关于一起自并励系统整流柜晶闸管故障发电机跳闸分析
详细内容
2009年9月13号14点24分某厂一台150MW自并励发电机组带负荷107MW，正常运行中励磁变速断保护动作，发变组220k V201开关跳闸，灭磁开关跳闸，厂用电高厂变601A、601B开关跳闸，机组与系统解列，同时6KvⅠA、Ⅱ母线快切装置动作，成功的完成了厂用电的切换。经检查发现并确认由该机组2号整流柜共阴极组的可控硅KP3及快速熔断器FU13击穿损坏，两组整流柜560V交流进线侧尖峰电压吸收装置两相快速熔断器熔断，不能有效吸收和消除整流装置换向产生的尖峰电压引起，更换后，启动发电机组，并于2009年9月13号19：12分并网。
为总结本次机组发生非停的经验和吸取教训，避免类似情况再次发生，对该机组2号整流柜共阴极组的可控硅KP3及快速熔断器FU13击穿、侧尖峰电压吸收装置两相快速熔断器熔断进行了专题分析和讨论，制定了相关预防措施和整改办法。
一、 该机组自并励系统及设备主要参数
该厂发电机系哈尔滨电机厂制造的QF150—2型密闭循环空冷三相交流静止可控硅自并励同步汽轮发电机，采用密闭式空气循环冷却，定子为双星型连接，中性点不接地。
发电机励磁系统为静止可控硅自并励磁系统，由励磁变、励磁调节柜、整流柜（2台）、自动灭磁屏和起励装置组成。励磁过程：发电机转子起励220V电源取汽机M盘经整流后供给转子绕组，当起励到定子额定电压15％时自动退出起励，由励磁变压器560V三相交流电源输出同时提供给两台整流柜电源，经过整流后提供转子绕组励磁电流，励磁电流的大小通过调整双通道微机励磁调节器输出脉冲控制整流柜全控桥晶闸管控制极实现。转子灭磁采用逆变灭磁和非线性元件灭磁，具有完善的过电压保护；同时励磁变设有电流速断保护、过电流保护，全控桥各臂晶闸管设有快速熔断保护。HWLT-4型微机励磁调节器是由双微机通道和一独立模拟通道构成，每台微机通道分为两个环：电压环（AVR）和电流环（FCR），模拟通道为电流环（A/FCR）。电压环是取发电机端电压信号进行闭环的，电流环取转子电流信号进行闭环。
正常运行时，一台微机通道为主通道工作，发出控制脉冲信号；另一台微机通道为从通道，处于跟踪状态，模拟通道处于备用状态，从通道及模拟通道其给定及在线参数处于跟踪工作状态，不发出控制脉冲信号；一旦微机主通道发生故障，经60ms延时后从通道立即自动切入变为主通道工作发出控制脉冲信号并闭锁故障通道，如故障通道经复位重新启动正常或故障消除后恢复工作，变为从通道工作；当两台微机通道均出现故障时，模拟通道自动切入，如微机通道故障消除后将自动投入运行并强制把模拟通道退出。HWLT-4型微机励磁调节器操控监视系统采用ADVANTECH公司的PPC-102T平板工业计算机，为触摸式液晶显示屏，其主要功能包括：操作方式选择，运行方式选择，给定值、故障分析与记录，系统参数与功能设置，系统状态监视，主要数据循环记录及过程曲线分析等。
1．励磁变压器铭牌参数 型号 ZSCB-1400/15.75 型式 环氧、户内、干式 额定容量（kVA） 1400（AN/AF） 接线方式 Yd11d111 高压侧电压（kV）/电流（A） 15.75×(1±5％)/51.3 绝缘等级 F 低压侧电压（V）/电流（A） 560/1443.4 冷却方式 AN 第三绕组电压（V）/电流（A） 380/15.2 频率（Hz） 50 相数 3相 重量（吨） 4.8 允许温升（环境温度30℃） 100K 阻抗压降 6.09％ 制造厂 海南金盘特种变压器厂 2．功率整流柜主要参数 型号 HTR-11B3DD 整流方式 三相全控桥 额定电压（直流） 276V 整流装置工作方式 并联 额定电流（直流） 1605A 整流柜屏数 2屏 强励电压 690V 可控硅型号 KP2300A/2400V 强励电流 3210A 可控硅额定电流 2300A 频率 50Hz 可控硅额定电压 2400V 相数 3 冷却方式 强迫通风AF 最高交流电压 560V 3．微机调节励磁系统主要参数 型号 HWLT-4 自动零起升压 升压时间4秒，2%残压起励，超调小于5% 电压自动调节范围 20％－110％额定电压 电压手动调节范围 20％－110％额定电压 10%阶跃响应 超调量小于阶跃量50%，振荡小于3次，调节时间小于10秒 调压精度 ±0.5％ 工控机型号 MIC－2000 人机接口电脑型号 PPC－102T触摸液显 电压调整速率 (0.3%~1.0%)/秒内可调 4、该机励磁变保护整定如下： 1 励磁变过负荷 动作电流 2A CT：150/5 延时 9S 信号 2 励磁变过电流 动作电流 2.28 CT：150/5 延时 0.5S 跳闸 3 励磁变电流速断 CT：150/5 动作电流 8.55A 跳闸
二、该机组跳闸原因分析：
1、 该机事故跳闸原因2号整流柜共阴极组的可控硅KP3击穿损坏，使得励磁变低压侧BC相短路，引起快速熔断器FU13熔断，同时引起励磁变速断保护动作，机组跳闸，查阅该机励磁变的速断保护动作二次电流整定定值为8.55A，通过查看事故报告当时实际故障电流已达10.83A，即达到并超过了保护的动作值，造成保护动作。
2、 根据励磁系统设计和保护系统整定原则，在发生整流回路可控硅击穿时，应由快速熔断器切除故障的可控硅回路（并同时启动励磁变过电流保护计时，在快速熔断器不能成功切除短路故障情况下，延时动作跳发电机以切除故障点），同时启动微机励磁系统自动转换到另一套整流桥工作，给发电机提供全部励磁，而不应启动励磁变速断保护立即切机。分析为励磁变速断保护整定值偏小，不能有效躲过励磁变低压则短路电流而造成。
3、可控硅KP3击穿损坏原因：根据查询相关国内外电厂发生过的类似情况资料，对其可能原因归纳四点：其损坏情况如图示：
（1） 可控硅制造质量不佳，不能达到并承受其设计过电压、负荷电流以及高工作温度值的要求，运行使用寿命也不能达到设计要求，在长期工作后性能退化或在工作系统出现较大波动时被击穿。
（2） 可控硅工作环境灰尘比较重，对其工作过程中的散热有一定影响，也将降低其使用寿命。
（3） 可控硅安装工艺和质量差。快熔使用时或其一端被半导体器件加热另一端强制风冷控制温升使之保持电流能力。各连接处电工耗，还要考虑散热条件等。快熔接头处是一个容易被忽视部位，接头处连接状况，影响着快熔温升和安全运行，为此必须保持接触面平整和清洁。无镀层母排接触面要去除氧化层；安装时给予一致压紧力；最好使接触面产生弹性变形。并联快熔要求逐个检测接触面压降。
（4） 本励磁装置采用三相全控桥整流电路，两组并联运行，控制脉冲同时触发两组三相全控桥，在一个周期内每隔60°依次触发各可控硅，顺序是+a,-c,+b,-a,+c,-b,+a...,本次故障排除了运行中如果微机控制回路触发脉冲失误，如脉冲丢失，发生短路的可能性。
4、复核该机励磁变速断保护和晶闸管快速熔断器熔断电流和时间，进一步确定上述分析的正确性。
（1）该机励磁变速断保护整定分析：速断保护保护励磁变高压绕组，按照励磁变高压绕组发生三相短路整定，经核对原励磁变整保护定值，发现励磁变电流速断保护整定值偏低，不能躲过励磁变低压侧短路电流所致。重新整定如下。
12#发电机组保护定值通知单
（2）快速熔断器电流能力选择
该机快速熔断器型号为RSF- 5G－800V/1600A-PK瓷管：105×105×70。 结构形式：平板型，单体，带开关指示装置。适用于交流50HZ，额定电压250-1000V，额定电流30-5000A的电路中，作为整流二极管，晶闸管及其由半导体器件组成的成套变流装置短路和某些不允许过电流的过载保护。快熔额定电流是以有效值表示。IEC60269－4、GB13539.4－92标准是电流密度1～1.6A/mm2标准试验架上确定,当它用于变流器中时不可能有如此宽松条件,故必须降容使用。一般正常电流为标称额定电流30％～70％。
快熔正常电流＝额定电流 并联支路数 均流系数 降容系数
（2）快熔温升与功耗选择：
快熔功耗W为：W=ΔUIw ＝（204～476） （0.03～0.6）＝60～285（W）
ΔU=f(Iw) （V）
式中，Iw－工作电流，ΔU－快熔压降（0.3～0.6）V
快熔功耗冷态电阻有很大关系，选用冷态电阻低快熔有利于降低温升，电流能力主要受温升限制。如前所述，快熔接头处连接状况，也影响快熔温升，要求快熔接头处温升不应影响相邻器件工作。试验证明，快熔温升低于80K可以长期运行，温升100K时制造工艺稳定产品仍能长期运行，温升120K是电流能力临界点，若温升达到140K则快熔不能长期运行。风冷是一种降低温升有效方法，风速能力曲线可以确定风速对快熔温升影响，风速约5m/s时一般可以提高25％通流能力，风速若再增加将不会有明显作用。
（3）分断能力：
快熔外壳强度，很大程度上确定了对最大故障电流分断能力，IEC标准中称为“额定分断能力”。其次，快熔内部金属熔片形状、填料吸附金属蒸气能力和热量、熔断体电动力方向等都影响分断能力。设计变流器时应计算变流变压器相间短路电流，并按此电流选用具有足够分断能力快熔。分断能力不足快熔会持续燃弧直至爆炸，严重时会导致交直流短路，故额定分断能力是一个安全指标。
（4）I2t选择：快熔电流能力满足系统短路电流要求后，发生短路故障时可以隔离故障电流，但能否保护所串联半导体器件则必须分析二者I2t值。当快熔I2t小于半导体器件I2t值时，才能对半导体器件起到保护作用。短路故障时I2t分为两个阶段，即弧前I2t和分断I2t。
（5）隐形故障下运行
快熔有许多连接件，焊接工艺尤其重要。焊接好坏是由设备，工艺来保障，用常规方法不易检测。一批内部虚焊快熔可以变流臂为多个半导体器件并联电路中不断改变支路间均流状况，导致部分半导体器件长时间过载而引起损坏，此现象发生大型电化用变流器上则是一个隐形故障，严重时可导致整个设备不能正常运行。
（6）过电压击穿
励磁调节装置灭磁开关柜内560V高压交流尖峰电压吸收装置二极管式组合熔断器熔断，造成整流系统过电压所致。
二、预防措施和整改办法：
1、立即核算励磁变速断保护整定值，按该保护整定原则修改整定值。
2、可控硅的质量和使用情况调查，完成高质量同类产品的选型和论证，报公司。必要时，逐步将目前使用中的可控硅进行更换。
3、每逢机组停运时，电气专业必须安排对励磁整流系统进行全面清灰和对强冷风机系统的检查，确保运行中可控硅的冷却和散热处在正常工况。
4、联系试验所和厂家，在下次机组停机时检查微机励磁装置的抗干扰能力和装置触发脉冲准确性，并根据试验结果制定反制措施。
5、停机时建议采用人工启动励磁变速断保护动作切机，以模拟本次故障情况，搞清电气启动汽轮机主汽门自动关闭信号与热工ETH装置的配合情况，热工与电气专业须编制好试验措施，确定检测点、检测方法和配合方式待用。