同步發電機勵磁系統可控硅故障分析與研究

張 凱

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

0 引言

大型水輪發電機組普遍采用可控硅整流裝置,可控硅作為勵磁系統整流裝置的核心部件,當發生晶閘管短路故障時，將造成可控硅主整流橋內部短路，短路電流將使保護裝置出口動作跳閘，勵磁系統退出運行；而當三相橋式整流電路在運行中由于各種原因，可能出現橋臂斷開、脈沖丟失時，有些情況主整流橋仍然會持續工作，但會導致勵磁電壓畸變，對電網系統會產生擾動。在機組運行與檢修過程中，通過錄波系統，根據波形異常的分析結果，迅速判斷故障原因和故障點，對提高電站的穩定運行，提供了可靠的保證。

1 勵磁系統主回路故障下的波形分析

1.1 正常運行時三相全控整流電路的輸出電壓

正常整流狀況下的波形分析：

以圖1為例，假定觸發角為α=600的時候，首先是在t1時刻脈沖觸發信號同時使共陰極1號與共陽極的6號晶閘管導通，每只晶閘管導通時間為120°，在t2時刻，共陽極的-B相6號晶閘管關斷換相至-A相2號晶閘管，而此時共陰極的+A相1號晶閘管持續導通600，直至在t3導通截止換相至共陰極的+B相，如此每隔600輪流發出觸發脈沖，按如圖1d所示順序導通，輸出轉子電壓整流波形[1]。

圖1 正常整流狀況下的波形分析

1.2 同相上橋臂（+B）與上下橋臂(+B、-B)缺相或者脈沖丟失

從圖2中可以看出在t3時刻，共陰極的+B相3號晶閘管由于脈沖丟失無法換相，此時共陰極的+A相持續導通，此時在t3時刻共陽極的-C相2號晶閘管所對應的相電壓Uc>Ua,由于轉子屬于大電感，持續導通至副半軸，轉子電壓產生反向電壓，進入逆變工作狀態。在t4時刻時共陽極的-C相2號晶閘管成功換相至共陽極的-A相4號晶閘管，此時同一橋臂上的共陽極的+A相1號晶閘管與共陽極的-A相4號晶閘管導通，直接導致轉子短路，此時勵磁電壓輸出為0。直至t5時刻，在經過600，發出脈沖，脈沖使5號晶閘管導通，1號晶閘管關斷，短路解除，恢復至正常整流狀態。

圖2 上橋臂（+B）缺相或者脈沖丟失

圖3 上下橋臂(+B、-B)缺相或者脈沖丟失

從圖3中所示，t6時刻之前，故障狀態如同圖2所示，只是在t6時共陽極的-A相1號晶閘管無法換相至-B相6號晶閘管,導致+C相的5號晶閘管與-A相1號晶閘管持續導通至負半軸，最后在t7時刻+C相的5號晶閘管換相至+A相的1號晶閘管，這時又出現1號與4號導通，直流側短路，后面的導通順序依然重復進行。

1.3 不同相、不同橋臂（+B、-A）以及同相、不同橋臂（+B 、+C）以及三臂、四臂（+B 、+C、-B（-C）缺相或觸發脈沖丟失

圖4 不同相、不同橋臂（+B、-A）缺相或脈沖丟失

圖5 同相、不同橋臂（+B 、+C）缺相或脈沖丟失

從圖4中可以看出，在t4之前，同上橋臂（+B）狀況。在t3時刻，共陰極的+A相的1號晶閘管無法換相至共陰極的+B相的3號晶閘管,而此時t4時刻，共陽極的-C相的2號晶閘管無法換相至共陰極的-A相的4號晶閘管，這時共陰極的+A相1號晶閘管與2號晶閘管持續導通1800，在t5時刻+A相換向+C相，此時5號晶閘管與2號晶閘管導通，呈現短路狀態。在t6時刻，換相至6號晶閘管，恢復正常。

從圖5中可以看出，在t4時，可控硅處于共陰極的+A相的1號晶閘管與共陽極的+A相的4號晶閘管處于短路導通狀態，在t5時，5號晶閘管不能導通，1號晶閘管不能關斷，1號晶閘管與4晶閘管號繼續導通。t6時刻，發6號脈沖，滿足條件導通，4號晶閘管關斷，1號與6號導通。t7時刻，發1號脈沖，因1號晶閘管已提前導通處于持續導通狀態，后面導通重復前述過程。

圖6 三橋臂（+B 、+C、-B）缺相或觸發脈沖丟失

圖7 四橋臂（+B 、+C、-B、-C）缺相或觸發脈沖丟失

從圖6中可以看出，+B 、+C、-B脈沖丟失是+B 、+C脈沖丟失的發展，即6號脈沖也丟失，t6時刻6號脈沖丟失，6號晶閘管不能導通，4號晶閘管不能關斷，即一個周期內，1~4導通2400，1~2導通1200，且1~4處于短路直流顛覆狀態，而1~2晶閘管處于整流與逆變各600，直到1~2導通恢復整流狀態。而圖7中，t4時刻后，l~4 兩晶閘管一直導通，直流側一直短路，勵磁電流按勵磁線圈回路時間常數衰減，無法恢復到整流狀態。

1.4 觸發脈沖全部丟失

從圖8所示，在t2~t3之間，某一原因使脈沖全部丟失，剩下的周期內，勵磁電壓兩端電壓波形按故障時導通的兩晶閘管所在相電壓變化呈現正弦交流電壓波形。

圖8 脈沖全部丟失

2 基于PSCAD的三相全控整流橋故障模擬仿真

為了進一步驗證故障時波形的準確性，通過PSCAD搭建了系統仿真模型[2](如圖9所示)進行演示。模型由同步發電機、變壓器模塊、6脈沖整流橋模塊、觸發角控制模塊以及脈沖控制模塊等構成。

圖9 三相全控整流橋故障模擬仿真圖

圖10 正常整流狀況下的波形（600與300）

從圖10中，可以看出，在觸發角α=600或300時，勵磁電壓輸出波形分別落在上半軸上機上半軸上方，無缺口也無畸變。

圖11 上橋臂（+B）缺相或觸法脈沖丟失（600與300）

從圖11中，當觸發角α=600時候，上橋臂（+B）故障時，可以看出在可控硅導通一個周期內，勵磁電壓輸出平均值為正常無故障下的1/2，此時會導致無功降低，發電機機端電壓降低。勵磁調節器會通過減少觸發角（例如α=300）度來提高勵磁電壓輸出的平均值，增加0軸以上導通面積，使得無功拉回，對勵磁系統影響不太嚴重。但此時勵磁系統會降低強勵倍數，經計算強勵倍數會下降至以前的0.75倍，單橋臂上可控硅電流有效值反而增加為倍[3]。

圖12 上下橋臂（+B、-B）缺相或觸法脈沖丟失（600與300）

從圖12中看出，當觸發角α=600時候，上下橋臂(+B、-B)可以看出勵磁電壓輸出平均值在一個周期范圍內上下周導通面積抵消，輸出為0，表現為失磁型，此時勵磁調節器（例如α=300）依然可通過調節，提高無功功率，強勵倍數會下降至以前的0.5倍[3]，兩個橋臂上可控硅電流有效值反而增加為倍[3]。

圖13 不同相、不同橋臂（+B、-A）缺相或觸法脈沖丟失（600與300）

從圖13與圖14的波形圖中，可以當觸發角α=600，不同相、不同橋臂（+B、-A）或者同相、不同橋臂（+B、+C），勵磁電壓均輸出接近0，勵磁調節器經過減少觸發角（例如 =300）后增磁調節后，無功功率依然會回升，不會導致完全失磁。但可以清晰的看出，在+B、+C脈沖丟失的情況下，+A相晶閘管持續導通3600，存在嚴重過載重大安全隱患，其中不同相、不同橋臂（+B、-A）與不同橋臂（+B 、+C）的強勵倍數將分別下降至0.583與0.417[3]，單個橋臂上可控硅電流有效值分別增加為倍、倍[3]。

圖14 同相、不同橋臂（+B 、+C）缺相或觸發脈沖丟失（600與300）

圖15 三橋臂（+B 、+C、-B）缺相或觸發脈沖丟失（600與300）

從圖15可中以看出在一個周期內，可控硅一直處于直流短路2400、甚至處于一直短路狀態，均屬于失磁狀態，其強勵倍數分別下降至0.288 7倍[3]，存在兩個橋臂上可控硅有效值分別增加為倍、倍[3]，即使考慮即使考慮調節器的調節作用，也會導致嚴重失磁，經過減少觸發角，勵磁調節器強勵增磁也效果不大。

圖16 脈沖全部丟失

從圖16中看到，脈沖全部丟失之后，勵磁調節器處于完全失磁狀態，調節器強勵無效。

3 總結

綜合以上分析可知,當三相橋式整流電路在運行中由于各種原因，可能出現橋臂斷開、脈沖丟失時，其輸出的轉子電壓都會有不同程度的下降，通過減少可控硅的觸發角度，其輸出電壓在可能仍然回到故障前值，但此時勵磁系統的強勵倍數將下降。特別是三橋臂到四橋臂，直至所有脈沖缺相或觸發脈沖丟失，屬于嚴重失磁狀態，勵磁系統已經完全喪失了強勵與正常運行狀態。

對于勵磁設備來說,可控硅的不導通不僅會導致其它可控硅承受的電流增大引起散熱困難,還會導致勵磁變壓器產生直流偏磁與不對稱運行狀態,所以勵磁設備不僅僅是在并網前要保證可控硅的完全導通,運行狀態更是需要保證可控硅能承受住電流、電壓以及發熱的問題的影響，當系統主回路出現故障時，通過錄波系統，根據上述異常波形的分析結果，可以迅速判斷故障原因和故障點，為及時排除故障，恢復生產，提高電站的整體經濟效益，提供了可靠的保證和理論依據。