同步发电机励磁系统可控硅故障分析与研究

张 凯

（中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

0 引言

大型水轮发电机组普遍采用可控硅整流装置,可控硅作为励磁系统整流装置的核心部件,当发生晶闸管短路故障时，将造成可控硅主整流桥内部短路，短路电流将使保护装置出口动作跳闸，励磁系统退出运行；而当三相桥式整流电路在运行中由于各种原因，可能出现桥臂断开、脉冲丢失时，有些情况主整流桥仍然会持续工作，但会导致励磁电压畸变，对电网系统会产生扰动。在机组运行与检修过程中，通过录波系统，根据波形异常的分析结果，迅速判断故障原因和故障点，对提高电站的稳定运行，提供了可靠的保证。

1 励磁系统主回路故障下的波形分析

1.1 正常运行时三相全控整流电路的输出电压

正常整流状况下的波形分析：

以图1为例，假定触发角为α=600的时候，首先是在t1时刻脉冲触发信号同时使共阴极1号与共阳极的6号晶闸管导通，每只晶闸管导通时间为120°，在t2时刻，共阳极的-B相6号晶闸管关断换相至-A相2号晶闸管，而此时共阴极的+A相1号晶闸管持续导通600，直至在t3导通截止换相至共阴极的+B相，如此每隔600轮流发出触发脉冲，按如图1d所示顺序导通，输出转子电压整流波形[1]。

图1 正常整流状况下的波形分析

1.2 同相上桥臂（+B）与上下桥臂(+B、-B)缺相或者脉冲丢失

从图2中可以看出在t3时刻，共阴极的+B相3号晶闸管由于脉冲丢失无法换相，此时共阴极的+A相持续导通，此时在t3时刻共阳极的-C相2号晶闸管所对应的相电压Uc>Ua,由于转子属于大电感，持续导通至副半轴，转子电压产生反向电压，进入逆变工作状态。在t4时刻时共阳极的-C相2号晶闸管成功换相至共阳极的-A相4号晶闸管，此时同一桥臂上的共阳极的+A相1号晶闸管与共阳极的-A相4号晶闸管导通，直接导致转子短路，此时励磁电压输出为0。直至t5时刻，在经过600，发出脉冲，脉冲使5号晶闸管导通，1号晶闸管关断，短路解除，恢复至正常整流状态。

图2 上桥臂（+B）缺相或者脉冲丢失

图3 上下桥臂(+B、-B)缺相或者脉冲丢失

从图3中所示，t6时刻之前，故障状态如同图2所示，只是在t6时共阳极的-A相1号晶闸管无法换相至-B相6号晶闸管,导致+C相的5号晶闸管与-A相1号晶闸管持续导通至负半轴，最后在t7时刻+C相的5号晶闸管换相至+A相的1号晶闸管，这时又出现1号与4号导通，直流侧短路，后面的导通顺序依然重复进行。

1.3 不同相、不同桥臂（+B、-A）以及同相、不同桥臂（+B 、+C）以及三臂、四臂（+B 、+C、-B（-C）缺相或触发脉冲丢失

图4 不同相、不同桥臂（+B、-A）缺相或脉冲丢失

图5 同相、不同桥臂（+B 、+C）缺相或脉冲丢失

从图4中可以看出，在t4之前，同上桥臂（+B）状况。在t3时刻，共阴极的+A相的1号晶闸管无法换相至共阴极的+B相的3号晶闸管,而此时t4时刻，共阳极的-C相的2号晶闸管无法换相至共阴极的-A相的4号晶闸管，这时共阴极的+A相1号晶闸管与2号晶闸管持续导通1800，在t5时刻+A相换向+C相，此时5号晶闸管与2号晶闸管导通，呈现短路状态。在t6时刻，换相至6号晶闸管，恢复正常。

从图5中可以看出，在t4时，可控硅处于共阴极的+A相的1号晶闸管与共阳极的+A相的4号晶闸管处于短路导通状态，在t5时，5号晶闸管不能导通，1号晶闸管不能关断，1号晶闸管与4晶闸管号继续导通。t6时刻，发6号脉冲，满足条件导通，4号晶闸管关断，1号与6号导通。t7时刻，发1号脉冲，因1号晶闸管已提前导通处于持续导通状态，后面导通重复前述过程。

图6 三桥臂（+B 、+C、-B）缺相或触发脉冲丢失

图7 四桥臂（+B 、+C、-B、-C）缺相或触发脉冲丢失

从图6中可以看出，+B 、+C、-B脉冲丢失是+B 、+C脉冲丢失的发展，即6号脉冲也丢失，t6时刻6号脉冲丢失，6号晶闸管不能导通，4号晶闸管不能关断，即一个周期内，1~4导通2400，1~2导通1200，且1~4处于短路直流颠覆状态，而1~2晶闸管处于整流与逆变各600，直到1~2导通恢复整流状态。而图7中，t4时刻后，l~4 两晶闸管一直导通，直流侧一直短路，励磁电流按励磁线圈回路时间常数衰减，无法恢复到整流状态。

1.4 触发脉冲全部丢失

从图8所示，在t2~t3之间，某一原因使脉冲全部丢失，剩下的周期内，励磁电压两端电压波形按故障时导通的两晶闸管所在相电压变化呈现正弦交流电压波形。

图8 脉冲全部丢失

2 基于PSCAD的三相全控整流桥故障模拟仿真

为了进一步验证故障时波形的准确性，通过PSCAD搭建了系统仿真模型[2](如图9所示)进行演示。模型由同步发电机、变压器模块、6脉冲整流桥模块、触发角控制模块以及脉冲控制模块等构成。

图9 三相全控整流桥故障模拟仿真图

图10 正常整流状况下的波形（600与300）

从图10中，可以看出，在触发角α=600或300时，励磁电压输出波形分别落在上半轴上机上半轴上方，无缺口也无畸变。

图11 上桥臂（+B）缺相或触法脉冲丢失（600与300）

从图11中，当触发角α=600时候，上桥臂（+B）故障时，可以看出在可控硅导通一个周期内，励磁电压输出平均值为正常无故障下的1/2，此时会导致无功降低，发电机机端电压降低。励磁调节器会通过减少触发角（例如α=300）度来提高励磁电压输出的平均值，增加0轴以上导通面积，使得无功拉回，对励磁系统影响不太严重。但此时励磁系统会降低强励倍数，经计算强励倍数会下降至以前的0.75倍，单桥臂上可控硅电流有效值反而增加为倍[3]。

图12 上下桥臂（+B、-B）缺相或触法脉冲丢失（600与300）

从图12中看出，当触发角α=600时候，上下桥臂(+B、-B)可以看出励磁电压输出平均值在一个周期范围内上下周导通面积抵消，输出为0，表现为失磁型，此时励磁调节器（例如α=300）依然可通过调节，提高无功功率，强励倍数会下降至以前的0.5倍[3]，两个桥臂上可控硅电流有效值反而增加为倍[3]。

图13 不同相、不同桥臂（+B、-A）缺相或触法脉冲丢失（600与300）

从图13与图14的波形图中，可以当触发角α=600，不同相、不同桥臂（+B、-A）或者同相、不同桥臂（+B、+C），励磁电压均输出接近0，励磁调节器经过减少触发角（例如 =300）后增磁调节后，无功功率依然会回升，不会导致完全失磁。但可以清晰的看出，在+B、+C脉冲丢失的情况下，+A相晶闸管持续导通3600，存在严重过载重大安全隐患，其中不同相、不同桥臂（+B、-A）与不同桥臂（+B 、+C）的强励倍数将分别下降至0.583与0.417[3]，单个桥臂上可控硅电流有效值分别增加为倍、倍[3]。

图14 同相、不同桥臂（+B 、+C）缺相或触发脉冲丢失（600与300）

图15 三桥臂（+B 、+C、-B）缺相或触发脉冲丢失（600与300）

从图15可中以看出在一个周期内，可控硅一直处于直流短路2400、甚至处于一直短路状态，均属于失磁状态，其强励倍数分别下降至0.288 7倍[3]，存在两个桥臂上可控硅有效值分别增加为倍、倍[3]，即使考虑即使考虑调节器的调节作用，也会导致严重失磁，经过减少触发角，励磁调节器强励增磁也效果不大。

图16 脉冲全部丢失

从图16中看到，脉冲全部丢失之后，励磁调节器处于完全失磁状态，调节器强励无效。

3 总结

综合以上分析可知,当三相桥式整流电路在运行中由于各种原因，可能出现桥臂断开、脉冲丢失时，其输出的转子电压都会有不同程度的下降，通过减少可控硅的触发角度，其输出电压在可能仍然回到故障前值，但此时励磁系统的强励倍数将下降。特别是三桥臂到四桥臂，直至所有脉冲缺相或触发脉冲丢失，属于严重失磁状态，励磁系统已经完全丧失了强励与正常运行状态。

对于励磁设备来说,可控硅的不导通不仅会导致其它可控硅承受的电流增大引起散热困难,还会导致励磁变压器产生直流偏磁与不对称运行状态,所以励磁设备不仅仅是在并网前要保证可控硅的完全导通,运行状态更是需要保证可控硅能承受住电流、电压以及发热的问题的影响，当系统主回路出现故障时，通过录波系统，根据上述异常波形的分析结果，可以迅速判断故障原因和故障点，为及时排除故障，恢复生产，提高电站的整体经济效益，提供了可靠的保证和理论依据。