發電機勵磁裝置故障處理及分析

鄭美龍

（福建晉江天然氣發電有限公司 福建晉江）

一、概況

燃氣輪機發電廠發電機勵磁裝置采用GE公司EX2100全靜態勵磁裝置，勵磁電流由連接在6 kV母線上的勵磁變壓器經整流后獲取。該勵磁裝置采用冗余控制系統，每臺勵磁裝置配有兩套可控硅整流橋，正常運行時由1號整流橋（簡稱M1橋）工作，2號整流橋（簡稱M2橋）作為備用，在M1橋發生故障時，勵磁裝置會自動切換至M2橋工作，由M2橋向發電機提供勵磁電流，以保證發電機的正常運行。勵磁裝置的整流橋為三相全波可控硅整流橋路，如圖1所示，每個橋由6個可控硅、12個熔斷器組成。整流橋工作時產生的熱量通過柜頂的扇熱風機排出。

圖1 三相全波可控硅整流橋

1.故障

發電機勵磁裝置在運行中發M1橋故障報警，報文“Cell 5 No Conduct”（M1橋5號可控硅無導通電流），同時勵磁裝置由M1橋自動切換至M2橋工作。廠檢修人員隨后對勵磁裝置相關設備進行檢查。

（1）就地查看勵磁控制器M1橋故障代碼為182，故障報文“Cell 5 No Conduct”，與監控后臺報文相一致。

（2）查看勵磁裝置切換至M2橋后的運行情況，勵磁電壓和勵磁電流均穩定，無明顯波動。查看勵磁裝置M1橋元器件，發現1，5號可控硅的熔斷器熔斷指示器均已彈出，表明1，5號可控硅的熔斷器均已熔斷。

（3）查看對應的6 kV勵磁變壓器高壓側開關的保護裝置，發現保護裝置發"高壓側三相過流保護動作"告警。在發電機監控后臺,查看勵磁裝置切換前后的發電機勵磁電壓、勵磁電流、發電機電壓、電流、發電機有功功率曲線等，發現故障前并無明顯波動。檢查發電機本體運行無異音、勵磁刷架無打火現象

綜合以上故障現象和檢查結果，檢修人員初步判斷為勵磁裝置M1橋內部元器件故障，M2橋可繼續運行，待發電機停機后再對M1橋進行故障處理。

2.可控硅檢查

所用可控硅為單向整流可控硅，單向可控硅有陽極A、陰極K、控制G的3個引出腳。只有當單向可控硅陽極A與陰極K之間加有正向電壓，同時控制極G與陰極間加上所需的正向觸發電壓時，方可被觸發導通。此時A、K間呈低阻導通狀態，陽極A與陰極K間壓降約1 V。單向可控硅導通后，控制器G即使失去觸發電壓，只要陽極A和陰極K之間仍保持正向電壓，單向可控硅繼續處于低阻導通狀態。只有把陽極A電壓拆除或陽極A、陰極K間電壓極性發生改變（交流過零）時，單向可控硅才由低阻導通狀態轉換為高阻截止狀態。單向可控硅一旦截止，即使陽極A和陰極K間又重新加上正向電壓，仍需在控制極G和陰極K間有重新加上正向觸發電壓方可導通。單向可控硅的導通與截止狀態相當于開關的閉合與斷開狀態，用其可制成無觸點開關。

根據可控硅的這一特性，可按圖2的接線方式，變換陽極A和陰極K、控制極G和陰極K之間電壓的極性，并通過直流表計來判斷可控硅是否已經導通來簡單校驗可控硅開關特性。

停機后，檢修人員對勵磁裝置M1橋上的6個可控硅及其配套熔絲進行檢查，檢查結果：可控硅VD5（C相）已燒穿，兩側電阻為0；可控硅VD1（A相）未燒穿，但其開關特性已不滿足要求；可控硅VD2，VD4，VD5，VD6 未燒穿，開關特性也滿足要求。熔絲FU1，FU5已熔斷，FU2，FU4，FU5，FU6 熔絲完好。

圖2 可控硅接線圖

3.故障原因推斷

所用勵磁裝置的整流原理為三相全波整流，在全波整流過程中，要求始終保持有2個可控硅在導通狀態，其中一個在共陰極側，另一個在共陽極側。

全波整流對觸發脈沖的要求：VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差 60°；共陰極組 VT1，VT3，VT5的脈沖依次差 120°，共陽極組 VT4，VT6，VT2 也依次差 120°；同一相的上下 2個橋臂，即 VT1與 VT4，VT3與 VT6，VT5與 VT2，脈沖相差180°。每個可控硅的導通時刻及長度可簡化為圖3所示。

圖3 可控硅的導通時刻及長度

根據故障現象分析，熔斷器FU1、FU5熔斷，可控硅VD5燒穿（兩側電阻為0）可猜測在可控硅共陰極側的A、C兩相可能發生過相間短路過流故障。根據圖3便可進一步推斷：在圖3中的t1時刻，可控硅 VD2，VD3，VD4，VD5 本該關斷，由可控硅 VD1，VD6和轉子繞組形成電流回路。但可控硅VD5在t1時刻沒有發生關斷，始終保持在導通狀態。此時就會出現VD1，VD5，VD6的3個可控硅同時導通，在此狀態下A，C兩相會途徑VD1，VD5形成相間短路，相間短路電流過大直接使得VD1、VD5兩側的熔絲FU1，FU5燒斷，M1橋跳閘，勵磁裝置切換至M2橋工作，同時勵磁變高壓側也因相間短路發出變壓器過流告警。

二、推斷驗證

通過提取勵磁變高壓側保護裝置的過流故障錄波，來驗證上述推斷。廠所用勵磁變壓器為Dy1的接線方式，根據接線方式可得到勵磁變高壓側電流 IA，IB，IC和低壓側電流 Ia，Ib，Ic關系式見式（ 1）～（ 3）。

如果勵磁變低壓側發生A、C兩相相間短路，則Ia+Ic=0、Ib=0，那么可將上述方程式簡化為式（ 4）～（ 6）。

由式（4）～（6）可知，如果上述推斷正確，那么故障時刻勵磁變高壓側IA，IB幅值相同、相位也應相同，IC的幅值應是IA的兩倍，相位相反。

提取勵磁變壓器保護裝置的故障錄波，如圖4所示，由波形可知整個勵磁裝置故障持續時間約為10 ms，故障時勵磁變高壓側電流IA，IB幅值、相位幾乎一致，IC幅值是IA，IB的兩倍，相位與IA，IB相反，與推斷相一致，故判斷故障原因為勵磁裝置M1橋可控硅VD5故障無法關斷，導致勵磁變壓器低壓側發生A、C相相間短路所致。

對可控硅VD5進行解體檢查，可控硅兩面潔凈光滑，無任何因過壓、接地等放電燒毀痕跡，且搖晃可控硅可明顯聽出里面有異物晃動的聲音，再加上現場勵磁裝置無任何整流橋可控硅超溫告警記錄，故排除外部因素導致可控硅VD5故障的可能性，應是可控硅VD5因元器件質量、壽命及老化等自身原因導致了此次勵磁裝置整流橋故障。

三、故障處理

圖 4 勵磁變壓器保護裝置故障錄波

檢修人員更換掉故障的元器件，并對勵磁裝置進行小電流試驗，試驗合格后，聯系運行人員將勵磁裝置手動切換至M1橋工作，將發電機冷拖啟動，期間勵磁裝置各參數均正常。

EX2100勵磁裝置的可控硅故障擊穿現象已非個例，在做好日常維護，如清灰、冷卻系統檢查等工作的同時，也應做好相應重要備品備件的采購計劃，以備不時之需。