一起勵磁系統(tǒng)非線性電阻柜燒損事故分析

朱春成，陶 榮

(天生橋一級水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義 562400)

0 引言

滅磁與過電壓保護(hù)碳化硅非線性電阻是同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)跨接器中重要部件之一，主要作用為保護(hù)轉(zhuǎn)子在異常過電壓及發(fā)電機(jī)滅磁情況下不被擊穿、燒損。2022 年7 月，某電廠發(fā)生了一起因跨接器誤導(dǎo)通，非線性電阻碳化硅誤接入轉(zhuǎn)子回路，造成非線性電阻柜燒損并跳機(jī)的事故。為提高滅磁及過電壓保護(hù)的可靠性，減少類似事故的發(fā)生，對事故進(jìn)行了分析與總結(jié)，并實(shí)施相關(guān)改進(jìn)措施。

1 事件過程

2022-07-12T06:55—07:05，該電廠2 號機(jī)組270 MW 負(fù)荷運(yùn)行，期間監(jiān)控系統(tǒng)6 次發(fā)出“勵磁系統(tǒng)過壓動作”報警及復(fù)歸信號，其中持續(xù)時間最長一次達(dá)367 s，累計(jì)動作持續(xù)時間463 s；07:04:37，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地(低定值)保護(hù)動作跳閘，2 號機(jī)組事故停機(jī)?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)2 號機(jī)組非線性電阻柜燒損，滅磁開關(guān)觸頭表面燒毛熔損。

經(jīng)初步分析，造成非線性電阻柜嚴(yán)重?zé)龘p的主要原因是滅磁電阻支路長時間導(dǎo)通，碳化硅發(fā)熱嚴(yán)重，從而導(dǎo)致整柜燒損。事件發(fā)生時，轉(zhuǎn)子電壓在200 V 左右，轉(zhuǎn)子電流瞬間由1 250 A 降至950 A左右。

2 滅磁與過電壓保護(hù)原理

該電廠采用廣州擎天EXC 系列勵磁系統(tǒng)，跨接器除用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路過電壓保護(hù)外，還作為發(fā)電機(jī)滅磁投入滅磁電阻使用，其采用METROSIL 8298 系列碳化硅，通過三并兩串的形式并接在轉(zhuǎn)子回路?？缃悠饔扇齻€可控硅組成，其中V1 為正向控制可控硅，V2、V3 為反向控制可控硅。機(jī)組正常運(yùn)行時由于跨接器正、反向可控硅未導(dǎo)通，碳化硅上無電流流過；而機(jī)組事故停機(jī)、滅磁開關(guān)跳開時V2、V3 在接收到可控硅跨接器觸發(fā)板(BOD)傳過來的導(dǎo)通信號后，可控硅導(dǎo)通，跨接器回路有電流流通，當(dāng)電流互感器檢測到回路電流大于1 A，即觸發(fā)“勵磁系統(tǒng)過電壓保護(hù)動作”；當(dāng)機(jī)組異步運(yùn)行、非全相等其他原因造成正向電壓達(dá)到3 200 V，則跨接器中V1 在BOD 觸發(fā)下導(dǎo)通，瞬時將碳化硅并接在轉(zhuǎn)子回路上，避免發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣被擊穿。

BOD 采用電阻分壓、轉(zhuǎn)折二極管觸發(fā)的原理，在滿足條件時觸發(fā)跨接器上可控硅導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)二極管陽極與陰極間電壓差值達(dá)到其本身的轉(zhuǎn)折電壓時導(dǎo)通，通過的電流小于關(guān)斷值時恢復(fù)阻斷。當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓高于3 200 V 時，V1 導(dǎo)通；當(dāng)滅磁開關(guān)跳開時，V2、V3 導(dǎo)通。轉(zhuǎn)子回路的磁場能量或過電壓能量將轉(zhuǎn)移到碳化硅非線性電阻上消耗掉，限制轉(zhuǎn)子兩端電壓，實(shí)現(xiàn)保護(hù)轉(zhuǎn)子的目的。

3 碳化硅性能

現(xiàn)場勵磁系統(tǒng)跨接器中的碳化硅共計(jì)六組，滅磁容量6.6 MJ，具有以下性能。

1) 負(fù)電阻溫度系數(shù)特性。由于碳化硅非線性電阻的材質(zhì)特性決定了其負(fù)溫度特性，主要特征為當(dāng)電阻溫度上升時阻值會減少，因此在恒定電流負(fù)載條件下，電阻兩端電壓隨溫度升高而降低，或在恒定電壓負(fù)載下電流隨溫度上升而增加。

2) 工作時間短，散熱時間長。碳化硅非線性電阻作為滅磁電阻使用時，只在滅磁回路動作瞬間接入發(fā)電機(jī)勵磁回路，且在滅磁過程中，電阻不會承受連續(xù)作用的恒定電壓，因此，負(fù)電阻溫度系數(shù)在滅磁回路投入前是無影響的；在滅磁過程中，滅磁是在短時間內(nèi)完成的，且滅磁電源為一個衰減的電壓源，即滅磁電壓非恒定電壓，滅磁電流也非恒定電流，所以負(fù)電阻溫度系數(shù)的影響也是極小的。當(dāng)碳化硅溫度升高后散熱時間較長，試驗(yàn)表明碳化硅溫度達(dá)到150 ℃后，自然冷卻至常溫需長達(dá)6 h。

4 事故原因分析

運(yùn)維人員對跨接器可控硅進(jìn)行初步測量，發(fā)現(xiàn)正向可控硅V1 處于導(dǎo)通狀態(tài)，反向可控硅V2、V3 正常；廠家對BOD、跨接器進(jìn)一步檢測，過電壓保護(hù)動作實(shí)測值為3 270 V，跨接器正向觸發(fā)，反向觸發(fā)I 路、II 路結(jié)果均正常，在事故中也未損壞。因此，造成此次事故的原因是正向可控硅V1異常導(dǎo)通，導(dǎo)致碳化硅電阻直接并接在轉(zhuǎn)子回路。查詢事故發(fā)生時2 號機(jī)組電氣量變化曲線，轉(zhuǎn)子電壓約200 V，遠(yuǎn)未達(dá)到動作門檻值3 200 V，每個碳化硅兩側(cè)電壓為100 V (三并兩串)，根據(jù)碳化硅伏安特性曲線，對應(yīng)電流約為20 A，在不考慮碳化硅負(fù)電阻溫度系數(shù)的情況下，碳化硅共消耗能量：

由于碳化硅負(fù)電阻溫度系數(shù)的影響，實(shí)際耗能可能遠(yuǎn)大于5.6 MJ，這部分能量將轉(zhuǎn)化成碳化硅的熱能，根據(jù)碳化硅參數(shù)可知當(dāng)吸收1 MJ 時碳化硅溫升115 ℃，此次事故中碳化硅累計(jì)吸能遠(yuǎn)大于5.6 MJ，溫度將急速上升，最終引起非線性電阻柜起火并導(dǎo)致燒損。

5 改進(jìn)建議

根據(jù)上述分析，事故是由跨接器可控硅異常導(dǎo)通引起，最終造成了非線性電阻柜的燒損。由于事故發(fā)生位置處于保護(hù)盲區(qū)，且可控硅誤導(dǎo)通造成碳化硅燒損的案例在業(yè)內(nèi)極為少見，為了后續(xù)及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，控制事故范圍及影響，結(jié)合此次事故提出以下改進(jìn)建議。

1) 完善勵磁系統(tǒng)事故啟動緊急停機(jī)功能，防止類似事件再次發(fā)生。

2) 優(yōu)化判斷邏輯：勵磁系統(tǒng)過壓保護(hù)信號動作累計(jì)持續(xù)10 s 或10 s 內(nèi)過壓保護(hù)信號動作達(dá)到3次，判斷為跨接器故障，啟動緊急停機(jī)流程。

3) 完善碳化硅滅磁電阻的監(jiān)測手段，增加滅磁電阻溫度監(jiān)視和報警信號，當(dāng)溫升達(dá)到設(shè)定值時立即啟動緊急停機(jī)流程，滅磁停機(jī)；條件允許可以規(guī)劃建設(shè)勵磁系統(tǒng)綜合信息智能告警和決策系統(tǒng)，評估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并及時發(fā)現(xiàn)異常，防止勵磁系統(tǒng)故障造成事故擴(kuò)大、設(shè)備損壞。

4) 加強(qiáng)勵磁系統(tǒng)運(yùn)維管理，提升管理水平。定期對勵磁系統(tǒng)可控硅、滅磁電阻柜、與轉(zhuǎn)子連接引線等部位進(jìn)行紅外熱成像檢測，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，防患于未然；梳理、完善勵磁系統(tǒng)信號，提高報警信號指向性，提高運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)問題、處置問題的能力。

5) 建立設(shè)備檔案，專人跟蹤分析，提升設(shè)備管理水平。提高備品備件儲備標(biāo)準(zhǔn)，對影響范圍大、采購周期長的元器件進(jìn)行整柜儲備，縮短搶修時間。

6 結(jié)束語

同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中的滅磁與過電壓保護(hù)是連接轉(zhuǎn)子回路和整流回路的重要部分，在保護(hù)轉(zhuǎn)子在異常情況下不被擊穿、燒損方面發(fā)揮著重要作用。通過介紹和分析某電廠一起跨接器異常導(dǎo)通致使非線性電阻柜燒損的事故案例，查找原因和提供改進(jìn)措施，為采用同類型轉(zhuǎn)子滅磁與過電壓保護(hù)的電廠提供處理經(jīng)驗(yàn)，也為進(jìn)一步完善勵磁系統(tǒng)滅磁與轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)功能，提高勵磁系統(tǒng)可靠性提供參考。