晶閘管整流裝置的幾種故障處理方法淺析

陳少東 李 宏

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

0 引言

在大功率整流裝置中，整流主電路與觸發脈沖控制電路的故障發生率居多，故障類型也有很多種。整流主電路故障包括主電路過電壓、欠壓、過電流、短路、過熱、水循環冷卻系統水壓水溫失常以及功率器件的損壞；觸發脈沖控制電路常見故障主要有脈沖缺失、脈沖相序錯誤等[1，2]。本文針對上述故障，提出合理且準確的故障檢測及處理方法，通過應用對整流裝置發生的故障進行預見性的故障檢測和處理，可以有效的保證裝置的穩定運行。

1 觸發脈沖的故障檢測

在晶閘管整流裝置中，控制晶閘管導通的觸發脈沖以雙窄脈沖形式為主。常見的觸發脈沖故障有以下兩種：脈沖相序錯、脈沖丟失。另外，晶閘管電路對脈沖觸發電路也是有一定影響的。晶閘管整流電路與觸發電路的相互影響，與晶閘管工作時外部因素以及內部載流子運動有關[3]。整流裝置運行時若某相觸發脈沖丟失，則對應的單個晶閘管或整組橋臂上的晶閘管就無法導通，整流輸出電壓明顯降低，影響負載正常工作。因此需要對觸發脈沖的各參數（脈沖幅值、脈沖相位、雙窄脈沖間隔時間等）進行在線檢測。通過檢測觸發脈沖的各項參數值，可以判定觸發脈沖的品質優劣。以下是兩種觸發脈沖故障檢測方法。

（1）脈沖字狀態次序檢測法

對于一個具體的脈沖觸發電路而言，其觸發脈沖的狀態和次序是確定的。因此，可以采用一種檢測方法：在一個完整的脈沖周期內驗證采樣脈沖字（圖1所示：六路觸發脈沖分別對應一個數據字節的D0～D5位，D6、D7缺省為0，構成一個脈沖字）的狀態次序和已知的狀態次序是否一致，從而驗證觸發脈沖是否正常。圖2所示為用脈沖字表示整流觸發脈沖序列，不出現脈沖對應為00H，脈沖狀態依次出現的次序為 ：00H，03H，00H，06H，00H，0CH，00H，18H，00H，30H，00H，21H，00H，03H。

圖1 六路觸發脈沖與脈沖字對應關系示意圖

圖2 用脈沖字表示整流觸發脈沖序列示意圖

（2）脈沖間相位差檢測法

在一個工頻周期中，每一相觸發脈沖的第一個脈沖P1由該相觸發單元發出，隔60°相位的第二個脈沖P2由滯后60°相位的后一相觸發單元補發。如圖3所示（以示波器顯示橫縱坐標為主，縱坐標為幅值，橫坐標為時間）：P1與P2之間的相位關系反映雙窄脈沖的間隔，而P2與下一個P1的間隔又反映了相鄰相脈沖之間的相位關系。

圖3 雙窄脈沖整流觸發脈沖序列示意圖

依據上述雙窄觸發脈沖間隔的相位差特征來檢測觸發脈沖的狀態，提出脈沖間相位差檢測法：通過測量各相脈沖的幅值和脈沖間的相位差（包括雙窄脈沖之間的間隔）判斷觸發脈沖的故障類型。該方法的關鍵之處是要保證對每相脈沖的測量都從P1開始。當選定相的觸發脈沖幅值正常，相位間的誤差不大時，系統開始時刻與脈沖序列存在下列對應的時序關系：在P1到來之后，P2到來之前，對應圖3中的t1時段；在P2到來之后，下一個P1到來之前，對應圖3中的t2時段。相位差對應的時間差值的換算關系根據具體的觸發電路控制芯片選用的晶振來確定。設一相正常雙窄脈沖間的相位差對應時間差值是T1（即一組雙窄脈沖中P1的脈沖前沿與P2的脈沖前沿間的60°相位角所對應的時間差值），P2與下一個P1間的相位差對應時間差值設為T2。當檢測到第一個脈沖，此時無法判斷該脈沖是P1還是P2，通過啟動計時器計時，并等待下一個脈沖信號。在下一脈沖到來時，程序讀取計時器，得到兩脈沖的間隔時間，如果這個時間差值接近或等于T1，則確定所測到的兩個脈沖依次是P1和P2；如果這個時間差值介于T2左右，則判定這兩個脈沖依次是P2和P1，程序繼續等待下一個脈沖P2的到來。

如若在這個過程中測得的脈沖序列不符合上述時序關系，則可判斷選定的那相存在脈沖錯誤，通過脈沖序列的時序特征可以判斷其故障類型（注：T1、T2、T3表示通過換算公式計算得出的數值，t表示觸發脈沖之間的相位差變量）：

1）脈沖相位錯故障

正常情況下雙窄脈沖之間的間隔是60°，對應時間差值是T1，考慮到整流裝置的調整誤差，則相位差故障特征所對應的時序特征是t ＜ T1或T1＜ t ＜T2；

2）脈沖丟失故障

程序在選定某相脈沖信號，通過計時器計時。失脈沖故障的時間特征是計時器計時超過T3+T2后仍未測得脈沖信號。

為避免由于整流系統在移相時引起的脈沖間隔時間的變化使監測裝置誤判為故障，在故障判斷程序中對每相脈沖按故障類型設置一組故障計數器，若連續5個測量周期都測得同一故障，則發故障報警信號，否則將故障計數器清零。

2 晶閘管整流裝置主電路結構的故障檢測

晶閘管三相整流主電路結構主要有以下幾種：三相半波整流、三相橋式整流、用于高壓的三相橋式整流、雙反星形整流、雙反星同相逆并聯整流、三相橋式同相逆并聯整流、三相橋式并聯獲12相脈波整流和三相橋式串聯獲12相脈波整流[4]。整流裝置運行時，晶閘管本身損壞以及觸發脈沖異常導致的晶閘管不導通或誤導通都會使該晶閘管所在的整流橋臂發生故障以至于造成整流電壓畸變。晶閘管變流裝置各相采用多條支路并聯后，雖滿足了大功率負載的要求，但可能發生缺橋臂故障[5]。通過分析和提取幾種晶閘管整流主電路結構在運行時各自的故障特征，將以上八種三相整流主電路結構分為串聯式與并聯式兩類。

（1）以矩陣方式檢測多個晶閘管快速熔斷器狀態

快速熔斷器與被保護的整流元件串聯，要求在元件熱擊穿前斷開電路，從而保護整流元件、防止事故擴大[6]。以大功率整流裝置的PLC監控系統為例，由繼電器操作完成對主電路中快熔狀態、橋臂溫度、冷卻水壓力及溫度狀態等信號的采集和控制。功率較大的整流主電路需要串、并聯較多數量的晶閘管才能達到額定容量的需求，因此在檢測快熔熔斷時，如果將每個晶閘管上的快熔狀態都分配一個檢測輸入點到PLC模塊，則需大量的輸入點及數字量輸入輸出模塊。基于上述狀況，通過采用矩陣的檢測方式可節省PLC開關量輸入點的分配。具體可通過以下方式實現檢測：將主電路上的每個橋臂定義為列報警（Y1，Y2，…，Ym），串聯起來以常閉點輸出；各橋臂上序號相同的快熔定義為行報警（X1，X2，…，Xn），串聯起來以常開點輸出。當某個快熔熔斷時，首先確定其列數Yj，然后確定行數Xi，最終確定損壞快熔（XiYj）的位置[7]。

（2）整流電壓波形檢測法

三相半波整流、三相橋式整流、用于高壓的三相橋式整流和三相橋式串聯獲得12相脈波整流為一類，歸結為串聯式主電路。此類主電路可以將整流波形轉換為脈沖來判斷故障。以三相橋式電路為例，判斷依據是：每個工頻周期六個橋臂上的晶閘管是否依次換流；當某一個橋臂故障時，則在一個工頻周期上整流電壓Ud的脈動次數小于六次。將整流波形轉換成脈沖形式的電路如圖4所示，其原理是通過微分電路將整流電壓Ud的脈動波形變成所需的脈沖信號，通過光耦合在R2兩端得到的方波電壓UR2，UR2的脈沖前沿對應晶閘管的導通時刻。采集到的UR2波形為不規則的鋸齒波，為了滿足CPU對輸入脈沖的要求，通過脈沖調節電路將UR2波形轉換成規則的與觸發脈沖具有相同寬度的脈沖。整流電壓波形經過脈沖調節環節，變成和觸發脈沖一一對應、寬度相同的窄脈沖。這些脈沖信號分別輸入到CPU，并通過CPU內部的計數、定時和邏輯運算，及時準確的判斷電路故障的類型和具體位置。對有支路并聯的使用場合，可以將各個支路按照基礎主電路模塊做最小化處理，通過檢測基礎電路脈動波形的異常，將各基礎電路模塊的信息通過組態軟件顯示在上位機上，同樣可以準確地檢測整個主電路的故障。

圖4 將三相橋式電路整流波形轉換為脈沖

（3）網側電流檢測法

運用程序對檢測到的整流變壓器網側的三相交流電流值進行實時計算，對比主電路正常狀態時和整流臂故障狀態時的網側交流電流有效值的數值，判斷整流臂故障。通過理論計算（以三相橋式電路為例），整流裝置正常情況下與整流臂故障情況下，其網側三相交流電流有效值一定不平衡，但是數值上的差異較小，借助計算機或微處理器從程序上對數值進行甄別，判定故障。雙反星同相逆并聯整流、三相橋式同相逆并聯整流、三相橋式并聯獲得12相脈波整流和三相橋式串聯獲得12相脈波整流，這四種都屬于并聯式主電路。此類主電路結構（以三相橋式同相逆并聯電路為例）整流臂故障的特點是：兩組三相橋并聯連接，當一組橋出現故障，另一組正常時，整流電壓不會發生明顯變化，當負載無變化時，整流電流也不會發生明顯的變化；單組橋發生故障后，直流側電壓有微小變化，但波頭不會缺失，該結構不宜采用直流電壓波形分析方法；變壓器網側電流無明顯變化，故障信息無法檢測，因此不宜采用變壓器網側電流檢測的方法。

4 總結

通過分析和調研整流裝置中傳統故障檢測方法的特點，在此基礎之上提出一些新穎的整流裝置故障檢測方法：

（1）脈沖字狀態次序檢測法和脈沖間相位差檢測法準確反映觸發脈沖的各項參數正常與否，有效地簡化觸發脈沖控制電路的設計。一般情況下，只需修改程序就可以準確地調節觸發脈沖的參數；

（2）將矩陣檢測法應用到晶閘管快熔熔斷狀態之上，最大可能地減少數字量輸入點的使用，節省了主控芯片的I/O點的使用空間；

（3）應用整流電壓波形檢測法和網側電流檢測法能夠實時、準確地反映整流后電壓及電流的各項參數，以保證裝置的正常運行。上位機記錄并存儲數據，為后來分析提供有利的參考。

通過相應的檢測方法快速的發現晶閘管電路的故障，以便盡快地對故障進行處理。這些新檢測方法力爭簡單可靠，用軟件編程的檢測方法來代替硬件檢測電路并且有效的簡化各硬件電路的設計。將這些方法依照各自的特點運用在不同特征的整流主電路結構上，以達到快速、高效、準確保護整流裝置的目的[8]。

[1] 王兆安，張明勛.電力電子設備設計和應用[M].北京：機械工業出版社，2008.10.

[2] 燕敏婷，謝利理.大功率可控整流電路的故障診斷技術研究[J].計算機測量與控制，2008.16（4）.

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[4] 李宏.常用電力電子變流設備調試與維修基礎[M].北京：科學出版社，2011.

[5] 申群太，林衛中.大功率晶閘管變流裝置的缺支路保護電路[J].電力電子技術，1997.5.

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[7] 章雙滿.用觸摸屏監控的 PLC 組成矩陣加熱模糊控制系統[J].機電工程，1999.

[8] 吳爭榮，李曉明，張俊瀟.大功率晶閘管電力開關常見故障的檢測[J].電力系統.2004.