朱春成，陶 榮

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

0 引言

滅磁與過電壓保護碳化硅非線性電阻是同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)跨接器中重要部件之一，主要作用為保護轉(zhuǎn)子在異常過電壓及發(fā)電機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的事故。為提高滅磁及過電壓保護的可靠性，減少類似事故的發(fā)生，對事故進行了分析與總結(jié)，并實施相關(guān)改進措施。

1 事件過程

2022-07-12T06:55—07:05，該電廠2 號機組270 MW 負荷運行，期間監(jiān)控系統(tǒng)6 次發(fā)出“勵磁系統(tǒng)過壓動作”報警及復歸信號，其中持續(xù)時間最長一次達367 s，累計動作持續(xù)時間463 s；07:04:37，轉(zhuǎn)子一點接地(低定值)保護動作跳閘，2 號機組事故停機。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)2 號機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重燒損的主要原因是滅磁電阻支路長時間導通，碳化硅發(fā)熱嚴重，從而導致整柜燒損。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)電機轉(zhuǎn)子回路過電壓保護外，還作為發(fā)電機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。機組正常運行時由于跨接器正、反向可控硅未導通，碳化硅上無電流流過；而機組事故停機、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)傳過來的導通信號后，可控硅導通，跨接器回路有電流流通，當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)過電壓保護動作”；當機組異步運行、非全相等其他原因造成正向電壓達到3 200 V，則跨接器中V1 在BOD 觸發(fā)下導通，瞬時將碳化硅并接在轉(zhuǎn)子回路上，避免發(fā)電機轉(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)跨接器上可控硅導通，實現(xiàn)二極管陽極與陰極間電壓差值達到其本身的轉(zhuǎn)折電壓時導通，通過的電流小于關(guān)斷值時恢復阻斷。當轉(zhuǎn)子電壓高于3 200 V 時，V1 導通；當滅磁開關(guān)跳開時，V2、V3 導通。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，實現(xiàn)保護轉(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六組，滅磁容量6.6 MJ，具有以下性能。

1) 負電阻溫度系數(shù)特性。由于碳化硅非線性電阻的材質(zhì)特性決定了其負溫度特性，主要特征為當電阻溫度上升時阻值會減少，因此在恒定電流負載條件下，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，所以負電阻溫度系數(shù)的影響也是極小的。當碳化硅溫度升高后散熱時間較長，試驗表明碳化硅溫度達到150 ℃后，自然冷卻至常溫需長達6 h。

4 事故原因分析

運維人員對跨接器可控硅進行初步測量，發(fā)現(xiàn)正向可控硅V1 處于導通狀態(tài)，反向可控硅V2、V3 正常；廠家對BOD、跨接器進一步檢測，過電壓保護動作實測值為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異常導通，導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 號機組電氣量變化曲線，轉(zhuǎn)子電壓約200 V，遠未達到動作門檻值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：

由于碳化硅負電阻溫度系數(shù)的影響，實際耗能可能遠大于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)可知當吸收1 MJ 時碳化硅溫升115 ℃，此次事故中碳化硅累計吸能遠大于5.6 MJ，溫度將急速上升，最終引起非線性電阻柜起火并導致燒損。

5 改進建議

根據(jù)上述分析，事故是由跨接器可控硅異常導通引起，最終造成了非線性電阻柜的燒損。由于事故發(fā)生位置處于保護盲區(qū)，且可控硅誤導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建議。

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

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

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，當溫升達到設(shè)定值時立即啟動緊急停機流程，滅磁停機；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)故障造成事故擴大、設(shè)備損壞。

4) 加強勵磁系統(tǒng)運維管理，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準，對影響范圍大、采購周期長的元器件進行整柜儲備，縮短搶修時間。

6 結(jié)束語

同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中的滅磁與過電壓保護是連接轉(zhuǎn)子回路和整流回路的重要部分，在保護轉(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措施，為采用同類型轉(zhuǎn)子滅磁與過電壓保護的電廠提供處理經(jīng)驗，也為進一步完善勵磁系統(tǒng)滅磁與轉(zhuǎn)子過電壓保護功能，提高勵磁系統(tǒng)可靠性提供參考。