王 靜，王志周，王 嘯，王寶星，陶 坡

[南瑞集團（國網(wǎng)電力科學研究院）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，電力系統(tǒng)是否穩(wěn)定可靠運行愈發(fā)重要，而大型水電站是電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)是大型水電機組重要的組成部分，對發(fā)電機及整個電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和可靠的運行起著極其重要的作用[3]。功率柜是發(fā)電機勵磁系統(tǒng)重要部分，對功率柜常見的故障進行分析，在日常對設備維護的過程中，可以及時的發(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)定運行。本文將結(jié)合現(xiàn)場實際情況對勵磁系統(tǒng)功率柜的幾個典型故障進行分析并針對性地提出功率柜維護建議。

1 勵磁系統(tǒng)功率柜典型故障

勵磁系統(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)āＲ粋€周期360L°，每個階段導通60L°，共分6個階段[4]。

1.1 功率柜晶閘管失效故障

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

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

圖2 現(xiàn)場晶閘管失效運行時勵磁變壓器高壓側(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刻，晶閘管-A相沒有觸發(fā)導通，-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同相導通，電壓輸出為0，導致這一階段無電流輸出，所以三相電流在這一時刻電流都回到零點。再到下一階段-C換相到-B，正常導通，電流也恢復正常。

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

由圖5可以發(fā)現(xiàn)2個拆開的晶閘管中心門極觸發(fā)處都有一個黑點，晶閘管的等效電路是由兩只晶閘管構成，門極所對應的晶閘管做觸發(fā)用，目的是當觸發(fā)信號到來時將其放大，然后盡快地將主晶閘管導通，然而在短時間內(nèi)如果電壓過大，主晶閘管還沒有完全導通，有較大的電流通過相當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。

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需流過較大電流，晶閘管本身會產(chǎn)生較大熱量，所以功率柜需配置冷卻系統(tǒng)一般由冷卻風機通過強迫風冷實現(xiàn)。如果風道堵塞或者風機停風導致空氣不能流通，使晶閘管的熱量不能隨空氣流通盡快散出，最終會使晶閘管過熱而擊穿，并在擊穿時會發(fā)生短路導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在晶閘管邊緣某處出現(xiàn)一個燒損的缺口，如圖6所示由于現(xiàn)場功率柜頂部出風口堵塞導致柜內(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，由于有異物或部分過壓造成局部放電導致短路，由于功率柜工作時電壓電流較大，如果發(fā)生短路將會伴隨起火，對功率柜造成嚴重損壞。所以功率柜故障也是功率柜最嚴重的故障。

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

由圖7故障錄波器波形看：

圖7 勵磁變壓器低壓側(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相晶閘管導通；

t1時刻，按照正常的換相順序?qū)⒁獡Q相至+B/-A相晶閘管構成回路導通，從波形中可以看到，-C相順利換相至-A相，但同時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斷，因此形成了+C相提前導通的情況。在t1至t2時間內(nèi)，前后分別由+C/-A和+C/-B組成回路導通，電流經(jīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子，沒有明顯的突升。

t2時刻，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。

在計算機上采用Matlab仿真軟件搭建模型，針對實際的工況進行仿真分析。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散熱器損壞最為嚴重，可以確定為異物搭接導致+C相晶閘管A/K短路，最終擴大為三相弧光短路。

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)上述勵磁系統(tǒng)功率柜幾個典型故障的分析，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)（如風機）故障、進出風口灰塵堆積堵塞導致晶閘管熱量無法正常排出進而熱擊穿。

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

3 改進措施及運行維護建議

針對勵磁系統(tǒng)功率柜典型故障，提出以下幾點改進措施及運行維護建議：

（1）功率柜結(jié)構設計優(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)冗余設計。

（4）機組運行期間，加強設備巡回，對功率柜輸出電流及溫度進行記錄，及時消除隱患。

（5）機組檢修期間：

a）對功率柜主回路螺栓進行緊固并做標示；

b）對功率柜內(nèi)進行檢查，確保無異物；

c）檢查、清洗功率柜進出風口濾網(wǎng)確保功率柜風道進風通暢，檢查冷卻風機；

d）對功率柜主回路絕緣進行測試；

e）對阻容吸收回路進行測試并記錄數(shù)據(jù)；

f）進行小電流測試，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。