一起SVC 一相可控硅全部擊穿的原因分析

胡建農(nóng)

(上海梅山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部，江蘇南京 210039)

上海梅山鋼鐵股份有限公司于2001年引進的第二套靜止型動態(tài)無功補償（SVC）系統(tǒng)，系國外的第三代產(chǎn)品，型號為LVVR 30/244，用于對25 MV·A 煉鋼精煉爐（LF 爐）的諧波治理。安裝在LF 爐電源30 kV母線，采用晶閘管控制的電抗器（TCR）＋諧波濾波器（FC）組合而成的靜止型動態(tài)無功補償裝置，由一組容量為22 Mvar的可控硅控制電抗器和22 Mvar 兩組濾波電容器組成。其中可控硅采用雙向可控硅型號為5STB 1365N。使用一段時間后經(jīng)常發(fā)生穿墻套管的戶外側(cè)有放電現(xiàn)象，在采取現(xiàn)場清洗手段后繼續(xù)投運，某日突然發(fā)生“過流保護速斷”動作，檢測后發(fā)現(xiàn)有一相可控硅全部擊穿(ca 相)。

1 SVC 在鋼鐵企業(yè)中的重要性

靜止型動態(tài)無功補償（SVC）裝置是電力系統(tǒng)用于電網(wǎng)諧波治理有效手段，鋼鐵企業(yè)主要用于對熱軋機組、煉鋼精煉爐和煉鋼電弧爐進行動態(tài)無功補償。補償前煉鋼精煉爐所對應(yīng)的上級變電站110 kV 母線的實際檢測數(shù)據(jù)為：短時間電壓閃變Pst最大值三相分別為1.594 p.u.，1.531 p.u.，1.496 p.u.，超過允許值，測試期間A 相5 次超標(biāo)，B 相4 次超標(biāo)，C 相3 次超標(biāo)。長時間電壓閃變PltA，PltB，PltC三相別為0.938 p.u.，0.875 p.u.，0.844 p.u.，超過允許值。而三相諧波電壓總崎變率分別為0.72%，0.75%，1%，低于標(biāo)準(zhǔn)2%，各次諧波電流均未超過限值。由此可見煉鋼精煉爐產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)影響小，主要是精煉爐負載產(chǎn)生的大量無功引起電壓閃變，頻繁的電壓閃變對電網(wǎng)的污染很大。

諧波治理在過去普遍認為是對電網(wǎng)有利，是解決用戶產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染問題，以及消除由于高次諧波引起的發(fā)熱和能耗[1]。但在上海梅山鋼鐵股份有限公司的實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)諧波和閃變會對計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成批量廢品。在計算機控制系統(tǒng)普遍使用的今天，諧波治理更是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。

2 可控硅相關(guān)技術(shù)要求

2.1 可控硅的關(guān)鍵參數(shù)

供電系統(tǒng)與一般電機拖動系統(tǒng)所使用的可控硅裝置有所不同，供電系統(tǒng)使用的可控硅裝置的特點是電壓高、電流大、外部干擾源多而且復(fù)雜的特點。可控硅是SVC的關(guān)鍵部件，可控硅的關(guān)鍵參數(shù)有UDRM，URRM，dV/dt，di/dt。其中可控硅觸發(fā)特性非常關(guān)鍵，當(dāng)門極加入觸發(fā)電流后，元件首先在門極的附近逐漸形成導(dǎo)通區(qū)，并且隨著時間的增長導(dǎo)通區(qū)逐漸擴大直至全部結(jié)面變成導(dǎo)通，如在結(jié)面還沒有全導(dǎo)通時電流已升到很大，大的電流密度可能在門極的附近的結(jié)部發(fā)生過熱使元件損壞[2]。所以規(guī)定通態(tài)臨界電流上升率di/dt 極限值。

2.2 可控硅觸發(fā)裝置

可控硅觸發(fā)是在門極加上大于1.2 V的觸發(fā)信號，經(jīng)過8～30 μs的時間使可控硅全導(dǎo)通[2]，通常采用脈沖觸發(fā)。目前一般有2 類典型觸發(fā)裝置，一類裝置的結(jié)構(gòu)是集中脈沖觸發(fā)，如圖1 所示。

圖1 集中脈沖觸發(fā)系統(tǒng)圖

集中脈沖觸發(fā)裝置基本原理：脈沖柜接收到控制柜給出的晶閘管觸發(fā)光信號后，驅(qū)動脈沖觸發(fā)光電轉(zhuǎn)換板，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號送給脈沖形成單元。脈沖形成單元是整個脈沖柜的核心部分。在這個單元里，脈沖形成器接收光電轉(zhuǎn)換單元送來的電信號，通過輸入脈沖前置放大、前沿脈沖控制、前沿脈沖形成、脈沖控制、振蕩、逆變等電路模塊，將其放大形成Tab+，Tab-，Tbc+，Tbc-，Tca+，Tca-6 路方波脈沖信號。6 路強觸發(fā)脈沖通過阻抗匹配電路使脈沖變壓器T1，T2的次級感應(yīng)出一個脈沖（如圖2 所示），再通過脈沖電纜接到可控硅門極，觸發(fā)可控硅。

圖2 集中脈沖觸發(fā)原理圖

另一類裝置的結(jié)構(gòu)是單閥脈沖觸發(fā)，如圖3 所示。

圖3 單閥脈沖觸發(fā)原理圖

單閥脈沖觸發(fā)裝置基本原理：為每個可控硅閥配一個獨立的觸發(fā)裝置TCU。觸發(fā)裝置TCU的工作電源直接從可控硅閥取用，與外部的聯(lián)絡(luò)只有2 根光纖FP，IP，將脈沖形成單元、觸發(fā)控制邏輯單元、緊急觸發(fā)回路和觸發(fā)脈沖檢測回路集成在一起，與可控硅閥裝在一塊電路板上或一個框架上，極短的觸發(fā)脈沖輸出線直接與可控硅閥的門極連接。觸發(fā)裝置接收到控制柜給出的晶閘管觸發(fā)光信號后，F(xiàn)P 將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過觸發(fā)控制邏輯單元輸出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)可控硅開通，如圖4 所示。

3 穿墻套管的閃絡(luò)與污閃現(xiàn)象

在電力系統(tǒng)線路和設(shè)備上發(fā)生放電、閃絡(luò)是常見現(xiàn)象，多數(shù)是在外部條件發(fā)生變化時，原來絕緣狀態(tài)正常的設(shè)備產(chǎn)生放電現(xiàn)象，當(dāng)外部環(huán)境一旦改變，放電現(xiàn)象隨之消失。也有發(fā)展迅速直至閃弧導(dǎo)致相間短路的故障發(fā)生。上海梅山鋼鐵股份有限公司有一個新建的35 kV 變電站，由于一次設(shè)備是按半敞開式設(shè)計的，10 kV 絕緣子選用戶內(nèi)型絕緣子，在一次狂風(fēng)暴雨中，20 min 內(nèi)從閃絡(luò)發(fā)展到閃弧再到三相短路事故的發(fā)生。

圖4 TCU 原理圖

在重污染區(qū)域，電氣設(shè)備經(jīng)常發(fā)生放電、閃絡(luò)現(xiàn)象，由于空氣中污染介質(zhì)很不穩(wěn)定，往往不容易及時準(zhǔn)確判斷。在有關(guān)文獻中對絕緣子的沿面局部電弧爬電所導(dǎo)致的局部電弧貫通，因無法解釋絕緣子表面無痕的閃絡(luò)現(xiàn)象，歸為不明閃絡(luò)。造成絕緣子極間空氣間隙絕緣強度下降的原因，是由于絕緣子周圍空間的空間電荷衍生電場改變了空氣間隙內(nèi)的場強分布，將絕緣子極間空氣間隙擊穿。當(dāng)絕緣子附近空間內(nèi)，由于污染注入空間電荷電量達到一定數(shù)量級時，將發(fā)生絕緣子極間空氣間隙擊穿，也可稱為污閃現(xiàn)象。這些與鋼鐵企業(yè)的部分重污染區(qū)域，電氣設(shè)備經(jīng)常發(fā)生的閃絡(luò)現(xiàn)象很吻合，應(yīng)引起高度重視。

4 事故分析

4.1 設(shè)備的選型

SVC的穩(wěn)定器TCR的額定容量為22 Mvar，TCR控制系統(tǒng)采用國外廠商自行研制的MACH2 模擬控制系統(tǒng)，SVC的晶閘管閥塔采用單閥脈沖觸發(fā)，為當(dāng)時普遍采用的成熟技術(shù)，其晶閘管元件的門極為“電觸發(fā)”。含BOD 保護，即晶閘管正向電壓超過設(shè)計值時的強迫安全導(dǎo)通。晶閘管閥塔與觸發(fā)控制及在線監(jiān)測系統(tǒng)之間采用光纖通信，防止觸發(fā)信號在傳輸過程中受到電磁干擾的問題。晶閘管閥塔采用純水冷卻，占地面積很小。裝置FC 額定容量為22 Mvar，由3 次和5次2 組單調(diào)諧濾波器構(gòu)成，3 次濾波支路容量9 Mvar，5 次濾波支路容量13 Mvar。

雙向可控硅型號為5STB-1365N，VRM（UDRM）=5600 V，VSM=6500 V（最大斷態(tài)浪涌峰值電壓），I=1390 A（70℃），di/dt=24 kA/8.3 ms，每相有16 片串聯(lián)使用。穿墻套管爬電距離為室外1000 mm，室內(nèi)380 mm。閃絡(luò)距離為室外467 mm，室內(nèi)330 mm。

從主要設(shè)備的選型來看，可控硅的各項參數(shù)都能滿足工況要求。但穿墻套管選型低于用戶要求的重污染環(huán)境下最小爬電距離，不滿足重污染環(huán)境下穿墻套管戶外絕緣子的最小爬電距離應(yīng)為1255 mm的要求。導(dǎo)致在正常使用條件下發(fā)生放電現(xiàn)象，同時閃絡(luò)距離室外為467 mm，在重污染環(huán)境下易產(chǎn)生污閃現(xiàn)象。

4.2 dV/dt的增大

由于在穿墻套管固定的底板上有一似焊點的痕跡，廠商認為發(fā)生了拉弧現(xiàn)象，由于拉弧造成dV/dt的迅速增加導(dǎo)致。一般認為爬電拉弧其能量應(yīng)該是相當(dāng)大的，同時應(yīng)在絕緣子的表面留下爬電拉弧痕跡。另外如發(fā)生過拉弧就應(yīng)該有2個灼燒點，另1個灼燒點應(yīng)是帶電的部分及套管端部的鋁制均壓罩，與底板的灼燒程度來比，鋁制均壓罩上應(yīng)該留下更重的灼燒痕跡（因為鋁比鐵的熔點低）。但實際情況是，鋁制均壓罩均無灼燒痕跡，穿墻套管的表面也未發(fā)現(xiàn)爬電閃絡(luò)痕跡。其故障時所發(fā)生的閃絡(luò)應(yīng)該是污閃現(xiàn)象，污閃現(xiàn)象一般不會產(chǎn)生很大的dV/dt。

在工廠中大量使用可控硅變流設(shè)備和電源裝置，設(shè)備上時常發(fā)生污閃現(xiàn)象，也沒有發(fā)生導(dǎo)致?lián)舸┛煽毓栝y的事故的記錄。此套設(shè)備中使用的穿墻套管其閃絡(luò)距離467 mm（室外），在重污染地區(qū)發(fā)生了污閃現(xiàn)象是必然的，但不應(yīng)該是造成一相可控硅全部擊穿的直接原因。

4.3 di/dt的上升

外商另判定在開狀態(tài)下，由于閃絡(luò)引起di/dt 上升，導(dǎo)致可控硅閥全部損壞。一般閃絡(luò)現(xiàn)象都發(fā)生在接近于相電壓最大值的瞬間，相電壓的突然降低而引起的回路等效放電電容電流，其特點是衰減快且共振頻率高達數(shù)千赫，可產(chǎn)生很高的di/dt。但由于本系統(tǒng)中有大容量的補償電抗器，對放電電容電流有遏制作用，di/dt 不會迅速上升，造成一相可控硅全部擊穿的可能性不大。

4.4 可控硅觸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)

將損壞的可控硅閥打開后，其所拍攝的照片來看，可控硅閥均在門極附近燒壞。外商也懷疑是觸發(fā)脈沖不正常導(dǎo)致可控硅閥部分開通，使可控硅閥全部擊穿。但事故后對所有可控硅觸發(fā)單元進行測試，各單元的性能均正常。

前面分析中將目前國內(nèi)、國外常用的可控硅觸發(fā)系統(tǒng)歸納為兩大類典型觸發(fā)裝置，一類是集中脈沖觸發(fā)，另一類是單閥脈沖觸發(fā)。單閥脈沖觸發(fā)在進口設(shè)備中廣泛使用，本套SVC 系統(tǒng)中的可控硅觸發(fā)裝置是單閥脈沖觸發(fā)。

單閥脈沖觸發(fā)有著多方面的優(yōu)點，特別是脈沖觸發(fā)器輸出與門極之間的距離極短，每個可控硅閥的觸發(fā)器輸出連接線完全一致，使得輸出的觸發(fā)脈沖抗電磁干擾性強，觸發(fā)的同步控制精度高。而“集中脈沖觸發(fā)”裝置從脈沖柜輸出的觸發(fā)脈沖，先經(jīng)過屏蔽電纜接到可控硅閥組處的脈沖變壓器原邊，再從脈沖變壓器的付邊分別接到每個可控硅閥的門極（有長度差），對觸發(fā)的同步控制精度有影響，抗電磁干擾性相對較差。

2 種觸發(fā)裝置的供電方式存在較大差異，集中脈沖觸發(fā)裝置是由脈沖柜中獨立的電源裝置供給電源，電源裝置的輸出電壓穩(wěn)定。同時裝置中的前沿脈沖控制、前沿脈沖形成、脈沖控制、振蕩、逆變等電路模塊都是在穩(wěn)定的電壓下工作，高壓主回路的波形異常對脈沖觸發(fā)不會產(chǎn)生影響。在脈沖形成到觸發(fā)脈沖輸出前，每相上的脈沖觸發(fā)是同一的（如Tab+）。而單閥脈沖觸發(fā)裝置的每個TCU 單獨取電源，由于電源直接取自可控硅閥兩端，高壓回路的波形受各種因素的影響，必然對TCU的工作電源產(chǎn)生影響。如果在可控硅閥附近的局部放電、閃絡(luò)，本相的電壓突然降低，或瞬間為零，必然會對TCU的輸出觸發(fā)脈沖產(chǎn)生影響，是有可能引發(fā)可控硅全部擊穿的。

分析TCU的工作原理，TCU 模塊中含正常觸發(fā)、檢測、恢復(fù)保護、保護觸發(fā)單元。正常觸發(fā)時由檢測單元產(chǎn)生的電壓，在FP 光控信號的控制下，輸出一個觸發(fā)電壓Ue，寬度約50 μs的方波脈沖波形觸發(fā)可控硅開通，可控硅閥的開通面積S 達100%，可控硅閥的通流能力為額定電流Id。可控硅閥組正常工作。如果出現(xiàn)另一種情況，可控硅閥在觸發(fā)脈沖的前沿觸發(fā)下開始逐漸打開，此時穿墻套管正好產(chǎn)生污閃現(xiàn)象，由于穿墻套管在可控硅閥附近，TCU的工作電源電壓與閃烙電壓一樣突然降低或瞬間為0，從而引起輸出方波脈沖波形變窄的不正常脈沖。

失去持續(xù)觸發(fā)電壓的可控硅閥導(dǎo)通區(qū)面積S 無法逐漸擴大，導(dǎo)致可控硅閥沒有全部開通，可控硅閥的部分開通使閥的通流能力達不到額定電流Id。但可控硅閥一旦打開后，外部負載電流由工況確定，仍保持很大的數(shù)值，通流能力的不足使可控硅閥在門極附近燒壞。由于保護單元的脈沖波形是同一工作電源，同時受到污閃引起高壓回路的波形變化干擾，不能使可控硅閥繼續(xù)打開，無法起到保護作用。這應(yīng)該是造成一相可控硅全部擊穿的真正原因。

5 結(jié)束語

通過以上事障原因分析，建議工業(yè)用戶在SVC 選型和使用過程中，注意對重污染環(huán)境下，設(shè)備的相關(guān)參數(shù)合理確定，特別是距離閥組較近的穿墻套管等要提高防污等級。對觸發(fā)系統(tǒng)是單閥脈沖觸發(fā)裝置的SVC，不能在污閃狀態(tài)下繼續(xù)使用，以防同類事故的發(fā)生。

[1]楊志新，楊世海.基于串聯(lián)補償?shù)拈g諧波抑制技術(shù)研究[J].江蘇電機工程，2013，32（2）：38-42.

[2]趙殿甲.可控硅電路[M].北京：冶金工業(yè)出版社.1986：2-79.