胡建農(nóng)

(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(jìn)的第二套靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償（SVC）系統(tǒng)，系國(guó)外的第三代產(chǎn)品，型號(hào)為L(zhǎng)VVR 30/244，用于對(duì)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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)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(hào)為5STB 1365N。使用一段時(shí)間后經(jīng)常發(fā)生穿墻套管的戶外側(cè)有放電現(xiàn)象，在采取現(xiàn)場(chǎng)清洗手段后繼續(xù)投運(yùn)，某日突然發(fā)生“過流保護(hù)速斷”動(dòng)作，檢測(cè)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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償（SVC）裝置是電力系統(tǒng)用于電網(wǎng)諧波治理有效手段，鋼鐵企業(yè)主要用于對(duì)熱軋機(jī)組、煉鋼精煉爐和煉鋼電弧爐進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。補(bǔ)償前煉鋼精煉爐所對(duì)應(yīng)的上級(jí)變電站110 kV 母線的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)為：短時(shí)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(cè)試期間A 相5 次超標(biāo)，B 相4 次超標(biāo)，C 相3 次超標(biāo)。長(zhǎng)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)2%，各次諧波電流均未超過限值。由此可見煉鋼精煉爐產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)影響小，主要是精煉爐負(fù)載產(chǎn)生的大量無功引起電壓閃變，頻繁的電壓閃變對(duì)電網(wǎng)的污染很大。

諧波治理在過去普遍認(rèn)為是對(duì)電網(wǎng)有利，是解決用戶產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)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(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)諧波和閃變會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成批量廢品。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)普遍使用的今天，諧波治理更是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。

2 可控硅相關(guān)技術(shù)要求

2.1 可控硅的關(guān)鍵參數(shù)

供電系統(tǒng)與一般電機(jī)拖動(dòng)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(diǎn)是電壓高、電流大、外部干擾源多而且復(fù)雜的特點(diǎn)?？煽毓枋荢VC的關(guān)鍵部件，可控硅的關(guān)鍵參數(shù)有UDRM，URRM，dV/dt，di/dt。其中可控硅觸發(fā)特性非常關(guān)鍵，當(dāng)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(dǎo)通區(qū)，并且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)導(dǎo)通區(qū)逐漸擴(kuò)大直至全部結(jié)面變成導(dǎo)通，如在結(jié)面還沒有全導(dǎo)通時(shí)電流已升到很大，大的電流密度可能在門極的附近的結(jié)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(hào)，經(jīng)過8～30 μs的時(shí)間使可控硅全導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(hào)后，驅(qū)動(dòng)脈沖觸發(fā)光電轉(zhuǎn)換板，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送給脈沖形成單元。脈沖形成單元是整個(gè)脈沖柜的核心部分。在這個(gè)單元里，脈沖形成器接收光電轉(zhuǎn)換單元送來的電信號(hào)，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(hào)。6 路強(qiáng)觸發(fā)脈沖通過阻抗匹配電路使脈沖變壓器T1，T2的次級(jí)感應(yīng)出一個(gè)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(jié)構(gòu)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(gè)可控硅閥配一個(gè)獨(dú)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(luò)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(cè)回路集成在一起，與可控硅閥裝在一塊電路板上或一個(gè)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(hào)后，F(xiàn)P 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，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(luò)與污閃現(xiàn)象

在電力系統(tǒng)線路和設(shè)備上發(fā)生放電、閃絡(luò)是常見現(xiàn)象，多數(shù)是在外部條件發(fā)生變化時(shí)，原來絕緣狀態(tài)正常的設(shè)備產(chǎn)生放電現(xiàn)象，當(dāng)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(dǎo)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(gè)新建的35 kV 變電站，由于一次設(shè)備是按半敞開式設(shè)計(jì)的，10 kV 絕緣子選用戶內(nèi)型絕緣子，在一次狂風(fēng)暴雨中，20 min 內(nèi)從閃絡(luò)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(shè)備經(jīng)常發(fā)生放電、閃絡(luò)現(xiàn)象，由于空氣中污染介質(zhì)很不穩(wěn)定，往往不容易及時(shí)準(zhǔn)確判斷。在有關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)絕緣子的沿面局部電弧爬電所導(dǎo)致的局部電弧貫通，因無法解釋絕緣子表面無痕的閃絡(luò)現(xiàn)象，歸為不明閃絡(luò)。造成絕緣子極間空氣間隙絕緣強(qiáng)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(chǎng)改變了空氣間隙內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)分布，將絕緣子極間空氣間隙擊穿。當(dāng)絕緣子附近空間內(nèi)，由于污染注入空間電荷電量達(dá)到一定數(shù)量級(jí)時(shí)，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(shè)備經(jīng)常發(fā)生的閃絡(luò)現(xiàn)象很吻合，應(yīng)引起高度重視。

4 事故分析

4.1 設(shè)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(guó)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(dāng)時(shí)普遍采用的成熟技術(shù)，其晶閘管元件的門極為“電觸發(fā)”。含BOD 保護(hù)，即晶閘管正向電壓超過設(shè)計(jì)值時(shí)的強(qiáng)迫安全導(dǎo)通。晶閘管閥塔與觸發(fā)控制及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間采用光纖通信，防止觸發(fā)信號(hào)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(diào)諧濾波器構(gòu)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(hào)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(nèi)380 mm。閃絡(luò)距離為室外467 mm，室內(nèi)330 mm。

從主要設(shè)備的選型來看，可控硅的各項(xiàng)參數(shù)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(yīng)為1255 mm的要求。導(dǎo)致在正常使用條件下發(fā)生放電現(xiàn)象，同時(shí)閃絡(luò)距離室外為467 mm，在重污染環(huán)境下易產(chǎn)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(diǎn)的痕跡，廠商認(rèn)為發(fā)生了拉弧現(xiàn)象，由于拉弧造成dV/dt的迅速增加導(dǎo)致。一般認(rèn)為爬電拉弧其能量應(yīng)該是相當(dāng)大的，同時(shí)應(yīng)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(yīng)該有2個(gè)灼燒點(diǎn)，另1個(gè)灼燒點(diǎn)應(yīng)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(yīng)該留下更重的灼燒痕跡（因?yàn)殇X比鐵的熔點(diǎn)低）。但實(shí)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(luò)痕跡。其故障時(shí)所發(fā)生的閃絡(luò)應(yīng)該是污閃現(xiàn)象，污閃現(xiàn)象一般不會(huì)產(chǎn)生很大的dV/dt。

在工廠中大量使用可控硅變流設(shè)備和電源裝置，設(shè)備上時(shí)常發(fā)生污閃現(xiàn)象，也沒有發(fā)生導(dǎo)致?lián)舸┛煽毓栝y的事故的記錄。此套設(shè)備中使用的穿墻套管其閃絡(luò)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(yīng)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(luò)引起di/dt 上升，導(dǎo)致可控硅閥全部損壞。一般閃絡(luò)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(diǎn)是衰減快且共振頻率高達(dá)數(shù)千赫，可產(chǎn)生很高的di/dt。但由于本系統(tǒng)中有大容量的補(bǔ)償電抗器，對(duì)放電電容電流有遏制作用，di/dt 不會(huì)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(jié)構(gòu)

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(dǎo)致可控硅閥部分開通，使可控硅閥全部擊穿。但事故后對(duì)所有可控硅觸發(fā)單元進(jìn)行測(cè)試，各單元的性能均正常。

前面分析中將目前國(guó)內(nèi)、國(guó)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(jìn)口設(shè)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(diǎn)，特別是脈沖觸發(fā)器輸出與門極之間的距離極短，每個(gè)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(qiáng)，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(jīng)過屏蔽電纜接到可控硅閥組處的脈沖變壓器原邊，再?gòu)拿}沖變壓器的付邊分別接到每個(gè)可控硅閥的門極（有長(zhǎng)度差），對(duì)觸發(fā)的同步控制精度有影響，抗電磁干擾性相對(duì)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(dú)立的電源裝置供給電源，電源裝置的輸出電壓穩(wěn)定。同時(shí)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(duì)脈沖觸發(fā)不會(huì)產(chǎn)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(gè)TCU 單獨(dú)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(duì)TCU的工作電源產(chǎn)生影響。如果在可控硅閥附近的局部放電、閃絡(luò)，本相的電壓突然降低，或瞬間為零，必然會(huì)對(duì)TCU的輸出觸發(fā)脈沖產(chǎn)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(cè)、恢復(fù)保護(hù)、保護(hù)觸發(fā)單元。正常觸發(fā)時(shí)由檢測(cè)單元產(chǎn)生的電壓，在FP 光控信號(hào)的控制下，輸出一個(gè)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(dá)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(shí)穿墻套管正好產(chǎn)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(dǎo)通區(qū)面積S 無法逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)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(dá)不到額定電流Id。但可控硅閥一旦打開后，外部負(fù)載電流由工況確定，仍保持很大的數(shù)值，通流能力的不足使可控硅閥在門極附近燒壞。由于保護(hù)單元的脈沖波形是同一工作電源，同時(shí)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(hù)作用。這應(yīng)該是造成一相可控硅全部擊穿的真正原因。

5 結(jié)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(duì)重污染環(huán)境下，設(shè)備的相關(guān)參數(shù)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(jí)。對(duì)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(bǔ)償?shù)拈g諧波抑制技術(shù)研究[J].江蘇電機(jī)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.