勵磁系統功率柜電流不平衡故障分析及處理

全觀鋮，閆文斌，朱明崗

（南方電網調峰調頻發電有限公司檢修試驗分公司，廣東 廣州 511493）

目前國內發電機組普遍采用晶閘管整流方式為發電機轉子提供勵磁電流，通過多功率柜并聯運行方式增加勵磁系統容量，構成N-1 冗余系統，增加勵磁系統的可靠性[1]。然而，多功率柜并聯運行有可能由于不同功率單元出力不一致導致功率柜不平衡電流或均流異常的故障[2]。

該電廠采用晶閘管自并勵勵磁方式，3 個功率單元并聯運行，功率單元由晶閘管全控整流橋及其輔助設備（散熱器、換相過壓保護、快速熔斷器、冷卻風機及其控制回路、控制回路）組成[3]。

圖1 功率柜并聯運行圖

1 事件經過與分析

1.1 事件經過

2022 年8 月16 日，某電廠5 號機組勵磁系統發電工況開機過程中短時出現“1 號功率柜電流不平衡”報警，4 s 后復歸。導致1 號功率柜退出運行，并向監控發送“勵磁總報警”故障信號。該報警信號復歸后，裝置恢復正常運行。

圖2 現地報警信息

1.2 原因分析

功率柜均流性能是勵磁系統的重要指標，其影響因素包括：勵磁電流采樣、元器件接觸電阻、晶閘管性能差異、智能均流程序等。本文結合現場實際與設備特性，提出以下可能的原因分析。

（1）功率柜故障判定邏輯異常

檢查故障邏輯發現，電流不平衡報警的故障判據為：不平衡電流系數=本柜各橋臂電流的平均值/最大的橋臂電流值＜70%且持續40 s。檢查程序未發現錯誤或異常，而該故障在勵磁系統起勵后40 s 發出，基本滿足故障判定條件，但故障時的橋臂電流無法查看。后續機組啟動時觀察1 號功率柜運行情況發現，1 號功率柜不平衡系數＜70%且持續時間長達35 s，當時各橋臂電流值如表1 所示。該機組啟動時的情況已非常接近報警值，因此判斷8月16 日出現的“1 號功率柜電流不平衡”的故障判定正確，當時1 號功率柜的橋臂電流不平衡系數滿足故障判據。

（2）霍爾電流傳感器及其采樣回路異常

REC 控制板卡利用霍爾傳感器采集晶閘管整流橋橋臂電流，進而通過脈沖發生器觸發晶閘管門極。若霍爾電流傳感器及其采樣回路異常，則會引起晶閘管導通異常進而產生不平衡電流報警。

現地檢查霍爾電流傳感器，未發現裂紋、變形、過熱等異常現象，檢查霍爾電流傳感器相關接線正常緊固，檢查橋臂電流測量回路采樣正常。因此，初步排除霍爾電流傳感器及其采樣回路異常導致不平衡電流報警。

（3）元器件連接處接觸電阻的影響

功率柜內晶閘管整流橋元器件主要由銅排進行連接，各并聯支路整流橋陽極電壓取自勵磁變壓器，輸入電壓相同，一次回路上各部件阻抗會直接影響分支電流。若改造完成后出現銅排或其他部件緊固螺栓松動，則會導致回路接觸電阻發生變化影響功率柜均流。

因此，現場對盤柜內所有銅排、交直流開關等部件的緊固螺栓和接觸電阻進行檢查，未發現異常并使用力矩扳手再次緊固。

（4）晶閘管整流元件性能差異或故障

晶閘管作為整流橋的重要元器件，其通態特性、導通特性、溫度特性直接影響各橋臂的導通順序和通過電流，因此其性能差異會引起不平衡電流。

本文中勵磁系統的晶閘管型號及其生產批次上不存在差異，現場進行晶閘管的外觀檢查未發現壓接松動、外觀破損等異常現象，檢查快熔電阻正常，并對脈沖發生器相關接線進行相關檢查與緊固。功率柜內風機功能正常，各晶閘管溫度無明顯差異。經過以上檢查，可以初步排除晶閘管元件異常引起不平衡電流故障，由于現場檢修時間有限未開展開環小電流試驗。

（5）智能均流功能異常

EXC9200 勵磁系統采用智能均流，通過功率柜勵磁電流PID 調節實現均流調整和橋臂電流的平衡。若智能均流程序或者功能出現異常，會導致功率柜均流異常或橋臂電流不平衡。

現地檢查功率柜智能均流程序發現，智能均流移相角在停機情況下未清零，移相角清零的條件需在勵磁開機條件下退出智能均流才能生效。這導致停機逆變后功率柜仍保持運行中的移相角度，在下一次機組啟動時會出現移相角的調節偏差，從而引起功率柜橋臂電流不平衡的故障現象。使用調試軟件觀測智能均流移相角與上述情況描述保持一致，所以推斷智能均流程序移相角未清零是本次故障的根本原因。

2 故障處理

現地修改功率柜智能均流程序為：當機端電壓大于10%額定值或本柜電流大于50 A 情況下，投入智能均流有效；當機端電壓小于10%額定值且本柜電流小于50 A 之后，自動將晶閘管移相角度清零。進行測試，驗證了修改后的程序可以解決起勵過程中電流不平衡的問題。在停機態下手動操作勵磁系統起勵，觀察并記錄功率柜電流值。1 號功率柜橋臂電流恢復正常，不平衡電流系數＞70%，如表2 所示。后續該機組啟動過程中，也未再次出現關于不平衡電流的報警，功率柜均流性能良好。

表2 停機態下起勵試驗1 號功率柜橋臂電流記錄表

3 結論

結合以上關于功率柜不平衡電流的故障分析和處理，本文從出廠驗收、現場試驗、日常運維和數字化監控角度提出以下結論。

3.1 出廠及現場試驗方面

在勵磁系統出廠試驗、現場試驗、試運行階段，應加強對功率柜均流性能的關注。從自然均流到3個功率柜均投入智能均流，逐步探究和評價勵磁系統的均流性能，并制定均流性能最佳的運行方式。同時，試驗過程應對試驗數據進行完備記錄，作為日后設備運維及故障處理的依據。而在日常巡檢或監測中，應有針對性地增加功率柜均流性能相關的項目。

3.2 日常運維方面

目前，日常巡檢僅對勵磁系統面板有無報警信息進行記錄，對于勵磁系統運行過程中的各項參數，包括滅磁開關分合閘次數、功率柜均流效果、橋臂電流等均無記載。若發生某項參數數值臨近報警值時，無法及時發現并對相關器件進行檢查和處理。所以應該增加部分勵磁系統必要的巡檢記錄內容。同時，應將功率柜智能均流的投退，納入勵磁系統定值單管理，相關操作應經審批后進行，禁止隨意投退智能均流或修改相關程序。

3.3 勵磁系統數字化監控方面

從本次故障分析及處理過程中，不難發現勵磁系統數字化程度存在不足。無法及時讀取故障時的橋臂電流相關數據或錄波文件，這使得故障分析和處理過程中缺少實時記錄數據，僅能依靠逐步排除的方法進行分析。對于新建電廠的勵磁系統，在條件允許情況下，應加強其實時監控以及歷史數據記錄能力。將機組機端電壓電流、勵磁電壓電流、功率柜輸出電流以及勵磁系統重要的開關量和報警信號等納入數字化監控，便于及時讀取故障數據信息與波形并發現線索，以利于設備日常維護及長期安全穩定運行。