同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)可控硅故障分析與研究

張 凱

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

0 引言

大型水輪發(fā)電機(jī)組普遍采用可控硅整流裝置,可控硅作為勵(lì)磁系統(tǒng)整流裝置的核心部件,當(dāng)發(fā)生晶閘管短路故障時(shí)，將造成可控硅主整流橋內(nèi)部短路，短路電流將使保護(hù)裝置出口動作跳閘，勵(lì)磁系統(tǒng)退出運(yùn)行；而當(dāng)三相橋式整流電路在運(yùn)行中由于各種原因，可能出現(xiàn)橋臂斷開、脈沖丟失時(shí)，有些情況主整流橋仍然會持續(xù)工作，但會導(dǎo)致勵(lì)磁電壓畸變，對電網(wǎng)系統(tǒng)會產(chǎn)生擾動。在機(jī)組運(yùn)行與檢修過程中，通過錄波系統(tǒng)，根據(jù)波形異常的分析結(jié)果，迅速判斷故障原因和故障點(diǎn)，對提高電站的穩(wěn)定運(yùn)行，提供了可靠的保證。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)主回路故障下的波形分析

1.1 正常運(yùn)行時(shí)三相全控整流電路的輸出電壓

正常整流狀況下的波形分析：

以圖1為例，假定觸發(fā)角為α=600的時(shí)候，首先是在t1時(shí)刻脈沖觸發(fā)信號同時(shí)使共陰極1號與共陽極的6號晶閘管導(dǎo)通，每只晶閘管導(dǎo)通時(shí)間為120°，在t2時(shí)刻，共陽極的-B相6號晶閘管關(guān)斷換相至-A相2號晶閘管，而此時(shí)共陰極的+A相1號晶閘管持續(xù)導(dǎo)通600，直至在t3導(dǎo)通截止換相至共陰極的+B相，如此每隔600輪流發(fā)出觸發(fā)脈沖，按如圖1d所示順序?qū)?，輸出轉(zhuǎn)子電壓整流波形[1]。

圖1 正常整流狀況下的波形分析

1.2 同相上橋臂（+B）與上下橋臂(+B、-B)缺相或者脈沖丟失

從圖2中可以看出在t3時(shí)刻，共陰極的+B相3號晶閘管由于脈沖丟失無法換相，此時(shí)共陰極的+A相持續(xù)導(dǎo)通，此時(shí)在t3時(shí)刻共陽極的-C相2號晶閘管所對應(yīng)的相電壓Uc>Ua,由于轉(zhuǎn)子屬于大電感，持續(xù)導(dǎo)通至副半軸，轉(zhuǎn)子電壓產(chǎn)生反向電壓，進(jìn)入逆變工作狀態(tài)。在t4時(shí)刻時(shí)共陽極的-C相2號晶閘管成功換相至共陽極的-A相4號晶閘管，此時(shí)同一橋臂上的共陽極的+A相1號晶閘管與共陽極的-A相4號晶閘管導(dǎo)通，直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)子短路，此時(shí)勵(lì)磁電壓輸出為0。直至t5時(shí)刻，在經(jīng)過600，發(fā)出脈沖，脈沖使5號晶閘管導(dǎo)通，1號晶閘管關(guān)斷，短路解除，恢復(fù)至正常整流狀態(tài)。

圖2 上橋臂（+B）缺相或者脈沖丟失

圖3 上下橋臂(+B、-B)缺相或者脈沖丟失

從圖3中所示，t6時(shí)刻之前，故障狀態(tài)如同圖2所示，只是在t6時(shí)共陽極的-A相1號晶閘管無法換相至-B相6號晶閘管,導(dǎo)致+C相的5號晶閘管與-A相1號晶閘管持續(xù)導(dǎo)通至負(fù)半軸，最后在t7時(shí)刻+C相的5號晶閘管換相至+A相的1號晶閘管，這時(shí)又出現(xiàn)1號與4號導(dǎo)通，直流側(cè)短路，后面的導(dǎo)通順序依然重復(fù)進(jìn)行。

1.3 不同相、不同橋臂（+B、-A）以及同相、不同橋臂（+B 、+C）以及三臂、四臂（+B 、+C、-B（-C）缺相或觸發(fā)脈沖丟失

圖4 不同相、不同橋臂（+B、-A）缺相或脈沖丟失

圖5 同相、不同橋臂（+B 、+C）缺相或脈沖丟失

從圖4中可以看出，在t4之前，同上橋臂（+B）狀況。在t3時(shí)刻，共陰極的+A相的1號晶閘管無法換相至共陰極的+B相的3號晶閘管,而此時(shí)t4時(shí)刻，共陽極的-C相的2號晶閘管無法換相至共陰極的-A相的4號晶閘管，這時(shí)共陰極的+A相1號晶閘管與2號晶閘管持續(xù)導(dǎo)通1800，在t5時(shí)刻+A相換向+C相，此時(shí)5號晶閘管與2號晶閘管導(dǎo)通，呈現(xiàn)短路狀態(tài)。在t6時(shí)刻，換相至6號晶閘管，恢復(fù)正常。

從圖5中可以看出，在t4時(shí)，可控硅處于共陰極的+A相的1號晶閘管與共陽極的+A相的4號晶閘管處于短路導(dǎo)通狀態(tài)，在t5時(shí)，5號晶閘管不能導(dǎo)通，1號晶閘管不能關(guān)斷，1號晶閘管與4晶閘管號繼續(xù)導(dǎo)通。t6時(shí)刻，發(fā)6號脈沖，滿足條件導(dǎo)通，4號晶閘管關(guān)斷，1號與6號導(dǎo)通。t7時(shí)刻，發(fā)1號脈沖，因1號晶閘管已提前導(dǎo)通處于持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，后面導(dǎo)通重復(fù)前述過程。

圖6 三橋臂（+B 、+C、-B）缺相或觸發(fā)脈沖丟失

圖7 四橋臂（+B 、+C、-B、-C）缺相或觸發(fā)脈沖丟失

從圖6中可以看出，+B 、+C、-B脈沖丟失是+B 、+C脈沖丟失的發(fā)展，即6號脈沖也丟失，t6時(shí)刻6號脈沖丟失，6號晶閘管不能導(dǎo)通，4號晶閘管不能關(guān)斷，即一個(gè)周期內(nèi)，1~4導(dǎo)通2400，1~2導(dǎo)通1200，且1~4處于短路直流顛覆狀態(tài)，而1~2晶閘管處于整流與逆變各600，直到1~2導(dǎo)通恢復(fù)整流狀態(tài)。而圖7中，t4時(shí)刻后，l~4 兩晶閘管一直導(dǎo)通，直流側(cè)一直短路，勵(lì)磁電流按勵(lì)磁線圈回路時(shí)間常數(shù)衰減，無法恢復(fù)到整流狀態(tài)。

1.4 觸發(fā)脈沖全部丟失

從圖8所示，在t2~t3之間，某一原因使脈沖全部丟失，剩下的周期內(nèi)，勵(lì)磁電壓兩端電壓波形按故障時(shí)導(dǎo)通的兩晶閘管所在相電壓變化呈現(xiàn)正弦交流電壓波形。

圖8 脈沖全部丟失

2 基于PSCAD的三相全控整流橋故障模擬仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證故障時(shí)波形的準(zhǔn)確性，通過PSCAD搭建了系統(tǒng)仿真模型[2](如圖9所示)進(jìn)行演示。模型由同步發(fā)電機(jī)、變壓器模塊、6脈沖整流橋模塊、觸發(fā)角控制模塊以及脈沖控制模塊等構(gòu)成。

圖9 三相全控整流橋故障模擬仿真圖

圖10 正常整流狀況下的波形（600與300）

從圖10中，可以看出，在觸發(fā)角α=600或300時(shí)，勵(lì)磁電壓輸出波形分別落在上半軸上機(jī)上半軸上方，無缺口也無畸變。

圖11 上橋臂（+B）缺相或觸法脈沖丟失（600與300）

從圖11中，當(dāng)觸發(fā)角α=600時(shí)候，上橋臂（+B）故障時(shí)，可以看出在可控硅導(dǎo)通一個(gè)周期內(nèi)，勵(lì)磁電壓輸出平均值為正常無故障下的1/2，此時(shí)會導(dǎo)致無功降低，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓降低。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器會通過減少觸發(fā)角（例如α=300）度來提高勵(lì)磁電壓輸出的平均值，增加0軸以上導(dǎo)通面積，使得無功拉回，對勵(lì)磁系統(tǒng)影響不太嚴(yán)重。但此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)會降低強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，經(jīng)計(jì)算強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)會下降至以前的0.75倍，單橋臂上可控硅電流有效值反而增加為倍[3]。

圖12 上下橋臂（+B、-B）缺相或觸法脈沖丟失（600與300）

從圖12中看出，當(dāng)觸發(fā)角α=600時(shí)候，上下橋臂(+B、-B)可以看出勵(lì)磁電壓輸出平均值在一個(gè)周期范圍內(nèi)上下周導(dǎo)通面積抵消，輸出為0，表現(xiàn)為失磁型，此時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（例如α=300）依然可通過調(diào)節(jié)，提高無功功率，強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)會下降至以前的0.5倍[3]，兩個(gè)橋臂上可控硅電流有效值反而增加為倍[3]。

圖13 不同相、不同橋臂（+B、-A）缺相或觸法脈沖丟失（600與300）

從圖13與圖14的波形圖中，可以當(dāng)觸發(fā)角α=600，不同相、不同橋臂（+B、-A）或者同相、不同橋臂（+B、+C），勵(lì)磁電壓均輸出接近0，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器經(jīng)過減少觸發(fā)角（例如 =300）后增磁調(diào)節(jié)后，無功功率依然會回升，不會導(dǎo)致完全失磁。但可以清晰的看出，在+B、+C脈沖丟失的情況下，+A相晶閘管持續(xù)導(dǎo)通3600，存在嚴(yán)重過載重大安全隱患，其中不同相、不同橋臂（+B、-A）與不同橋臂（+B 、+C）的強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)將分別下降至0.583與0.417[3]，單個(gè)橋臂上可控硅電流有效值分別增加為倍、倍[3]。

圖14 同相、不同橋臂（+B 、+C）缺相或觸發(fā)脈沖丟失（600與300）

圖15 三橋臂（+B 、+C、-B）缺相或觸發(fā)脈沖丟失（600與300）

從圖15可中以看出在一個(gè)周期內(nèi)，可控硅一直處于直流短路2400、甚至處于一直短路狀態(tài)，均屬于失磁狀態(tài)，其強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)分別下降至0.288 7倍[3]，存在兩個(gè)橋臂上可控硅有效值分別增加為倍、倍[3]，即使考慮即使考慮調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，也會導(dǎo)致嚴(yán)重失磁，經(jīng)過減少觸發(fā)角，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器強(qiáng)勵(lì)增磁也效果不大。

圖16 脈沖全部丟失

從圖16中看到，脈沖全部丟失之后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器處于完全失磁狀態(tài)，調(diào)節(jié)器強(qiáng)勵(lì)無效。

3 總結(jié)

綜合以上分析可知,當(dāng)三相橋式整流電路在運(yùn)行中由于各種原因，可能出現(xiàn)橋臂斷開、脈沖丟失時(shí)，其輸出的轉(zhuǎn)子電壓都會有不同程度的下降，通過減少可控硅的觸發(fā)角度，其輸出電壓在可能仍然回到故障前值，但此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)將下降。特別是三橋臂到四橋臂，直至所有脈沖缺相或觸發(fā)脈沖丟失，屬于嚴(yán)重失磁狀態(tài)，勵(lì)磁系統(tǒng)已經(jīng)完全喪失了強(qiáng)勵(lì)與正常運(yùn)行狀態(tài)。

對于勵(lì)磁設(shè)備來說,可控硅的不導(dǎo)通不僅會導(dǎo)致其它可控硅承受的電流增大引起散熱困難,還會導(dǎo)致勵(lì)磁變壓器產(chǎn)生直流偏磁與不對稱運(yùn)行狀態(tài),所以勵(lì)磁設(shè)備不僅僅是在并網(wǎng)前要保證可控硅的完全導(dǎo)通,運(yùn)行狀態(tài)更是需要保證可控硅能承受住電流、電壓以及發(fā)熱的問題的影響，當(dāng)系統(tǒng)主回路出現(xiàn)故障時(shí)，通過錄波系統(tǒng)，根據(jù)上述異常波形的分析結(jié)果，可以迅速判斷故障原因和故障點(diǎn)，為及時(shí)排除故障，恢復(fù)生產(chǎn)，提高電站的整體經(jīng)濟(jì)效益，提供了可靠的保證和理論依據(jù)。