大型水電站勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜典型故障分析及改進(jìn)

王 靜，王志周，王 嘯，王寶星，陶 坡

[南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

近年來，隨著電力系統(tǒng)發(fā)展突飛猛進(jìn)，電力系統(tǒng)是否穩(wěn)定可靠運(yùn)行愈發(fā)重要，而大型水電站是電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是大型水電機(jī)組重要的組成部分，對發(fā)電機(jī)及整個(gè)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行起著極其重要的作用[3]。功率柜是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)重要部分，對功率柜常見的故障進(jìn)行分析，在日常對設(shè)備維護(hù)的過程中，可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)隱患從而提前消除故障，能更好地保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文將結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況對勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜的幾個(gè)典型故障進(jìn)行分析并針對性地提出功率柜維護(hù)建議。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜典型故障

勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜一般由6只晶閘管三相全控整流橋、阻容吸收裝置以及冷卻系統(tǒng)組成。功率柜故障主要是指其完全失去或部分失去整流功能，阻容吸收故障和冷卻系統(tǒng)故障最終都會(huì)反映在整流橋晶閘管故障上[1]。

功率柜三相全控整流橋工作原理見圖1。

圖1 三相全控整流橋Fig.1 Three phase fully controlled rectifier bridge

如圖1所示，正常觸發(fā)是按1、2；3、2；3、4；5、4；5、6；1、6順序?qū)?。一個(gè)周期360L°，每個(gè)階段導(dǎo)通60L°，共分6個(gè)階段[4]。

1.1 功率柜晶閘管失效故障

功率柜一般由6個(gè)晶閘管組成，6個(gè)晶閘管組成三相全控整流橋。當(dāng)整流回路發(fā)生過壓或者過熱時(shí)，單個(gè)或多個(gè)晶閘管就可能失效導(dǎo)致整流橋一個(gè)橋臂或多個(gè)橋臂停止導(dǎo)通[2]。

某電廠機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓異常，電壓波形中少一個(gè)波頭。調(diào)取故障錄波發(fā)現(xiàn)，整流柜在報(bào)轉(zhuǎn)子過壓時(shí)晶閘管缺相運(yùn)行，波形如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場晶閘管失效運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)電流波形Fig.2 Current waveform of excitation transformer high voltage side during field SCR failure operation

如圖3和圖4所示，利用仿真軟件分析整流橋-A（SCR4）相失效情況下，仿真勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)波形與圖2故障錄波波形一致。

圖3 仿真電路Fig.3 Simulation circuit

圖4 -A相失效仿真勵(lì)磁變高壓側(cè)波形Fig.4 Excitation transformer high voltage side waveform of -A phase failure simulation

從圖2故障波形可以看出在紅線時(shí)刻，晶閘管-A相沒有觸發(fā)導(dǎo)通，-C無法換相到-A。晶閘管觸發(fā)保持之前觸發(fā)狀態(tài)，由+B、-C（3、2）繼續(xù)導(dǎo)通，所以電流波形保持上一觸發(fā)狀態(tài)不變，到下一階段+B換相到+C，+C、-C同相導(dǎo)通，電壓輸出為0，導(dǎo)致這一階段無電流輸出，所以三相電流在這一時(shí)刻電流都回到零點(diǎn)。再到下一階段-C換相到-B，正常導(dǎo)通，電流也恢復(fù)正常。

現(xiàn)場經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)功率柜-A相晶閘管，GK極之間電阻無窮大，晶閘管阻斷，對兩個(gè)晶閘管組件進(jìn)行更換后，開機(jī)測試轉(zhuǎn)子電壓波形恢復(fù)正常。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)2個(gè)拆開的晶閘管中心門極觸發(fā)處都有一個(gè)黑點(diǎn)，晶閘管的等效電路是由兩只晶閘管構(gòu)成，門極所對應(yīng)的晶閘管做觸發(fā)用，目的是當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)將其放大，然后盡快地將主晶閘管導(dǎo)通，然而在短時(shí)間內(nèi)如果電壓過大，主晶閘管還沒有完全導(dǎo)通，有較大的電流通過相當(dāng)于門極的晶閘管流過，而門極的晶閘管的承載電流的能力是很小的，所以造成此門極晶閘管燒壞，表面看就是門極或放大門極附近燒成一小黑點(diǎn)。

圖5 晶閘管門極過流損壞Fig.5 SCR gate overflow damage

1.2 功率柜晶閘管過熱擊穿故障

功率柜晶閘管工作時(shí)需流過較大電流，晶閘管本身會(huì)產(chǎn)生較大熱量，所以功率柜需配置冷卻系統(tǒng)一般由冷卻風(fēng)機(jī)通過強(qiáng)迫風(fēng)冷實(shí)現(xiàn)。如果風(fēng)道堵塞或者風(fēng)機(jī)停風(fēng)導(dǎo)致空氣不能流通，使晶閘管的熱量不能隨空氣流通盡快散出，最終會(huì)使晶閘管過熱而擊穿，并在擊穿時(shí)會(huì)發(fā)生短路導(dǎo)致橋臂支路過流而使得與晶閘管并聯(lián)的快熔熔斷而使支路停止工作。

晶閘管過熱擊穿一般會(huì)在晶閘管邊緣某處出現(xiàn)一個(gè)燒損的缺口，如圖6所示由于現(xiàn)場功率柜頂部出風(fēng)口堵塞導(dǎo)致柜內(nèi)空氣無法流通，最后晶閘管過熱擊穿。

圖6 晶閘管過熱擊穿Fig.6 Overheat breakdown of SCR

1.3 功率柜內(nèi)部短路故障

功率柜內(nèi)部短路故障是指，功率柜正常整流工作時(shí)，由于有異物或部分過壓造成局部放電導(dǎo)致短路，由于功率柜工作時(shí)電壓電流較大，如果發(fā)生短路將會(huì)伴隨起火，對功率柜造成嚴(yán)重?fù)p壞。所以功率柜故障也是功率柜最嚴(yán)重的故障。

由于功率柜內(nèi)積灰多導(dǎo)致閃絡(luò)或柜內(nèi)存在異物導(dǎo)致相間短路，此短路會(huì)導(dǎo)致部分整流元器件損壞，使得事故擴(kuò)大化。現(xiàn)分析一個(gè)案例，現(xiàn)場由于異物導(dǎo)致晶閘管散熱器發(fā)生相間短路，并產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象造成短路現(xiàn)象擴(kuò)大[5]。

由圖7故障錄波器波形看：

圖7 勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)電流錄波Fig.7 Waveform of excitation transformer low voltage side current

t1以前，晶閘管整流橋由+B/-C相晶閘管導(dǎo)通；

t1時(shí)刻，按照正常的換相順序?qū)⒁獡Q相至+B/-A相晶閘管構(gòu)成回路導(dǎo)通，從波形中可以看到，-C相順利換相至-A相，但同時(shí)刻在共陰極組卻出現(xiàn)了+B提前換相+C相的情況。結(jié)合上文分析，判斷此時(shí)由于掉入的異物搭接在+C相晶閘管散熱器的A/K極上形成短路，t1之后由于C相電壓大于B相電壓，使得+B相晶閘管承受反壓關(guān)斷，因此形成了+C相提前導(dǎo)通的情況。在t1至t2時(shí)間內(nèi)，前后分別由+C/-A和+C/-B組成回路導(dǎo)通，電流經(jīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，沒有明顯的突升。

t2時(shí)刻，按照正常的換相順序?qū)⒁?C/-B換相至+A/-B相晶閘管組成回路導(dǎo)通，但由于+C相晶閘管A/K極之間形成搭接短路，換相后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子形成短路，短路電流流經(jīng)+A/+C相晶閘管，短路電流明顯增加。

t2時(shí)刻之后，短路電流急劇增大，燒灼，噴弧噴射到晶閘管組件上面的支撐金屬橫梁后形成弧光短路，并最終發(fā)展成為三相弧光短路。

在計(jì)算機(jī)上采用Matlab仿真軟件搭建模型，針對實(shí)際的工況進(jìn)行仿真分析。圖8就是模擬+C相晶閘管A/K之間搭接短路后的仿真波形，從而有力的佐證了上文的分析。

圖8 Matlab仿真波形Fig.8 Matlab simulation waveform

對現(xiàn)場功率柜整流橋回路檢查，由圖9可以發(fā)現(xiàn)+C相晶閘管A/K散熱器損壞最為嚴(yán)重，可以確定為異物搭接導(dǎo)致+C相晶閘管A/K短路，最終擴(kuò)大為三相弧光短路。

圖9 +C相晶閘管A/K短路Fig.9 +C phase thyristor A/K short circuit

2 結(jié)論

根據(jù)上述勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜幾個(gè)典型故障的分析，功率柜故障主要分為以下幾種：

（1）晶閘管失效：分為過壓、過流、dv/dt過大和di/dt過大，最終導(dǎo)致晶閘管失效無法工作。

（2）晶閘管過熱擊穿：冷卻系統(tǒng)（如風(fēng)機(jī)）故障、進(jìn)出風(fēng)口灰塵堆積堵塞導(dǎo)致晶閘管熱量無法正常排出進(jìn)而熱擊穿。

（3）內(nèi)部短路：功率柜內(nèi)積灰多導(dǎo)致閃絡(luò)或柜內(nèi)存在異物導(dǎo)致相間短路損壞功率柜器件。

3 改進(jìn)措施及運(yùn)行維護(hù)建議

針對勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜典型故障，提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施及運(yùn)行維護(hù)建議：

（1）功率柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，防止整流橋相間短路及晶閘管A/K短路。

（2）功率柜整流橋阻容吸收回路選型優(yōu)化。

（3）功率柜冷卻系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)。

（4）機(jī)組運(yùn)行期間，加強(qiáng)設(shè)備巡回，對功率柜輸出電流及溫度進(jìn)行記錄，及時(shí)消除隱患。

（5）機(jī)組檢修期間：

a）對功率柜主回路螺栓進(jìn)行緊固并做標(biāo)示；

b）對功率柜內(nèi)進(jìn)行檢查，確保無異物；

c）檢查、清洗功率柜進(jìn)出風(fēng)口濾網(wǎng)確保功率柜風(fēng)道進(jìn)風(fēng)通暢，檢查冷卻風(fēng)機(jī)；

d）對功率柜主回路絕緣進(jìn)行測試；

e）對阻容吸收回路進(jìn)行測試并記錄數(shù)據(jù)；

f）進(jìn)行小電流測試，記錄不同角度下整流橋直流電壓輸出與交流電壓輸入數(shù)據(jù)，測量整流橋輸出波形。