勵(lì)磁系統(tǒng)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(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗(yàn)分公司，廣東 廣州 511493）

目前國內(nèi)發(fā)電機(jī)組普遍采用晶閘管整流方式為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，通過多功率柜并聯(lián)運(yùn)行方式增加勵(lì)磁系統(tǒng)容量，構(gòu)成N-1 冗余系統(tǒng)，增加勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性[1]。然而，多功率柜并聯(lián)運(yùn)行有可能由于不同功率單元出力不一致導(dǎo)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(lì)勵(lì)磁方式，3 個(gè)功率單元并聯(lián)運(yùn)行，功率單元由晶閘管全控整流橋及其輔助設(shè)備（散熱器、換相過壓保護(hù)、快速熔斷器、冷卻風(fēng)機(jī)及其控制回路、控制回路）組成[3]。

圖1 功率柜并聯(lián)運(yùn)行圖

1 事件經(jīng)過與分析

1.1 事件經(jīng)過

2022 年8 月16 日，某電廠5 號機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)電工況開機(jī)過程中短時(shí)出現(xiàn)“1 號功率柜電流不平衡”報(bào)警，4 s 后復(fù)歸。導(dǎo)致1 號功率柜退出運(yùn)行，并向監(jiān)控發(fā)送“勵(lì)磁總報(bào)警”故障信號。該報(bào)警信號復(fù)歸后，裝置恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖2 現(xiàn)地報(bào)警信息

1.2 原因分析

功率柜均流性能是勵(lì)磁系統(tǒng)的重要指標(biāo)，其影響因素包括：勵(lì)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(jié)合現(xiàn)場實(shí)際與設(shè)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(fā)現(xiàn)，電流不平衡報(bào)警的故障判據(jù)為：不平衡電流系數(shù)=本柜各橋臂電流的平均值/最大的橋臂電流值＜70%且持續(xù)40 s。檢查程序未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或異常，而該故障在勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)后40 s 發(fā)出，基本滿足故障判定條件，但故障時(shí)的橋臂電流無法查看。后續(xù)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)觀察1 號功率柜運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，1 號功率柜不平衡系數(shù)＜70%且持續(xù)時(shí)間長達(dá)35 s，當(dāng)時(shí)各橋臂電流值如表1 所示。該機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的情況已非常接近報(bào)警值，因此判斷8月16 日出現(xiàn)的“1 號功率柜電流不平衡”的故障判定正確，當(dāng)時(shí)1 號功率柜的橋臂電流不平衡系數(shù)滿足故障判據(jù)。

（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(jìn)而通過脈沖發(fā)生器觸發(fā)晶閘管門極。若霍爾電流傳感器及其采樣回路異常，則會(huì)引起晶閘管導(dǎo)通異常進(jìn)而產(chǎn)生不平衡電流報(bào)警。

現(xiàn)地檢查霍爾電流傳感器，未發(fā)現(xiàn)裂紋、變形、過熱等異常現(xiàn)象，檢查霍爾電流傳感器相關(guān)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(dǎo)致不平衡電流報(bào)警。

（3）元器件連接處接觸電阻的影響

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

因此，現(xiàn)場對盤柜內(nèi)所有銅排、交直流開關(guān)等部件的緊固螺栓和接觸電阻進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)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(tài)特性、導(dǎo)通特性、溫度特性直接影響各橋臂的導(dǎo)通順序和通過電流，因此其性能差異會(huì)引起不平衡電流。

本文中勵(lì)磁系統(tǒng)的晶閘管型號及其生產(chǎn)批次上不存在差異，現(xiàn)場進(jìn)行晶閘管的外觀檢查未發(fā)現(xiàn)壓接松動(dòng)、外觀破損等異?，F(xiàn)象，檢查快熔電阻正常，并對脈沖發(fā)生器相關(guān)接線進(jìn)行相關(guān)檢查與緊固。功率柜內(nèi)風(fēng)機(jī)功能正常，各晶閘管溫度無明顯差異。經(jīng)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(xiàn)場檢修時(shí)間有限未開展開環(huán)小電流試驗(yàn)。

（5）智能均流功能異常

EXC9200 勵(lì)磁系統(tǒng)采用智能均流，通過功率柜勵(lì)磁電流PID 調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)均流調(diào)整和橋臂電流的平衡。若智能均流程序或者功能出現(xiàn)異常，會(huì)導(dǎo)致功率柜均流異?；驑虮垭娏鞑黄胶?。

現(xiàn)地檢查功率柜智能均流程序發(fā)現(xiàn)，智能均流移相角在停機(jī)情況下未清零，移相角清零的條件需在勵(lì)磁開機(jī)條件下退出智能均流才能生效。這導(dǎo)致停機(jī)逆變后功率柜仍保持運(yùn)行中的移相角度，在下一次機(jī)組啟動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)移相角的調(diào)節(jié)偏差，從而引起功率柜橋臂電流不平衡的故障現(xiàn)象。使用調(diào)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(xiàn)地修改功率柜智能均流程序?yàn)椋寒?dāng)機(jī)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(dāng)機(jī)端電壓小于10%額定值且本柜電流小于50 A 之后，自動(dòng)將晶閘管移相角度清零。進(jìn)行測試，驗(yàn)證了修改后的程序可以解決起勵(lì)過程中電流不平衡的問題。在停機(jī)態(tài)下手動(dòng)操作勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)，觀察并記錄功率柜電流值。1 號功率柜橋臂電流恢復(fù)正常，不平衡電流系數(shù)＞70%，如表2 所示。后續(xù)該機(jī)組啟動(dòng)過程中，也未再次出現(xiàn)關(guān)于不平衡電流的報(bào)警，功率柜均流性能良好。

表2 停機(jī)態(tài)下起勵(lì)試驗(yàn)1 號功率柜橋臂電流記錄表

3 結(jié)論

結(jié)合以上關(guān)于功率柜不平衡電流的故障分析和處理，本文從出廠驗(yàn)收、現(xiàn)場試驗(yàn)、日常運(yùn)維和數(shù)字化監(jiān)控角度提出以下結(jié)論。

3.1 出廠及現(xiàn)場試驗(yàn)方面

在勵(lì)磁系統(tǒng)出廠試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)、試運(yùn)行階段，應(yīng)加強(qiáng)對功率柜均流性能的關(guān)注。從自然均流到3個(gè)功率柜均投入智能均流，逐步探究和評價(jià)勵(lì)磁系統(tǒng)的均流性能，并制定均流性能最佳的運(yùn)行方式。同時(shí)，試驗(yàn)過程應(yīng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行完備記錄，作為日后設(shè)備運(yùn)維及故障處理的依據(jù)。而在日常巡檢或監(jiān)測中，應(yīng)有針對性地增加功率柜均流性能相關(guān)的項(xiàng)目。

3.2 日常運(yùn)維方面

目前，日常巡檢僅對勵(lì)磁系統(tǒng)面板有無報(bào)警信息進(jìn)行記錄，對于勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各項(xiàng)參數(shù)，包括滅磁開關(guān)分合閘次數(shù)、功率柜均流效果、橋臂電流等均無記載。若發(fā)生某項(xiàng)參數(shù)數(shù)值臨近報(bào)警值時(shí)，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并對相關(guān)器件進(jìn)行檢查和處理。所以應(yīng)該增加部分勵(lì)磁系統(tǒng)必要的巡檢記錄內(nèi)容。同時(shí)，應(yīng)將功率柜智能均流的投退，納入勵(lì)磁系統(tǒng)定值單管理，相關(guān)操作應(yīng)經(jīng)審批后進(jìn)行，禁止隨意投退智能均流或修改相關(guān)程序。

3.3 勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)字化監(jiān)控方面

從本次故障分析及處理過程中，不難發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)字化程度存在不足。無法及時(shí)讀取故障時(shí)的橋臂電流相關(guān)數(shù)據(jù)或錄波文件，這使得故障分析和處理過程中缺少實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，僅能依靠逐步排除的方法進(jìn)行分析。對于新建電廠的勵(lì)磁系統(tǒng)，在條件允許情況下，應(yīng)加強(qiáng)其實(shí)時(shí)監(jiān)控以及歷史數(shù)據(jù)記錄能力。將機(jī)組機(jī)端電壓電流、勵(lì)磁電壓電流、功率柜輸出電流以及勵(lì)磁系統(tǒng)重要的開關(guān)量和報(bào)警信號等納入數(shù)字化監(jiān)控，便于及時(shí)讀取故障數(shù)據(jù)信息與波形并發(fā)現(xiàn)線索，以利于設(shè)備日常維護(hù)及長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。