淺析18000KW高壓軟起調(diào)試中的問題及改進(jìn)措施

(紫金銅業(yè)有限公司　福建　上杭　364200)

一、問題過程描述

公司30萬噸銅冶煉制氧站，使用1套某公司生產(chǎn)的QB-H10/18000的中高壓電動機(jī)固態(tài)軟起動裝置(帶無功補(bǔ)償裝置)，拖動1臺上海電機(jī)廠生產(chǎn)的16500kW鼠籠式異步電機(jī)，此電機(jī)所帶負(fù)載為1臺CAMERON公司生產(chǎn)的壓縮機(jī)。在調(diào)試過程中，前二次起動電機(jī)高壓軟起正常并旁路運(yùn)行。第三啟動電機(jī)軟起也正常并旁路運(yùn)行，但在運(yùn)行過程中由于其他原因10kV電源總進(jìn)線柜跳閘，由于與軟起裝置并聯(lián)運(yùn)行的無功補(bǔ)償裝置由于沒有及時分閘，使得補(bǔ)償電容器里的高壓直流電通過放電線圈與軟起裝置同時放電，導(dǎo)致軟起柜中零點(diǎn)采樣用的電壓互感器的熔斷器損壞。更換此熔斷器后，送上高壓電進(jìn)行第二次起動時，軟起裝置報(bào)B相晶閘管短路而停機(jī)。經(jīng)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)B相從下往上數(shù)第二組開通電源正半波用的晶閘管陰陽極之間被擊穿，其電阻值為0。

如下圖：(彩色為元件損壞部分)

二、問題分析

(一)零點(diǎn)采樣用的電壓互感器的熔斷器損壞分析

10kV電源進(jìn)線柜跳閘停機(jī)時，與軟起裝置并聯(lián)運(yùn)行的無功補(bǔ)償裝置由于沒有及時分閘使得補(bǔ)償電容器里的高壓直流電通過補(bǔ)償柜里的放電線圈與軟起裝置同時放電。由上圖可知，由于電壓互感器PT1是掛在A相QF1的進(jìn)線端與晶閘管的輸出端，運(yùn)行時跳閘后，QF1、QF2兩臺斷路器是斷開的，因此PT1沒有形成電流回路，從而PT1的熔斷器是不會損壞的。PT2、PT3形成料星型接法，有電流回路。對于直流電來說，電壓互感器的高壓側(cè)線圈就如一根導(dǎo)線，阻抗很低，當(dāng)高壓直流電加在此線圈上必然會引起電壓互感器熔斷器(額定電流為1A)上出現(xiàn)瞬間大電流，而B相熔斷器承受的電流是A、C相熔斷器之和，從而首當(dāng)其沖必然損壞，當(dāng)B相熔斷器損壞開路后A、C相熔斷器的電流串聯(lián)兩臺互感器的線圈，其通過的電流小了一倍，又加上補(bǔ)償電容由于有放電線圈的存在，放電時間是很短的，其電流衰減的很快，此時通過A、C相熔斷器上的電流已不足以達(dá)到損壞熔斷器的程度。因此，就出現(xiàn)了只有B相零點(diǎn)采樣電壓互感器的熔斷器損壞。

(二)晶閘管損壞分析

1.導(dǎo)致晶閘管損壞的條件

晶閘管只有4個原因?qū)е聯(lián)p壞：其一、斷態(tài)和反向不重復(fù)峰值電壓；其二、通態(tài)平均電流；其三、瞬間過電壓，即dv/dt；其四、瞬間過電流，即di/dt。3900A/6500V的反向不重復(fù)峰值電壓為6500V，通態(tài)平均電流為3940A，dv/dt為2000V/us，di/dt為250A/us。如下圖：

2.出現(xiàn)晶閘管損壞工況的判斷

從現(xiàn)場實(shí)際工作情況來看，只有兩種情況下會出現(xiàn)晶閘管的損壞：第一種，晶閘管是在頭一次起動過程中損壞的；第二種，晶閘管是在運(yùn)行過程中出現(xiàn)DCS發(fā)命令使10kV電源進(jìn)線柜跳閘停機(jī)時，與軟起裝置并聯(lián)運(yùn)行的無功補(bǔ)償裝置由于沒有及時分閘使得補(bǔ)償電容器里的高壓直流電通過補(bǔ)償柜里的放電線圈與軟起裝置同時放電而損壞。

(1)晶閘管是在頭一次起動過程中損壞的分析

從頭二次起動的情況來看，起動過程是成功的，并且已旁路運(yùn)行。起動過程中也沒有出現(xiàn)異常情況。那么用排除法來進(jìn)行分析：

①瞬間過電流，即di/dt損壞晶閘管

眾所周知，電感是抑制電流跳變的，而電容是抑制電壓跳變的，像16500kW這種大電機(jī)本身在起動過程中就是一個大電感，要達(dá)到250A/us級的di/dt是不可能的，因此di/dt損壞晶閘管的可能性也可排除(我們公司從事生產(chǎn)電動機(jī)軟起產(chǎn)品近20年來，還沒有出現(xiàn)過di/dt損壞晶閘管的情況)。

②通態(tài)平均電流過大(即過流)損壞晶閘管

從設(shè)計(jì)電流角度出發(fā)，晶閘管的額定電流為3940A，還加裝了65kg左右的鋁型材散熱器，75秒之內(nèi)1.5～2倍(1.5*3940=5910A，2*3900=7880A)的過載能力肯定沒有問題，也就是說當(dāng)電流在5910～7880A持續(xù)75S秒左右均沒有問題。而實(shí)際的起動電流均<3000A，其峰值電流也只有3000*1.414=4242A，其起動時間也在60秒之內(nèi)，因此，是不會因過流而燒晶閘管的。

③斷態(tài)和反向不重復(fù)峰值電壓(即繼續(xù)過壓)過高損壞晶閘管

高壓軟起動裝置中每組晶閘管采用鋁型材散熱器將兩只3900A/6500V的晶閘管反并聯(lián)壓裝成形，5組晶閘管串聯(lián)成一相，共3相組成一臺高壓軟起動裝置。從設(shè)計(jì)耐壓角度出發(fā)，每相晶閘管的耐壓為6500*5=32500V，而實(shí)際的10kV系統(tǒng)每一相的最高電壓為(10000/1.732)*1.414=8164V。每相晶閘管的耐壓是實(shí)際系統(tǒng)可能出現(xiàn)瞬時最高電壓的3倍多。另外，此軟起裝置設(shè)計(jì)了晶閘管過壓情況下的強(qiáng)觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)，即當(dāng)串聯(lián)晶閘管回路里出現(xiàn)一只晶閘管先開通、先關(guān)斷或者均壓系統(tǒng)損壞的情況時，那么此只晶閘管必然會出現(xiàn)過壓。當(dāng)強(qiáng)觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)檢測到晶閘管兩端的電壓高于5000V時，快速將此只晶閘管全開通，那么該晶閘管就相當(dāng)于一根導(dǎo)線，將電壓全放過去，而不會導(dǎo)致該晶閘管因過壓而損壞。因此，在起動的過程中也是不會因過壓而損壞晶閘管的

④dv/dt損壞晶閘管的分析

出現(xiàn)晶閘管損壞的軟起在起動電機(jī)的過程中是有dv/dt的，而晶閘管是很容易因dv/dt而損壞。最好的解決辦法是加裝RC吸收電路。我公司針對大功率軟起裝置采用專業(yè)設(shè)計(jì)的RC吸收電路后，通過數(shù)千臺該類型軟起裝置在現(xiàn)場的成功應(yīng)用證明，在起動過程中出現(xiàn)晶閘管因dv/dt而損壞的概率是相當(dāng)?shù)偷摹?/p>

(2)晶閘管是在運(yùn)行過程中出現(xiàn)DCS發(fā)命令使10kV電源進(jìn)線柜跳閘停機(jī)時，與軟起裝置并聯(lián)運(yùn)行的無功補(bǔ)償裝置由于沒有及時分閘使得補(bǔ)償電容器里的高壓直流電通過補(bǔ)償柜里的放電線圈與軟起裝置同時放電而損壞的情況分析：

從上圖可知，補(bǔ)償電容放電時通過PT1是能夠進(jìn)入晶閘管回路的。從表面上來看，因?yàn)?0kV電源進(jìn)線柜跳閘停機(jī)時QF1、QF2是斷開的，又加上觸發(fā)電路板與低壓回路及地之間是完全層層隔離的，似乎并沒有形成回路，此時損壞晶閘管更無從說起。但是，軟起裝置的RC吸收回路里的電容通過上一次起動是儲存有電荷的，運(yùn)行后又由于是與電機(jī)連通的，該電容里的電荷也無法完全泄放掉。到補(bǔ)償電容對軟起裝置放電時(與高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)所產(chǎn)生的電勢耦合后，其電壓伏值是很高的)，相當(dāng)于高壓直流電對帶電導(dǎo)體放電，對于晶閘管的傷害是很大的。由于每只晶閘管不可能各個方面的性能完全一致，因此，承受能力差的必然導(dǎo)致過壓擊穿。

三、結(jié)論

通過上述分析可知：

1.零點(diǎn)采樣用的電壓互感器的熔斷器損壞是因補(bǔ)償電容對軟起裝置放電而引起的。

2.導(dǎo)致該臺軟起裝置里晶閘管損壞有兩種可能：

①在起動的過程中，晶閘管因dv/dt過高而損壞(此種損壞的可能性極低，但也不能完全排除)；

②在電機(jī)運(yùn)行過程中，晶閘管因10kV電源進(jìn)線柜跳閘停機(jī)時，與軟起裝置并聯(lián)運(yùn)行的無功補(bǔ)償裝置由于沒有及時分閘使得補(bǔ)償電容器里的高壓直流電通過補(bǔ)償柜里的放電線圈與軟起裝置同時放電而導(dǎo)致過壓損壞。此種損壞的可能性很大，通過現(xiàn)場運(yùn)行情況看，調(diào)試過程中已成功起動好幾次，唯獨(dú)補(bǔ)償電容放電后就出現(xiàn)了這僅有的一次損壞晶閘管的情況，就是比較有力的證明。

四、糾正及避免措施

1.更改電氣控制回路，當(dāng)電機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常跳閘時，將軟起裝置里的斷路器和無功補(bǔ)償裝置里斷路器與電源進(jìn)線斷路器同時分閘，杜絕電容對軟起裝置放電而導(dǎo)致?lián)p壞電壓互感器熔斷器與晶閘管的情況發(fā)生。

2.原來PT1掛在QF1的進(jìn)線端與晶閘管的輸出端是考慮到PT1提前建立穩(wěn)態(tài)而設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在將PT1掛在QF1的出線端與晶閘管的輸出端，起動時的前2～3秒中，程序改用電壓斜坡起動。等到起動2～3秒后，再將此反饋進(jìn)入控制。這樣既使補(bǔ)償電容對軟起裝置放電也進(jìn)入不了晶閘管回路，又通過程序的改進(jìn)保證PT1的反饋信號穩(wěn)定后才進(jìn)入控制。如下圖，圖中彩色部分為更改部分。

3.實(shí)踐證明在后來生產(chǎn)過程中，該軟起裝置在電機(jī)啟動及運(yùn)行過程中，即使突然停電也未出現(xiàn)類似故障。