GE LS2100e系統功率柜內緩沖回路 燒毀的分析

王正元 兀鵬越

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

某燃氣電廠GE 9FB 燃氣輪機起動裝置，采用LS2100e 靜態起動系統。2014年12月11日9∶20∶21，10kV B 段“#3 機組燃機變頻起動隔離變”開關，合閘后迅速跳閘。就地檢查開關所配東大金智綜保WDZ-5211 時，未見異常。隨即檢查開關柜二次回路，確認保護壓板及跳閘回路。兩個保護壓板來自WDZ-5211 和起動隔離變的保護裝置G60I。分別查詢兩處裝置報文，均未發現動作報文。惟一的疑點，就縮小到了跳閘回路中來自LS2100e 控制系統的常開接點。同時，針對故障時開關電流錄波數據，再次判定故障范圍來自LS2100e 系統。最后檢查就地起動系統，發現該系統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 系統功率柜的原理、硬件、控制板件進行梳理，找到故障發生的原因。

1 LS2100e 系統整體功能的介紹[1]

LS2100e 起動系統與 EX2100e 勵磁系統在MARKVI 系統中的完美配合，將燃氣機組的發電機轉換成起動電機，如圖1所示。

圖1 LS2100e 靜態起動系統概況

起動系統中的源橋電源，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 線路電抗器用于補償發電機斷路器電容。AC 線路電抗器輸出通過快速熔斷器、隔離開關89SS-1 送至發電機定子。

2 功率柜硬件的介紹

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

圖2 LS2100e 電能轉換回路原理圖

3 功率柜電路板的介紹

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

圖3 LS2100e 系統功率柜控制板件總圖

3.1 門極脈沖放大板（DS200FGPA）

作為發電機靜態起動裝置功率柜的重要板件，該板有三個基本功能。下面以A 相橋路為例，描述三個基本功能是如何實現的，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）門極驅動功能

一塊FGPA 板通過晶閘管（SCR）上的FHVA板，為SCR 橋A 相上各個晶閘管提供足夠幅值和持續時間的門極觸發脈沖電流。脈沖電流來自于FGPA板，由兩個門極驅動回路AGATE 與BGATE 提供。每個門極驅動回路提供的能量，最多驅動六個晶閘管。同時，該板通過光纖與LS2100e 控制系統（LSGI板）進行數據交換。

2）晶閘管狀態監視功能

通過采集FHVA 板上G STATUS 插槽的光信號，來判定晶閘管導通/關斷的狀態信息。并經光纖，將反饋信號送到LS2100e 控制系統（LSGI 板）中。

3）提供板件功能電源

接受一個120V 的交流輸入電源，并產生下述的直流控制電壓，來滿足各功能的實現：

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“后沿時間”（25V dC）

P90 A/B 以起動門控脈沖發生（80V dC）

3.2 高壓選通接口板（DS200FHVA）

LS2100e 的每個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控的作用。同時，FHVA 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，FHVA 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。該板件主要有三個基本功能。

1）晶閘管門極觸發接口功能

如圖6所示，FGPA 板上的脈沖觸發控制回路是由，GATE1 至GATE2 間連接的一條高壓電纜組成的。該電纜通過串聯SCR 橋上一相的多個高壓選通接口板（FHVA）上的電流互感器（T1），將來自FGPA 板上的脈沖電流Ipri，經FHVA 板上整流轉變為可以對晶閘管門極進行控制的脈沖電流Igate。通過FHVA 板上的P1 極，完成對晶閘管單元的觸發控制。

圖5 FHVA 板件的組成

圖6 門極接口電路及導通指示電路

2）門極狀態指示功能

FHVA 板上有一個紅色的LED 燈（C STAT），用于就地檢測晶閘管是否在脈沖觸發時進行導通。具體原理圖，如圖6所示。

3）晶閘管監視功能

晶閘管在導通狀態下，FHVA 板上E1、E2 極回路沒有電流流過（Ifwd=0）；而在關斷狀態下，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），經過電光轉換，將晶閘管關斷狀態的信息，送到LS2100e 控制柜LSGI 板。在運行過程中，因涉及關斷晶閘管時產生的尖峰電壓，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 橋兩側的交流和直流高電壓，經板件上相關電阻多重衰減后輸出到LSGI 板。這個過程需要精確的處理電壓反饋。

圖7 晶閘管狀態監視電路

3.4 電流反饋板（DS200FCSA）

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

4 故障排查

為了排除故障原因，對10kV B 段“#3 機組燃機變頻起動隔離變”開關進行一次遠方合閘試驗。（起動隔離變的容量為 7000kVA，額定電流為404.2A，采用三繞組Dd0y1 接線方式。）通過ECMS系統對電流突變量的查詢，發現故障時間為30s 左右；每相電流值均未超過額定電流值，均為同時突變。在合閘的30s 內，每相電流的突變量，有時是三相同時變化，有時是其中兩相發生變化（見表1）。根據電流變化量分析，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 遠方合閘后故障電流的突變數據

就地檢查LS2100e 系統，控制柜無異常，源柜也無異常。當打開負載柜時，發現逆變橋A 相中的兩塊冷卻板發黑，晶閘管單元（4T3）內FHVA 板上兩個二極管被擊穿（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 個電阻。分別為四個10Ω 緩沖電阻（UXP/600 10RK），和一個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，用于橋路電能的導通；內部空心部分為冷卻水，用于冷卻該發熱單元。

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。具體組成結構，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。晶閘管導通時，觸發門極的命令來自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脈沖，使晶閘管在承受正向電壓時導通。同時，FHVA 板上的C STAT 燈變紅，表示晶閘管已經導通。

圖9 晶閘管單元原理接線圖

SCR 關斷時，在FHVA 板上E1、E2 極間產生電流，U1將晶閘管關斷狀態的反饋信息，經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因過電壓，維持晶閘管的靜態均壓與動態均壓，減小器件的開關損耗。緩沖電路一般可分為關斷緩沖電路和開通緩沖電路。關斷緩沖電路又稱為du/dt抑制電路，用于吸收晶閘管關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，保護晶閘管。

逆變電路中，晶閘管的開通和關斷頻率很高。當晶閘管關斷時，因回路中電感L的存在，電流IL不能發生突變，繼而形成流入RC緩沖回路（由RS與CS組成）的分流電流ICS，將電感上的儲能轉移到了電容CS內。同時晶閘管關斷時，電流突變在晶閘管兩端產生很高的尖峰電壓UKA，緩沖回路的存在大大降低了晶閘管關斷瞬間在其兩端所產生的過電壓，維持動態均壓。電容CS上存儲的能量通過并聯在晶閘管兩端的均壓電阻RE，來平衡一相上各個晶閘管兩端的反向電壓降，維持靜態均壓。

當晶閘管導通時，電容CS通過電阻RS放電。使IC有一定的電流，有效抑制了開通時電流過沖和UKA間的開關電壓過高。并使晶閘管兩端的反向電壓恢復到母線電源電壓，為下次緩沖吸收做準備。

4.4 事故原因分析

1）緩沖回路配置存在問題

RC緩沖電路對抑制晶閘管的關斷浪涌電壓，存在很好的效果。晶閘管關斷時，電能儲存在緩沖電容CS內；開通時，存儲的能量要在緩沖電容CS中得到釋放。此時，如果緩沖電阻CS和緩沖電阻RS的值選擇不當就會造成緩沖電阻或是均壓電阻燒毀。晶閘管開通時會產生過電壓，緩沖電阻對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，應當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]。而實際電阻為40Ω。

此次被燒毀電阻為均壓電阻，根據國內其他廠家同容量的靜態起動裝置，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冷取水的末端，冷取水循環的效果會降低很多。對緩沖電阻的散熱，還是存在一定的影響。

3）操作時間過長導致操作過電壓

在發生本次事故之前，因燃機管道的吹掃一直沒有符合要求，LS2100e 曾單獨為燃機輪機供電，長達1h19min。而一般的起動吹掃時間均在10min 左右。因此，在這么漫長的時間內，晶閘管關斷的次數過多，再停下LS2100e 靜態起動系統時，難免造成操作過電壓。

5 發電機靜態起動的維護設想

5.1 加強有效巡視

燃機電廠目前在國內，一般都用作調峰機組使用。日開夜停非常頻繁，因此增加了LS2100e變頻起動的次數，做好變頻器的巡視工作對燃機電廠非常重要。變頻起動器在每次完成機組起動后，應由運行人員對功率柜內的進行詳細檢查，用測溫計對每個可控硅單元及水冷卻管道進行測量與記錄，確保設備健康程度。

5.2 提供變流橋差動保護

對于國內燃氣輪機組，發電機靜態起動設備的保護均為外國廠家（ABB、GE、Siemens、ALSTOM等），據了解，只有ALSTOM公司能夠提供靜態起動裝置變流橋（整流及逆變回路）差動保護。其技術難點：網橋側為工頻，而機橋側為變頻（0～50Hz）。

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

5.3 靜態起動裝置硬件國產化研究

從此次故事發生后，完成備件替換的過程整整進行了20h。主要是沒有專用工具，及可用備件。再多方聯系后，竟從其他同類型備用機組上，拆除正常使用晶閘管單元，替換到該臺機組上。因對控制板件的不了解，維修及改造帶來了很大的困難。因此只有走國產化的道路，才能解決能夠用下去的問題。

6 結論

本次事故的發生，為電廠維護人員敲響了警鐘，對國外設備掌握不到位，面對厚厚的英文說明書有為難情緒。同時，對事故發生的預見性估計不足，導致在故障排除時，過分的檢查國內設備，而忽略對國外設備的認真檢查，險些釀成事故擴大。

[1] 李志剛.9F 燃氣輪機LS2100e 起動系統及起動過程簡介[J].燃氣輪機技術,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[M].北京: 機械工業出版社,2008.

[7] 姜棟棟,王燁,盧峰.IGBT 過電壓產生機理分析及RC 緩沖電路的設計[J].電力科學與工程,2011,27(4): 23-29.

[8] 吳書泉.GE 9FA 燃氣—蒸汽聯合循環發電機組LCI變頻起動裝置研究及運用[D].杭州: 浙江大學,2009.

[9] 馬鐵軍,傅煜.阻容吸收回路放電電阻過熱原因分析及處理[J].中國電力,2010,43(11): 92-95.