F(xiàn)P 將光信號轉換成電信號，通過觸發(fā)控制邏輯單元輸出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)可控硅開通，如圖4 所示。

3 穿墻套管的閃絡與污閃現(xiàn)象

在電力系統(tǒng)線路和設備上發(fā)生放電、閃絡是常見現(xiàn)象，多數是在外部條件發(fā)生變化時，原來絕緣狀態(tài)正常的設備產生放電現(xiàn)象，當外部環(huán)境一旦改變，放電現(xiàn)象隨之消失。也有發(fā)展迅速直至閃弧導致相間短路的故障發(fā)生。上海梅山鋼鐵股份有限公司有一個新建的35 kV 變電站，由于一次設備是按半敞開式設計的，10 kV 絕緣子選用戶內型絕緣子，在一次狂風暴雨中，20 min 內從閃絡發(fā)展到閃弧再到三相短路事故的發(fā)生。

圖4 TCU 原理圖

在重污染區(qū)域，電氣設備經常發(fā)生放電、閃絡現(xiàn)象，由于空氣中污染介質很不穩(wěn)定，往往不容易及時準確判斷。在有關文獻中對絕緣子的沿面局部電弧爬電所導致的局部電弧貫通，因無法解釋絕緣子表面無痕的閃絡現(xiàn)象，歸為不明閃絡。造成絕緣子極間空氣間隙絕緣強度下降的原因，是由于絕緣子周圍空間的空間電荷衍生電場改變了空氣間隙內的場強分布，將絕緣子極間空氣間隙擊穿。當絕緣子附近空間內，由于污染注入空間電荷電量達到一定數量級時，將發(fā)生絕緣子極間空氣間隙擊穿，也可稱為污閃現(xiàn)象。這些與鋼鐵企業(yè)的部分重污染區(qū)域，電氣設備經常發(fā)生的閃絡現(xiàn)象很吻合，應引起高度重視。

4 事故分析

4.1 設備的選型

SVC的穩(wěn)定器TCR的額定容量為22 Mvar，TCR控制系統(tǒng)采用國外廠商自行研制的MACH2 模擬控制系統(tǒng)，SVC的晶閘管閥塔采用單閥脈沖觸發(fā)，為當時普遍采用的成熟技術，其晶閘管元件的門極為“電觸發(fā)”。含BOD 保護，即晶閘管正向電壓超過設計值時的強迫安全導通。晶閘管閥塔與觸發(fā)控制及在線監(jiān)測系統(tǒng)之間采用光纖通信，防止觸發(fā)信號在傳輸過程中受到電磁干擾的問題。晶閘管閥塔采用純水冷卻，占地面積很小。裝置FC 額定容量為22 Mvar，由3 次和5次2 組單調諧濾波器構成，3 次濾波支路容量9 Mvar，5 次濾波支路容量13 Mvar。

雙向可控硅型號為5STB-1365N，VRM（UDRM）=5600 V，VSM=6500 V（最大斷態(tài)浪涌峰值電壓），I=1390 A（70℃），di/dt=24 kA/8.3 ms，每相有16 片串聯(lián)使用。穿墻套管爬電距離為室外1000 mm，室內380 mm。閃絡距離為室外467 mm，室內330 mm。

從主要設備的選型來看，可控硅的各項參數都能滿足工況要求。但穿墻套管選型低于用戶要求的重污染環(huán)境下最小爬電距離，不滿足重污染環(huán)境下穿墻套管戶外絕緣子的最小爬電距離應為1255 mm的要求。導致在正常使用條件下發(fā)生放電現(xiàn)象，同時閃絡距離室外為467 mm，在重污染環(huán)境下易產生污閃現(xiàn)象。

4.2 dV/dt的增大

由于在穿墻套管固定的底板上有一似焊點的痕跡，廠商認為發(fā)生了拉弧現(xiàn)象，由于拉弧造成dV/dt的迅速增加導致。一般認為爬電拉弧其能量應該是相當大的，同時應在絕緣子的表面留下爬電拉弧痕跡。另外如發(fā)生過拉弧就應該有2個灼燒點，另1個灼燒點應是帶電的部分及套管端部的鋁制均壓罩，與底板的灼燒程度來比，鋁制均壓罩上應該留下更重的灼燒痕跡（因為鋁比鐵的熔點低）。但實際情況是，鋁制均壓罩均無灼燒痕跡，穿墻套管的表面也未發(fā)現(xiàn)爬電閃絡痕跡。其故障時所發(fā)生的閃絡應該是污閃現(xiàn)象，污閃現(xiàn)象一般不會產生很大的dV/dt。

在工廠中大量使用可控硅變流設備和電源裝置，設備上時常發(fā)生污閃現(xiàn)象，也沒有發(fā)生導致?lián)舸┛煽毓栝y的事故的記錄。此套設備中使用的穿墻套管其閃絡距離467 mm（室外），在重污染地區(qū)發(fā)生了污閃現(xiàn)象是必然的，但不應該是造成一相可控硅全部擊穿的直接原因。

4.3 di/dt的上升

外商另判定在開狀態(tài)下，由于閃絡引起di/dt 上升，導致可控硅閥全部損壞。一般閃絡現(xiàn)象都發(fā)生在接近于相電壓最大值的瞬間，相電壓的突然降低而引起的回路等效放電電容電流，其特點是衰減快且共振頻率高達數千赫，可產生很高的di/dt。但由于本系統(tǒng)中有大容量的補償電抗器，對放電電容電流有遏制作用，di/dt 不會迅速上升，造成一相可控硅全部擊穿的可能性不大。

4.4 可控硅觸發(fā)裝置的結構

將損壞的可控硅閥打開后，其所拍攝的照片來看，可控硅閥均在門極附近燒壞。外商也懷疑是觸發(fā)脈沖不正常導致可控硅閥部分開通，使可控硅閥全部擊穿。但事故后對所有可控硅觸發(fā)單元進行測試，各單元的性能均正常。

前面分析中將目前國內、國外常用的可控硅觸發(fā)系統(tǒng)歸納為兩大類典型觸發(fā)裝置，一類是集中脈沖觸發(fā)，另一類是單閥脈沖觸發(fā)。單閥脈沖觸發(fā)在進口設備中廣泛使用，本套SVC 系統(tǒng)中的可控硅觸發(fā)裝置是單閥脈沖觸發(fā)。

單閥脈沖觸發(fā)有著多方面的優(yōu)點，特別是脈沖觸發(fā)器輸出與門極之間的距離極短，每個可控硅閥的觸發(fā)器輸出連接線完全一致，使得輸出的觸發(fā)脈沖抗電磁干擾性強，觸發(fā)的同步控制精度高。而“集中脈沖觸發(fā)”裝置從脈沖柜輸出的觸發(fā)脈沖，先經過屏蔽電纜接到可控硅閥組處的脈沖變壓器原邊，再從脈沖變壓器的付邊分別接到每個可控硅閥的門極（有長度差），對觸發(fā)的同步控制精度有影響，抗電磁干擾性相對較差。

2 種觸發(fā)裝置的供電方式存在較大差異，集中脈沖觸發(fā)裝置是由脈沖柜中獨立的電源裝置供給電源，電源裝置的輸出電壓穩(wěn)定。同時裝置中的前沿脈沖控制、前沿脈沖形成、脈沖控制、振蕩、逆變等電路模塊都是在穩(wěn)定的電壓下工作，高壓主回路的波形異常對脈沖觸發(fā)不會產生影響。在脈沖形成到觸發(fā)脈沖輸出前，每相上的脈沖觸發(fā)是同一的（如Tab+）。而單閥脈沖觸發(fā)裝置的每個TCU 單獨取電源，由于電源直接取自可控硅閥兩端，高壓回路的波形受各種因素的影響，必然對TCU的工作電源產生影響。如果在可控硅閥附近的局部放電、閃絡，本相的電壓突然降低，或瞬間為零，必然會對TCU的輸出觸發(fā)脈沖產生影響，是有可能引發(fā)可控硅全部擊穿的。

分析TCU的工作原理，TCU 模塊中含正常觸發(fā)、檢測、恢復保護、保護觸發(fā)單元。正常觸發(fā)時由檢測單元產生的電壓，在FP 光控信號的控制下，輸出一個觸發(fā)電壓Ue，寬度約50 μs的方波脈沖波形觸發(fā)可控硅開通，可控硅閥的開通面積S 達100%，可控硅閥的通流能力為額定電流Id?？煽毓栝y組正常工作。如果出現(xiàn)另一種情況，可控硅閥在觸發(fā)脈沖的前沿觸發(fā)下開始逐漸打開，此時穿墻套管正好產生污閃現(xiàn)象，由于穿墻套管在可控硅閥附近，TCU的工作電源電壓與閃烙電壓一樣突然降低或瞬間為0，從而引起輸出方波脈沖波形變窄的不正常脈沖。

失去持續(xù)觸發(fā)電壓的可控硅閥導通區(qū)面積S 無法逐漸擴大，導致可控硅閥沒有全部開通，可控硅閥的部分開通使閥的通流能力達不到額定電流Id。但可控硅閥一旦打開后，外部負載電流由工況確定，仍保持很大的數值，通流能力的不足使可控硅閥在門極附近燒壞。由于保護單元的脈沖波形是同一工作電源，同時受到污閃引起高壓回路的波形變化干擾，不能使可控硅閥繼續(xù)打開，無法起到保護作用。這應該是造成一相可控硅全部擊穿的真正原因。

5 結束語

通過以上事障原因分析，建議工業(yè)用戶在SVC 選型和使用過程中，注意對重污染環(huán)境下，設備的相關參數合理確定，特別是距離閥組較近的穿墻套管等要提高防污等級。對觸發(fā)系統(tǒng)是單閥脈沖觸發(fā)裝置的SVC，不能在污閃狀態(tài)下繼續(xù)使用，以防同類事故的發(fā)生。

[1]楊志新，楊世海.基于串聯(lián)補償的間諧波抑制技術研究[J].江蘇電機工程，2013，32（2）：38-42.

[2]趙殿甲.可控硅電路[M].北京：冶金工業(yè)出版社.1986：2-79.