GE LS2100e系統(tǒng)功率柜內(nèi)緩沖回路 燒毀的分析

王正元 兀鵬越

（1.華能天津煤氣化發(fā)電有限公司，天津 300452； 2.西安熱工研究院有限責(zé)任公司，西安 710032）

某燃?xì)怆姀SGE 9FB 燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)裝置，采用LS2100e 靜態(tài)起動(dòng)系統(tǒng)。2014年12月11日9∶20∶21，10kV B 段“#3 機(jī)組燃機(jī)變頻起動(dòng)隔離變”開關(guān)，合閘后迅速跳閘。就地檢查開關(guān)所配東大金智綜保WDZ-5211 時(shí)，未見異常。隨即檢查開關(guān)柜二次回路，確認(rèn)保護(hù)壓板及跳閘回路。兩個(gè)保護(hù)壓板來自WDZ-5211 和起動(dòng)隔離變的保護(hù)裝置G60I。分別查詢兩處裝置報(bào)文，均未發(fā)現(xiàn)動(dòng)作報(bào)文。惟一的疑點(diǎn)，就縮小到了跳閘回路中來自LS2100e 控制系統(tǒng)的常開接點(diǎn)。同時(shí)，針對(duì)故障時(shí)開關(guān)電流錄波數(shù)據(jù)，再次判定故障范圍來自LS2100e 系統(tǒng)。最后檢查就地起動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)功率柜緩沖回路燒毀。為了可以清楚的分析故障，本文將從LS2100e 系統(tǒng)功率柜的原理、硬件、控制板件進(jìn)行梳理，找到故障發(fā)生的原因。

1 LS2100e 系統(tǒng)整體功能的介紹[1]

LS2100e 起動(dòng)系統(tǒng)與 EX2100e 勵(lì)磁系統(tǒng)在MARKVI 系統(tǒng)中的完美配合，將燃?xì)鈾C(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成起動(dòng)電機(jī)，如圖1所示。

圖1 LS2100e 靜態(tài)起動(dòng)系統(tǒng)概況

起動(dòng)系統(tǒng)中的源橋電源，來自廠用10kV 段上的三繞組三相隔離變壓器。源橋含有3 相12 脈沖整流回路和3 相6 脈沖逆變回路，整流器和逆變器通過DC 直流電抗器連接在一起。逆變回路的輸出連接到AC 線路電抗器，AC 線路電抗器用于補(bǔ)償發(fā)電機(jī)斷路器電容。AC 線路電抗器輸出通過快速熔斷器、隔離開關(guān)89SS-1 送至發(fā)電機(jī)定子。

2 功率柜硬件的介紹

LS2100e 包括電能的轉(zhuǎn)換和控制兩個(gè)功能，由控制柜、源柜、負(fù)載柜和泵柜（冷卻系統(tǒng)）組成。其中，功率源柜、負(fù)載柜是下面介紹的重點(diǎn)。具體電能轉(zhuǎn)換原理圖及硬件組成，如圖2所示。

圖2 LS2100e 電能轉(zhuǎn)換回路原理圖

3 功率柜電路板的介紹

橋路硬件和控制系統(tǒng)之間的接口功能電路板，作用是反饋和處理信號(hào)。將功率橋的電流、電壓信號(hào)通過FCSA 板、NATO 板送入控制柜內(nèi)的LSGI板；晶閘管單元上的FHVA 板與FGPA 板，通過光纖將反饋信號(hào)、命令信號(hào)送入控制柜內(nèi)的LSGI 板進(jìn)行處理。板件間的信息傳輸過程，如圖3所示。

圖3 LS2100e 系統(tǒng)功率柜控制板件總圖

3.1 門極脈沖放大板（DS200FGPA）

作為發(fā)電機(jī)靜態(tài)起動(dòng)裝置功率柜的重要板件，該板有三個(gè)基本功能。下面以A 相橋路為例，描述三個(gè)基本功能是如何實(shí)現(xiàn)的，如圖4所示。

圖4 門極脈沖放大板與高壓選通接口板之間的配置

1）門極驅(qū)動(dòng)功能

一塊FGPA 板通過晶閘管（SCR）上的FHVA板，為SCR 橋A 相上各個(gè)晶閘管提供足夠幅值和持續(xù)時(shí)間的門極觸發(fā)脈沖電流。脈沖電流來自于FGPA板，由兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)回路AGATE 與BGATE 提供。每個(gè)門極驅(qū)動(dòng)回路提供的能量，最多驅(qū)動(dòng)六個(gè)晶閘管。同時(shí)，該板通過光纖與LS2100e 控制系統(tǒng)（LSGI板）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2）晶閘管狀態(tài)監(jiān)視功能

通過采集FHVA 板上G STATUS 插槽的光信號(hào)，來判定晶閘管導(dǎo)通/關(guān)斷的狀態(tài)信息。并經(jīng)光纖，將反饋信號(hào)送到LS2100e 控制系統(tǒng)（LSGI 板）中。

3）提供板件功能電源

接受一個(gè)120V 的交流輸入電源，并產(chǎn)生下述的直流控制電壓，來滿足各功能的實(shí)現(xiàn)：

P5 A/B 用于邏輯電源（4.7～5.1V dC）

P15 A/B 門極電壓（13.5～14.5V dC）

P40 A/B 用于門“后沿時(shí)間”（25V dC）

P90 A/B 以起動(dòng)門控脈沖發(fā)生（80V dC）

3.2 高壓選通接口板（DS200FHVA）

LS2100e 的每個(gè)晶閘管都具有相同的FHVA 板，起到晶閘管門接口和晶閘管單元電壓監(jiān)控的作用。同時(shí)，F(xiàn)HVA 板提供門極脈沖放大板（FGPA 板）到晶閘管的隔離路徑，防止諧波干擾。

如圖5所示，F(xiàn)HVA 板包括：電流互感器（T1）及其放大回路、紅色LED 燈（C STRT）、晶閘管脈沖觸發(fā)電流輸出極（P1）、E1、E2 極與光電插槽（G STATUS）形成的回路等。該板件主要有三個(gè)基本功能。

1）晶閘管門極觸發(fā)接口功能

如圖6所示，F(xiàn)GPA 板上的脈沖觸發(fā)控制回路是由，GATE1 至GATE2 間連接的一條高壓電纜組成的。該電纜通過串聯(lián)SCR 橋上一相的多個(gè)高壓選通接口板（FHVA）上的電流互感器（T1），將來自FGPA 板上的脈沖電流Ipri，經(jīng)FHVA 板上整流轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詫?duì)晶閘管門極進(jìn)行控制的脈沖電流Igate。通過FHVA 板上的P1 極，完成對(duì)晶閘管單元的觸發(fā)控制。

圖5 FHVA 板件的組成

圖6 門極接口電路及導(dǎo)通指示電路

2）門極狀態(tài)指示功能

FHVA 板上有一個(gè)紅色的LED 燈（C STAT），用于就地檢測(cè)晶閘管是否在脈沖觸發(fā)時(shí)進(jìn)行導(dǎo)通。具體原理圖，如圖6所示。

3）晶閘管監(jiān)視功能

晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)下，F(xiàn)HVA 板上E1、E2 極回路沒有電流流過（Ifwd=0）；而在關(guān)斷狀態(tài)下，電流通過均壓電阻Re流入E1、E2 極間的回路（Ifwd≠0）。電流Ifwd通過G STATUS 插槽（U1），經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換，將晶閘管關(guān)斷狀態(tài)的信息，送到LS2100e 控制柜LSGI 板。在運(yùn)行過程中，因涉及關(guān)斷晶閘管時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓，屬于高壓板件。

3.3 電壓反饋板（DS200NATO）

NATO 板提供電壓反饋，輸入值是SCR 橋兩側(cè)的交流和直流高電壓，經(jīng)板件上相關(guān)電阻多重衰減后輸出到LSGI 板。這個(gè)過程需要精確的處理電壓反饋。

圖7 晶閘管狀態(tài)監(jiān)視電路

3.4 電流反饋板（DS200FCSA）

電流反饋板將功率橋和負(fù)荷橋兩側(cè)的電流，通過電流互感器采集到LS2100E 控制系統(tǒng)LSGI 板去。每一塊FCSA 板，包含兩個(gè)采集A、C 相電流的電流互感器（CT），和兩個(gè)采用霍爾效應(yīng)的電流傳感器（LEM）。

4 故障排查

為了排除故障原因，對(duì)10kV B 段“#3 機(jī)組燃機(jī)變頻起動(dòng)隔離變”開關(guān)進(jìn)行一次遠(yuǎn)方合閘試驗(yàn)。（起動(dòng)隔離變的容量為 7000kVA，額定電流為404.2A，采用三繞組Dd0y1 接線方式。）通過ECMS系統(tǒng)對(duì)電流突變量的查詢，發(fā)現(xiàn)故障時(shí)間為30s 左右；每相電流值均未超過額定電流值，均為同時(shí)突變。在合閘的30s 內(nèi)，每相電流的突變量，有時(shí)是三相同時(shí)變化，有時(shí)是其中兩相發(fā)生變化（見表1）。根據(jù)電流變化量分析，排除短路接地故障的可能性，故障范圍主要集中自于LS2100e 的功率柜。

表1 遠(yuǎn)方合閘后故障電流的突變數(shù)據(jù)

就地檢查L(zhǎng)S2100e 系統(tǒng)，控制柜無異常，源柜也無異常。當(dāng)打開負(fù)載柜時(shí)，發(fā)現(xiàn)逆變橋A 相中的兩塊冷卻板發(fā)黑，晶閘管單元（4T3）內(nèi)FHVA 板上兩個(gè)二極管被擊穿（位置在E2 極旁），冷卻板上一塊電阻（UXP/600 10KJ）完全燒毀。

4.1 晶閘管單元的組成

晶閘管單元的空心鋼殼冷卻板，用一字螺絲固定著5 個(gè)電阻。分別為四個(gè)10Ω 緩沖電阻（UXP/600 10RK），和一個(gè)10kΩ 均壓電阻（UXP/600 10KJ），電阻容量均為600W。緩沖電阻與緩沖電容組成RC緩沖回路，均壓電阻與FHVA 板上的E1、E2 極構(gòu)成反向均壓回路。冷卻板外部金屬與直流銅排母線、晶閘管陽極/陰極相連，用于橋路電能的導(dǎo)通；內(nèi)部空心部分為冷卻水，用于冷卻該發(fā)熱單元。

FHVA 板安裝在冷卻板上，板上電流互感器（T1）有高壓電纜穿過。高壓電纜是由FGPA 板上的GATE 極形成回路，串聯(lián)一相中的四組晶閘管單元。C STATUS 通過光纖與FGPA 板相連，P1 與晶閘管的門極G 和陰極K 通過插槽連接在一起，E1與E2 極分別與冷卻板和電阻相連形成回路。具體組成結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 晶閘管單元接線圖

4.2 晶閘管單元的控制邏輯

晶閘管單元控制邏輯，如圖9所示。晶閘管導(dǎo)通時(shí)，觸發(fā)門極的命令來自LSGI 板，命令信息通過光纖傳遞到FGPA 板上的GATEIN 插槽上，使FGPA 板上的GATE1 與GATE2 之間高壓電纜通過小脈沖電流。小電流通過FHVA 板上的電流互感器（T1）和放大回路放大至足夠門極觸發(fā)脈沖，使晶閘管在承受正向電壓時(shí)導(dǎo)通。同時(shí)，F(xiàn)HVA 板上的C STAT 燈變紅，表示晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通。

圖9 晶閘管單元原理接線圖

SCR 關(guān)斷時(shí)，在FHVA 板上E1、E2 極間產(chǎn)生電流，U1將晶閘管關(guān)斷狀態(tài)的反饋信息，經(jīng)MUX送到LS2100e 控制柜LSGI 板。

4.3 晶閘管單元的緩沖電路

緩沖電路又稱為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓，維持晶閘管的靜態(tài)均壓與動(dòng)態(tài)均壓，減小器件的開關(guān)損耗。緩沖電路一般可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。關(guān)斷緩沖電路又稱為du/dt抑制電路，用于吸收晶閘管關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，保護(hù)晶閘管。

逆變電路中，晶閘管的開通和關(guān)斷頻率很高。當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，因回路中電感L的存在，電流IL不能發(fā)生突變，繼而形成流入RC緩沖回路（由RS與CS組成）的分流電流ICS，將電感上的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移到了電容CS內(nèi)。同時(shí)晶閘管關(guān)斷時(shí)，電流突變?cè)诰чl管兩端產(chǎn)生很高的尖峰電壓UKA，緩沖回路的存在大大降低了晶閘管關(guān)斷瞬間在其兩端所產(chǎn)生的過電壓，維持動(dòng)態(tài)均壓。電容CS上存儲(chǔ)的能量通過并聯(lián)在晶閘管兩端的均壓電阻RE，來平衡一相上各個(gè)晶閘管兩端的反向電壓降，維持靜態(tài)均壓。

當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，電容CS通過電阻RS放電。使IC有一定的電流，有效抑制了開通時(shí)電流過沖和UKA間的開關(guān)電壓過高。并使晶閘管兩端的反向電壓恢復(fù)到母線電源電壓，為下次緩沖吸收做準(zhǔn)備。

4.4 事故原因分析

1）緩沖回路配置存在問題

RC緩沖電路對(duì)抑制晶閘管的關(guān)斷浪涌電壓，存在很好的效果。晶閘管關(guān)斷時(shí)，電能儲(chǔ)存在緩沖電容CS內(nèi)；開通時(shí)，存儲(chǔ)的能量要在緩沖電容CS中得到釋放。此時(shí)，如果緩沖電阻CS和緩沖電阻RS的值選擇不當(dāng)就會(huì)造成緩沖電阻或是均壓電阻燒毀。晶閘管開通時(shí)會(huì)產(chǎn)生過電壓，緩沖電阻對(duì)UCE尖峰電壓的影響比緩沖電容大。在滿足吸收效果的前提下，應(yīng)當(dāng)充分考慮電阻的消耗功率，電阻不能選的過大，因此電阻大概定在20～30Ω之間[7]。而實(shí)際電阻為40Ω。

此次被燒毀電阻為均壓電阻，根據(jù)國內(nèi)其他廠家同容量的靜態(tài)起動(dòng)裝置，晶閘管單元配置的均壓電阻為32kΩ。目前緩沖電路中均壓電阻為10kΩ，阻值可能過小，需要核算。

2）冷卻板末端散熱效果差 此次燒毀的緩沖電阻，位于A 相的晶閘管單元，此處冷卻水管已處于在整個(gè)冷取水的末端，冷取水循環(huán)的效果會(huì)降低很多。對(duì)緩沖電阻的散熱，還是存在一定的影響。

3）操作時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致操作過電壓

在發(fā)生本次事故之前，因燃機(jī)管道的吹掃一直沒有符合要求，LS2100e 曾單獨(dú)為燃機(jī)輪機(jī)供電，長(zhǎng)達(dá)1h19min。而一般的起動(dòng)吹掃時(shí)間均在10min 左右。因此，在這么漫長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，晶閘管關(guān)斷的次數(shù)過多，再停下LS2100e 靜態(tài)起動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，難免造成操作過電壓。

5 發(fā)電機(jī)靜態(tài)起動(dòng)的維護(hù)設(shè)想

5.1 加強(qiáng)有效巡視

燃機(jī)電廠目前在國內(nèi)，一般都用作調(diào)峰機(jī)組使用。日開夜停非常頻繁，因此增加了LS2100e變頻起動(dòng)的次數(shù)，做好變頻器的巡視工作對(duì)燃機(jī)電廠非常重要。變頻起動(dòng)器在每次完成機(jī)組起動(dòng)后，應(yīng)由運(yùn)行人員對(duì)功率柜內(nèi)的進(jìn)行詳細(xì)檢查，用測(cè)溫計(jì)對(duì)每個(gè)可控硅單元及水冷卻管道進(jìn)行測(cè)量與記錄，確保設(shè)備健康程度。

5.2 提供變流橋差動(dòng)保護(hù)

對(duì)于國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)組，發(fā)電機(jī)靜態(tài)起動(dòng)設(shè)備的保護(hù)均為外國廠家（ABB、GE、Siemens、ALSTOM等），據(jù)了解，只有ALSTOM公司能夠提供靜態(tài)起動(dòng)裝置變流橋（整流及逆變回路）差動(dòng)保護(hù)。其技術(shù)難點(diǎn)：網(wǎng)橋側(cè)為工頻，而機(jī)橋側(cè)為變頻（0～50Hz）。

目前，南瑞繼保公司已成功研制了，SFC本體差動(dòng)保護(hù)和輸出變壓器變頻差動(dòng)保護(hù)，可以在有條件基礎(chǔ)上嘗試該保護(hù)。

5.3 靜態(tài)起動(dòng)裝置硬件國產(chǎn)化研究

從此次故事發(fā)生后，完成備件替換的過程整整進(jìn)行了20h。主要是沒有專用工具，及可用備件。再多方聯(lián)系后，竟從其他同類型備用機(jī)組上，拆除正常使用晶閘管單元，替換到該臺(tái)機(jī)組上。因?qū)刂瓢寮牟涣私猓S修及改造帶來了很大的困難。因此只有走國產(chǎn)化的道路，才能解決能夠用下去的問題。

6 結(jié)論

本次事故的發(fā)生，為電廠維護(hù)人員敲響了警鐘，對(duì)國外設(shè)備掌握不到位，面對(duì)厚厚的英文說明書有為難情緒。同時(shí)，對(duì)事故發(fā)生的預(yù)見性估計(jì)不足，導(dǎo)致在故障排除時(shí)，過分的檢查國內(nèi)設(shè)備，而忽略對(duì)國外設(shè)備的認(rèn)真檢查，險(xiǎn)些釀成事故擴(kuò)大。

[1] 李志剛.9F 燃?xì)廨啓C(jī)LS2100e 起動(dòng)系統(tǒng)及起動(dòng)過程簡(jiǎn)介[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2005,18(2): 57-61.

[2] GEI-100224,Static Starter Control High Voltage Gate Board DS200FHVAG1A.

[3] GEI-100222,Static Starter Control Current Sensor Interface Board DS200FCSAG1A.

[4] GEI-100225,Static Starter Control Voltage Feedback Scaling Board DS200NATOG1A.

[5] GEI-100223,Static Starter Control Gate Pulse Amplifier Board DS200FGPA.

[6] 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

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