(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引 言

勵(lì)磁系統(tǒng)是電廠(chǎng)的核心控制設(shè)備之一，它提供勵(lì)磁電流給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，并通過(guò)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流控制發(fā)電機(jī)輸出電壓。在現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中，通常是將交流電整流成直流電供給轉(zhuǎn)子繞組。整流回路一般采用三相橋式晶閘管整流電路。當(dāng)三相全控整流橋發(fā)生故障時(shí)，除了可能導(dǎo)致勵(lì)磁電壓的下降以外，還會(huì)造成勵(lì)磁變壓器的不對(duì)稱(chēng)或缺相運(yùn)行，同時(shí)還可能產(chǎn)生直流磁化導(dǎo)致其他可控硅的過(guò)載等問(wèn)題。

已有不少文獻(xiàn)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)整流柜可控硅故障進(jìn)行了分析，例如文獻(xiàn)[1]對(duì)某調(diào)相機(jī)機(jī)組整流柜故障進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[2]對(duì)不同情況下的可控硅故障進(jìn)行了分析，但是缺少勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)的電流波形分析；文獻(xiàn)[3]通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)故障，包括功率柜故障，進(jìn)行了分析和改進(jìn)；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一套勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能檢驗(yàn)裝置，通過(guò)直接觀察勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)、功率柜輸出電壓波形、脈沖變壓器原邊和副邊波形，快速而有效地判斷勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能是否正常；文獻(xiàn)[5-6]都是以某電站整流柜事故為例，分析勵(lì)磁可控硅擊穿導(dǎo)致整流柜燒毀事故起因、過(guò)程以及后續(xù)處理措施。

但上述文獻(xiàn)都沒(méi)有對(duì)各種整流橋故障進(jìn)行全面分析。因?yàn)榉治龉收系闹饕ㄐ我话銥閯?lì)磁變壓器低壓側(cè)電流和勵(lì)磁系統(tǒng)輸出電壓波形；但通?，F(xiàn)場(chǎng)故障錄波器中實(shí)錄波形中勵(lì)磁系統(tǒng)輸出電壓采樣不夠準(zhǔn)確，因此提出還需要完整分析勵(lì)磁變壓器交流側(cè)電流波形，才能為勵(lì)磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行和故障分析提供理論依據(jù)。下面，在歸納分析三相全控整流橋故障類(lèi)型的基礎(chǔ)上，通過(guò)Matlab/Simulink軟件模擬三相全控整流橋故障分析各種故障條件下的波形；最后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)波形驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性。

1 三相全控整流原理簡(jiǎn)述

三相全控整流橋接線(xiàn)如圖1所示，圖中：ea、eb、ec分別為交流供電系統(tǒng)的等值相電勢(shì)；Xb為陽(yáng)極回路各相等效阻抗；L為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路等效電感。6個(gè)橋臂的元件均為晶閘管。

當(dāng)電路工作在非換相區(qū)時(shí)，共陰極組和共陽(yáng)極組各有一元件導(dǎo)通，例如V5和V6兩元件導(dǎo)通。當(dāng)V1收到觸發(fā)脈沖時(shí)，由于ea>ec，V1元件承受正向電壓，V5元件承受反向電壓，元件V5向V1換相，共陽(yáng)極組元件V6繼續(xù)導(dǎo)通，其他元件截止。此時(shí)直流側(cè)輸出電壓Ud=Uac。其他換相情況與此類(lèi)似。

圖1 三相單個(gè)全控整流橋接線(xiàn)

2 故障類(lèi)型分析

每套勵(lì)磁系統(tǒng)包含至少兩個(gè)三相全控整流橋，故障時(shí)刻可能是多橋并聯(lián)單橋故障、多橋并聯(lián)多橋故障的情況。多橋并聯(lián)時(shí)，如發(fā)生單橋晶閘管擊穿發(fā)生短路，那么通過(guò)勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)即整流橋交流側(cè)波形可分析出故障，直到該晶閘管的快熔發(fā)生熔斷。此時(shí)由于非故障橋的作用，整流橋交流側(cè)及直流側(cè)波形恢復(fù)正常，為方便分析，下面僅考慮單橋情況。

整流橋的故障類(lèi)型如圖2所示。單個(gè)三相全控可控硅整流柜的故障主要包括晶閘管故障及脈沖故障兩大類(lèi)，其中：晶閘管故障分為晶閘管擊穿、晶閘管不導(dǎo)通、晶閘管變?yōu)槎O管故障[7]；脈沖故障包括脈沖丟失、提前觸發(fā)、延時(shí)觸發(fā)。這些故障還對(duì)應(yīng)單橋臂故障，雙橋臂故障及多橋臂故障。

圖2 三相全控可控硅整流橋的故障類(lèi)型

3 仿真分析

3.1 仿真模型

依據(jù)三相全控整流橋的原理，基于Matlab/Simulink工具箱搭建三相全控整流橋模型。該模型包括機(jī)端電壓部分、三相勵(lì)磁變壓器(three-phase transformer)、三相全控整流橋SCR、六路雙窄脈沖pulse、轉(zhuǎn)子等效負(fù)載以及各測(cè)量回路[8-10]，如圖3所示。電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁線(xiàn)圈負(fù)載屬于電感性負(fù)載，為便于分析，通常將其等效為電阻與電感串聯(lián)[10]。

圖3 三相全控整流橋Simulink模型

3.2 正常狀態(tài)仿真分析

正常狀態(tài)下，整流橋交流側(cè)電壓和電流、直流側(cè)電壓、觸發(fā)脈沖的仿真波形如圖4所示。由于每周期有6次換相，整流裝置交流側(cè)電壓電流波形中換相過(guò)電壓共有6個(gè)。整流裝置交流側(cè)電流波形即為勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)波形，根據(jù)各相電流波形可以分析出可控硅的導(dǎo)通順序，正常情況下導(dǎo)通順序?yàn)?/p>

3.3 晶閘管回路故障仿真分析

3.3.1 晶閘管擊穿

圖5為+A晶閘管在0.03 s時(shí)發(fā)生擊穿造成A相與B相短路的仿真結(jié)果。由圖5(a)整流橋交流側(cè)電流波形可以看出：在0.03 s時(shí)由+A-C晶閘管向+B-C晶閘管換相，由于+A晶閘管發(fā)生擊穿，+B晶閘管導(dǎo)通的瞬間經(jīng)+A+B晶閘管橋臂發(fā)生AB相短路；當(dāng)換相到-A晶閘管導(dǎo)通時(shí)，除了AB相短路，+A-A晶閘管直通短路，此時(shí)直流側(cè)電壓約為0；當(dāng)換相到+C-A晶閘管時(shí)經(jīng)+A+C晶閘管橋臂發(fā)生AC相短路。由此得出的交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓如圖5(b)、(c) 所示。故障特征為勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)出現(xiàn)較大短路電流，且勵(lì)磁電壓波形中有為0的情況。

圖6為+A、-A晶閘管在0.03 s時(shí)擊穿，造成ABC三相短路的仿真結(jié)果。由于+A、-A晶閘管擊穿，使得A相一直產(chǎn)生直通短路，直流側(cè)電壓約為0。故障特征為勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)出現(xiàn)較大短路電流，且勵(lì)磁電壓波形中有為0的情況。

圖4 三相全控整流橋正常情況下仿真波形

圖5 單橋臂晶閘管擊穿仿真波形

圖7為+A、-B晶閘管在0.03 s時(shí)擊穿的仿真結(jié)果。在0.03 s時(shí)-C晶閘管導(dǎo)通，造成BC相經(jīng)過(guò)-B-C晶閘管橋臂短路。隨后+B晶閘管導(dǎo)通，發(fā)生AB短路，且B相直通短路，直流側(cè)電壓約為0。

圖6 同相雙橋臂晶閘管擊穿仿真波形

晶閘管擊穿故障特征為勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)出現(xiàn)較大短路電流，且勵(lì)磁電壓波形中有為0的情況。

圖7 非同相雙橋臂晶閘管擊穿仿真波形

3.3.2 晶閘管不導(dǎo)通

造成晶閘管不導(dǎo)通的原因主要包括晶閘管元件損壞不通、該橋臂快熔熔斷、該晶閘管對(duì)應(yīng)脈沖丟失。下面主要分析單個(gè)晶閘管不通、同一相的兩個(gè)橋臂晶閘管不通、不同相的兩個(gè)橋臂晶閘管不通。

1)單橋臂晶閘管不導(dǎo)通，換相過(guò)電壓每周期減少一個(gè)。例如+A晶閘管不導(dǎo)通，仿真波形如圖8所示。正常情況下，當(dāng)換相到+A-B晶閘管導(dǎo)通時(shí)，直流側(cè)輸出電壓為A、B相之間的線(xiàn)電壓Uab，由于+A晶閘管不通，因此只能保持+C-B晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通，此時(shí)直流側(cè)輸出電壓為Ucb的負(fù)半波。而相應(yīng)地，交流側(cè)電流表現(xiàn)為無(wú)+A相電流，而+C晶閘管一直導(dǎo)通180°，導(dǎo)致+C晶閘管和-C晶閘管出現(xiàn)直通短路，此時(shí)直流側(cè)輸出電壓約為0，交流側(cè)電流出現(xiàn)三相均為0的情況。

圖8 單橋臂晶閘管不導(dǎo)通仿真波形

2)同相雙橋臂晶閘管不導(dǎo)通，每個(gè)周期出現(xiàn)2次同相直通，換相過(guò)電壓每周期減少2個(gè)。例如+A、-A晶閘管不導(dǎo)通，造成A相不通，仿真波形如圖9所示。

3)非同相雙橋臂晶閘管不導(dǎo)通，與之構(gòu)成回路的電壓均不能輸出。例如+A、-B晶閘管不導(dǎo)通，仿真波形如圖10所示。開(kāi)始+B-C、+B-A、+C-A晶閘管導(dǎo)通正常輸出波形；接下來(lái)應(yīng)該是+C-B晶閘管導(dǎo)通，但是由于-B晶閘管不導(dǎo)通繼續(xù)維持+C-A晶閘管導(dǎo)通，因此輸出C相與A相的線(xiàn)電壓Uca的負(fù)半波；然后，應(yīng)當(dāng)是+A-B晶閘管導(dǎo)通，由于+A晶閘管不導(dǎo)通繼續(xù)維持+C-A晶閘管導(dǎo)通，因此繼續(xù)輸出C相與A相的線(xiàn)電壓Uca的負(fù)半波。

以上幾種晶閘管不導(dǎo)通的故障特征為交流側(cè)電流出現(xiàn)三相均為0的情況，勵(lì)磁電壓波形中有為0的情況，且勵(lì)磁電壓有效值變小。

圖9 同相雙橋臂晶閘管不導(dǎo)通仿真波形

圖10 非同相雙橋臂晶閘管不導(dǎo)通仿真波形

3.3.3 晶閘管變二極管

工程中，由于晶閘管G、K極絕緣不好可能導(dǎo)致G、K間的PN結(jié)損壞，使得晶閘管變?yōu)槎O管。圖11為晶閘管二極管仿真波形。在圖11中，設(shè)定+A由晶閘管變?yōu)槎O管，由交流側(cè)電流可知，+A晶閘管導(dǎo)通180°，當(dāng)由+B-A晶閘管向+C-A晶閘管換相時(shí)，+B晶閘管還沒(méi)有完全換到+C晶閘管，由于+A晶閘管一直導(dǎo)通，因此+A晶閘管此時(shí)與-A晶閘管形成短暫的同相直通，對(duì)應(yīng)直流輸出電壓約為0。且由于+A晶閘管一直導(dǎo)通，導(dǎo)致+C晶閘管提前截止。

圖11 晶閘管變二極管仿真波形

晶閘管變?yōu)槎O管的故障特征是交流側(cè)電流中出現(xiàn)導(dǎo)通接近55°后截止10°又繼續(xù)導(dǎo)通55°的情況，且勵(lì)磁電壓每個(gè)周期有5個(gè)波頭。

3.4 脈沖故障仿真分析

針對(duì)脈沖回路故障進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)仿真波形進(jìn)行分析。

1)脈沖丟失

脈沖丟失與晶閘管不導(dǎo)通的情形一致，在此不再贅述。

2)提前觸發(fā)

圖12為+A晶閘管脈沖提前仿真波形。圖中+A晶閘管脈沖提前觸發(fā)20°，造成+C晶閘管提前截止，由原來(lái)的導(dǎo)通120°縮短為導(dǎo)通100°，導(dǎo)通時(shí)間變短；同時(shí)+A 晶閘管提前導(dǎo)通，由原來(lái)的導(dǎo)通120°延長(zhǎng)為導(dǎo)通140°，+A晶閘管導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)。勵(lì)磁直流電壓波形如圖12(c)所示，正常時(shí)是均勻分布的鋸齒波，現(xiàn)在其中一個(gè)鋸齒波縮短，緊接著的鋸齒波提前輸出Uac的部分。

3)延時(shí)觸發(fā)

圖13為+A晶閘管脈沖延時(shí)觸發(fā)仿真波形。圖中+A晶閘管脈沖延時(shí)觸發(fā)20°，由于本該+A晶閘管導(dǎo)通時(shí)，+A晶閘管脈沖沒(méi)有到，使得+A晶閘管沒(méi)有導(dǎo)通，所以+C晶閘管繼續(xù)維持導(dǎo)通，原來(lái)的導(dǎo)通120°延長(zhǎng)為導(dǎo)通140°，導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，直流電壓繼續(xù)輸出Ucb的部分；同時(shí)+A晶閘管的脈沖由于延遲了20°，使得+A晶閘管導(dǎo)通100°后換相，導(dǎo)通時(shí)間變短。

圖12 +A晶閘管脈沖提前仿真波形

圖13 +A晶閘管脈沖延時(shí)觸發(fā)仿真波形

脈沖故障的故障特征為交流側(cè)電流中出現(xiàn)導(dǎo)通角度過(guò)大或者過(guò)小的問(wèn)題，且勵(lì)磁電壓6個(gè)波頭不一致。

4 故障特征驗(yàn)證

根據(jù)第3章波形分析，總結(jié)出晶閘管在不同故障情況下的故障特征如表1所示。一般來(lái)說(shuō)發(fā)生晶閘管擊穿，勢(shì)必會(huì)造成勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)出現(xiàn)較大短路電流，具體是哪一相的晶閘管擊穿，需要結(jié)合波形來(lái)分析。晶閘管不導(dǎo)通的時(shí)候不易被發(fā)現(xiàn)，需要看波形才能識(shí)別。晶閘管變?yōu)槎O管的波形比較有特征，很容易識(shí)別。脈沖故障時(shí)，如果是脈沖丟失，那么將出現(xiàn)與晶閘管不導(dǎo)通一樣的波形，而提前觸發(fā)或者延時(shí)觸發(fā)可結(jié)合交流側(cè)電流和勵(lì)磁電壓波形進(jìn)行識(shí)別。

表1 晶閘管故障特征匯總

4.1 現(xiàn)場(chǎng)波形驗(yàn)證

圖14為某電廠(chǎng)故障錄波器所錄的勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)電流波形。圖中t1時(shí)刻即將由+B-C晶閘管向+B-A晶閘管換相時(shí)，正常情況下-C晶閘管還沒(méi)有完全換到-A晶閘管，且共陽(yáng)極沒(méi)有其他導(dǎo)通通路的話(huà)，-C晶閘管截止不了，直到有通路。但從波形來(lái)看：t1時(shí)刻-C晶閘管已經(jīng)截止而-A晶閘管還沒(méi)有導(dǎo)通，說(shuō)明共陽(yáng)極有其他導(dǎo)通通路，因此判斷-B晶閘管一直導(dǎo)通，+B晶閘管此時(shí)與-B晶閘管形成短暫的同相直通，出現(xiàn)短暫的三相電流為0的情況；同時(shí)，-A晶閘管提前截止，-B晶閘管提前導(dǎo)通并導(dǎo)通180°，推測(cè)-B晶閘管橋臂晶閘管不受控制，有變?yōu)槎O管的可能。對(duì)比第3.3.3節(jié)圖11(b)晶閘管變二極管仿真波形A相電流，波形基本一致。由此分析出該廠(chǎng)整流柜出現(xiàn)的問(wèn)題是某臺(tái)功率柜的-B晶閘管發(fā)生故障變?yōu)槎O管造成，需要立即處理。

圖14 某電廠(chǎng)故障錄波器錄波

4.2 仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證

通過(guò)模型仿真一組波形數(shù)據(jù)，如圖15所示，根據(jù)表1的故障特征，推測(cè)判斷發(fā)生故障原因及部位。

從仿真故障波形數(shù)據(jù)中的交流側(cè)電流可以看出，故障發(fā)生時(shí)A、B、C三相先后均出現(xiàn)短路電流，且出現(xiàn)一段直流側(cè)勵(lì)磁電壓為0的情況。通過(guò)表1故障特征可以判斷，這是發(fā)生了晶閘管擊穿。從交流側(cè)電流可以推斷出，故障發(fā)生前+A-C晶閘管導(dǎo)通換相到+B-C晶閘管，正當(dāng)-C晶閘管向-A晶閘管換相時(shí)，A、C兩相出現(xiàn)短路電流。前兩次換相過(guò)程中共陽(yáng)極側(cè)只有-C晶閘管導(dǎo)通，當(dāng)共陽(yáng)極側(cè)出現(xiàn)另一通路-A晶閘管時(shí)，AC發(fā)生短路，可以推測(cè)-C晶閘管發(fā)生擊穿，擊穿時(shí)間發(fā)生在短路前-C晶閘管導(dǎo)通期間。

圖15 仿真故障波形

5 結(jié) 論

上面歸納了整流橋的故障類(lèi)型，并通過(guò)Matlab/Simulink軟件搭建模型，對(duì)相應(yīng)故障條件下的整流橋輸入及輸出的電壓、電流仿真波形進(jìn)行分析。通過(guò)某電廠(chǎng)的故障實(shí)例及仿真實(shí)例進(jìn)行波形驗(yàn)證，結(jié)果表明：仿真波形與實(shí)際錄波波形一致，并能通過(guò)總結(jié)的故障特征基本準(zhǔn)確地分析出故障發(fā)生原因及部位。

因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁整流柜出現(xiàn)故障時(shí)，可根據(jù)所總結(jié)的故障特征及仿真波形判定故障類(lèi)型，快速分析出故障點(diǎn)。所研究的成果對(duì)于開(kāi)發(fā)勵(lì)磁整流故障診斷、研發(fā)智能化勵(lì)磁整流具有重要意義，也可用于電廠(chǎng)運(yùn)行人員對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)整流橋進(jìn)行分析。