勵磁整流柜可控硅故障模擬及分析

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引 言

勵磁系統是電廠的核心控制設備之一，它提供勵磁電流給發電機轉子，并通過自動勵磁調節器調節勵磁電流控制發電機輸出電壓。在現代同步發電機勵磁系統中，通常是將交流電整流成直流電供給轉子繞組。整流回路一般采用三相橋式晶閘管整流電路。當三相全控整流橋發生故障時，除了可能導致勵磁電壓的下降以外，還會造成勵磁變壓器的不對稱或缺相運行，同時還可能產生直流磁化導致其他可控硅的過載等問題。

已有不少文獻對勵磁系統整流柜可控硅故障進行了分析，例如文獻[1]對某調相機機組整流柜故障進行了分析；文獻[2]對不同情況下的可控硅故障進行了分析，但是缺少勵磁變壓器低壓側的電流波形分析；文獻[3]通過人工神經網絡算法對勵磁系統故障，包括功率柜故障，進行了分析和改進；文獻[4]設計了一套勵磁系統控制及整流回路功能檢驗裝置，通過直接觀察勵磁調節器輸出信號、功率柜輸出電壓波形、脈沖變壓器原邊和副邊波形，快速而有效地判斷勵磁系統控制及整流回路功能是否正常；文獻[5-6]都是以某電站整流柜事故為例，分析勵磁可控硅擊穿導致整流柜燒毀事故起因、過程以及后續處理措施。

但上述文獻都沒有對各種整流橋故障進行全面分析。因為分析故障的主要波形一般為勵磁變壓器低壓側電流和勵磁系統輸出電壓波形；但通常現場故障錄波器中實錄波形中勵磁系統輸出電壓采樣不夠準確，因此提出還需要完整分析勵磁變壓器交流側電流波形，才能為勵磁系統的安全運行和故障分析提供理論依據。下面，在歸納分析三相全控整流橋故障類型的基礎上，通過Matlab/Simulink軟件模擬三相全控整流橋故障分析各種故障條件下的波形；最后，根據現場的試驗波形驗證仿真分析的準確性。

1 三相全控整流原理簡述

三相全控整流橋接線如圖1所示，圖中：ea、eb、ec分別為交流供電系統的等值相電勢；Xb為陽極回路各相等效阻抗；L為發電機轉子回路等效電感。6個橋臂的元件均為晶閘管。

當電路工作在非換相區時，共陰極組和共陽極組各有一元件導通，例如V5和V6兩元件導通。當V1收到觸發脈沖時，由于ea>ec，V1元件承受正向電壓，V5元件承受反向電壓，元件V5向V1換相，共陽極組元件V6繼續導通，其他元件截止。此時直流側輸出電壓Ud=Uac。其他換相情況與此類似。

圖1 三相單個全控整流橋接線

2 故障類型分析

每套勵磁系統包含至少兩個三相全控整流橋，故障時刻可能是多橋并聯單橋故障、多橋并聯多橋故障的情況。多橋并聯時，如發生單橋晶閘管擊穿發生短路，那么通過勵磁變壓器低壓側即整流橋交流側波形可分析出故障，直到該晶閘管的快熔發生熔斷。此時由于非故障橋的作用，整流橋交流側及直流側波形恢復正常，為方便分析，下面僅考慮單橋情況。

整流橋的故障類型如圖2所示。單個三相全控可控硅整流柜的故障主要包括晶閘管故障及脈沖故障兩大類，其中：晶閘管故障分為晶閘管擊穿、晶閘管不導通、晶閘管變為二極管故障[7]；脈沖故障包括脈沖丟失、提前觸發、延時觸發。這些故障還對應單橋臂故障，雙橋臂故障及多橋臂故障。

圖2 三相全控可控硅整流橋的故障類型

3 仿真分析

3.1 仿真模型

依據三相全控整流橋的原理，基于Matlab/Simulink工具箱搭建三相全控整流橋模型。該模型包括機端電壓部分、三相勵磁變壓器(three-phase transformer)、三相全控整流橋SCR、六路雙窄脈沖pulse、轉子等效負載以及各測量回路[8-10]，如圖3所示。電動機的勵磁線圈負載屬于電感性負載，為便于分析，通常將其等效為電阻與電感串聯[10]。

圖3 三相全控整流橋Simulink模型

3.2 正常狀態仿真分析

正常狀態下，整流橋交流側電壓和電流、直流側電壓、觸發脈沖的仿真波形如圖4所示。由于每周期有6次換相，整流裝置交流側電壓電流波形中換相過電壓共有6個。整流裝置交流側電流波形即為勵磁變壓器低壓側波形，根據各相電流波形可以分析出可控硅的導通順序，正常情況下導通順序為

3.3 晶閘管回路故障仿真分析

3.3.1 晶閘管擊穿

圖5為+A晶閘管在0.03 s時發生擊穿造成A相與B相短路的仿真結果。由圖5(a)整流橋交流側電流波形可以看出：在0.03 s時由+A-C晶閘管向+B-C晶閘管換相，由于+A晶閘管發生擊穿，+B晶閘管導通的瞬間經+A+B晶閘管橋臂發生AB相短路；當換相到-A晶閘管導通時，除了AB相短路，+A-A晶閘管直通短路，此時直流側電壓約為0；當換相到+C-A晶閘管時經+A+C晶閘管橋臂發生AC相短路。由此得出的交流側電流和直流側電壓如圖5(b)、(c) 所示。故障特征為勵磁變壓器低壓側出現較大短路電流，且勵磁電壓波形中有為0的情況。

圖6為+A、-A晶閘管在0.03 s時擊穿，造成ABC三相短路的仿真結果。由于+A、-A晶閘管擊穿，使得A相一直產生直通短路，直流側電壓約為0。故障特征為勵磁變壓器低壓側出現較大短路電流，且勵磁電壓波形中有為0的情況。

圖4 三相全控整流橋正常情況下仿真波形

圖5 單橋臂晶閘管擊穿仿真波形

圖7為+A、-B晶閘管在0.03 s時擊穿的仿真結果。在0.03 s時-C晶閘管導通，造成BC相經過-B-C晶閘管橋臂短路。隨后+B晶閘管導通，發生AB短路，且B相直通短路，直流側電壓約為0。

圖6 同相雙橋臂晶閘管擊穿仿真波形

晶閘管擊穿故障特征為勵磁變壓器低壓側出現較大短路電流，且勵磁電壓波形中有為0的情況。

圖7 非同相雙橋臂晶閘管擊穿仿真波形

3.3.2 晶閘管不導通

造成晶閘管不導通的原因主要包括晶閘管元件損壞不通、該橋臂快熔熔斷、該晶閘管對應脈沖丟失。下面主要分析單個晶閘管不通、同一相的兩個橋臂晶閘管不通、不同相的兩個橋臂晶閘管不通。

1)單橋臂晶閘管不導通，換相過電壓每周期減少一個。例如+A晶閘管不導通，仿真波形如圖8所示。正常情況下，當換相到+A-B晶閘管導通時，直流側輸出電壓為A、B相之間的線電壓Uab，由于+A晶閘管不通，因此只能保持+C-B晶閘管繼續導通，此時直流側輸出電壓為Ucb的負半波。而相應地，交流側電流表現為無+A相電流，而+C晶閘管一直導通180°，導致+C晶閘管和-C晶閘管出現直通短路，此時直流側輸出電壓約為0，交流側電流出現三相均為0的情況。

圖8 單橋臂晶閘管不導通仿真波形

2)同相雙橋臂晶閘管不導通，每個周期出現2次同相直通，換相過電壓每周期減少2個。例如+A、-A晶閘管不導通，造成A相不通，仿真波形如圖9所示。

3)非同相雙橋臂晶閘管不導通，與之構成回路的電壓均不能輸出。例如+A、-B晶閘管不導通，仿真波形如圖10所示。開始+B-C、+B-A、+C-A晶閘管導通正常輸出波形；接下來應該是+C-B晶閘管導通，但是由于-B晶閘管不導通繼續維持+C-A晶閘管導通，因此輸出C相與A相的線電壓Uca的負半波；然后，應當是+A-B晶閘管導通，由于+A晶閘管不導通繼續維持+C-A晶閘管導通，因此繼續輸出C相與A相的線電壓Uca的負半波。

以上幾種晶閘管不導通的故障特征為交流側電流出現三相均為0的情況，勵磁電壓波形中有為0的情況，且勵磁電壓有效值變小。

圖9 同相雙橋臂晶閘管不導通仿真波形

圖10 非同相雙橋臂晶閘管不導通仿真波形

3.3.3 晶閘管變二極管

工程中，由于晶閘管G、K極絕緣不好可能導致G、K間的PN結損壞，使得晶閘管變為二極管。圖11為晶閘管二極管仿真波形。在圖11中，設定+A由晶閘管變為二極管，由交流側電流可知，+A晶閘管導通180°，當由+B-A晶閘管向+C-A晶閘管換相時，+B晶閘管還沒有完全換到+C晶閘管，由于+A晶閘管一直導通，因此+A晶閘管此時與-A晶閘管形成短暫的同相直通，對應直流輸出電壓約為0。且由于+A晶閘管一直導通，導致+C晶閘管提前截止。

圖11 晶閘管變二極管仿真波形

晶閘管變為二極管的故障特征是交流側電流中出現導通接近55°后截止10°又繼續導通55°的情況，且勵磁電壓每個周期有5個波頭。

3.4 脈沖故障仿真分析

針對脈沖回路故障進行模擬仿真，并對仿真波形進行分析。

1)脈沖丟失

脈沖丟失與晶閘管不導通的情形一致，在此不再贅述。

2)提前觸發

圖12為+A晶閘管脈沖提前仿真波形。圖中+A晶閘管脈沖提前觸發20°，造成+C晶閘管提前截止，由原來的導通120°縮短為導通100°，導通時間變短；同時+A 晶閘管提前導通，由原來的導通120°延長為導通140°，+A晶閘管導通時間變長。勵磁直流電壓波形如圖12(c)所示，正常時是均勻分布的鋸齒波，現在其中一個鋸齒波縮短，緊接著的鋸齒波提前輸出Uac的部分。

3)延時觸發

圖13為+A晶閘管脈沖延時觸發仿真波形。圖中+A晶閘管脈沖延時觸發20°，由于本該+A晶閘管導通時，+A晶閘管脈沖沒有到，使得+A晶閘管沒有導通，所以+C晶閘管繼續維持導通，原來的導通120°延長為導通140°，導通時間變長，直流電壓繼續輸出Ucb的部分；同時+A晶閘管的脈沖由于延遲了20°，使得+A晶閘管導通100°后換相，導通時間變短。

圖12 +A晶閘管脈沖提前仿真波形

圖13 +A晶閘管脈沖延時觸發仿真波形

脈沖故障的故障特征為交流側電流中出現導通角度過大或者過小的問題，且勵磁電壓6個波頭不一致。

4 故障特征驗證

根據第3章波形分析，總結出晶閘管在不同故障情況下的故障特征如表1所示。一般來說發生晶閘管擊穿，勢必會造成勵磁變壓器低壓側出現較大短路電流，具體是哪一相的晶閘管擊穿，需要結合波形來分析。晶閘管不導通的時候不易被發現，需要看波形才能識別。晶閘管變為二極管的波形比較有特征，很容易識別。脈沖故障時，如果是脈沖丟失，那么將出現與晶閘管不導通一樣的波形，而提前觸發或者延時觸發可結合交流側電流和勵磁電壓波形進行識別。

表1 晶閘管故障特征匯總

4.1 現場波形驗證

圖14為某電廠故障錄波器所錄的勵磁變壓器低壓側電流波形。圖中t1時刻即將由+B-C晶閘管向+B-A晶閘管換相時，正常情況下-C晶閘管還沒有完全換到-A晶閘管，且共陽極沒有其他導通通路的話，-C晶閘管截止不了，直到有通路。但從波形來看：t1時刻-C晶閘管已經截止而-A晶閘管還沒有導通，說明共陽極有其他導通通路，因此判斷-B晶閘管一直導通，+B晶閘管此時與-B晶閘管形成短暫的同相直通，出現短暫的三相電流為0的情況；同時，-A晶閘管提前截止，-B晶閘管提前導通并導通180°，推測-B晶閘管橋臂晶閘管不受控制，有變為二極管的可能。對比第3.3.3節圖11(b)晶閘管變二極管仿真波形A相電流，波形基本一致。由此分析出該廠整流柜出現的問題是某臺功率柜的-B晶閘管發生故障變為二極管造成，需要立即處理。

圖14 某電廠故障錄波器錄波

4.2 仿真數據驗證

通過模型仿真一組波形數據，如圖15所示，根據表1的故障特征，推測判斷發生故障原因及部位。

從仿真故障波形數據中的交流側電流可以看出，故障發生時A、B、C三相先后均出現短路電流，且出現一段直流側勵磁電壓為0的情況。通過表1故障特征可以判斷，這是發生了晶閘管擊穿。從交流側電流可以推斷出，故障發生前+A-C晶閘管導通換相到+B-C晶閘管，正當-C晶閘管向-A晶閘管換相時，A、C兩相出現短路電流。前兩次換相過程中共陽極側只有-C晶閘管導通，當共陽極側出現另一通路-A晶閘管時，AC發生短路，可以推測-C晶閘管發生擊穿，擊穿時間發生在短路前-C晶閘管導通期間。

圖15 仿真故障波形

5 結 論

上面歸納了整流橋的故障類型，并通過Matlab/Simulink軟件搭建模型，對相應故障條件下的整流橋輸入及輸出的電壓、電流仿真波形進行分析。通過某電廠的故障實例及仿真實例進行波形驗證，結果表明：仿真波形與實際錄波波形一致，并能通過總結的故障特征基本準確地分析出故障發生原因及部位。

因此，當發電機勵磁整流柜出現故障時，可根據所總結的故障特征及仿真波形判定故障類型，快速分析出故障點。所研究的成果對于開發勵磁整流故障診斷、研發智能化勵磁整流具有重要意義，也可用于電廠運行人員對勵磁系統整流橋進行分析。