励磁系统功率柜电流不平衡故障分析及处理

全观铖，闫文斌，朱明岗

（南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司，广东 广州 511493）

目前国内发电机组普遍采用晶闸管整流方式为发电机转子提供励磁电流，通过多功率柜并联运行方式增加励磁系统容量，构成N-1 冗余系统，增加励磁系统的可靠性[1]。然而，多功率柜并联运行有可能由于不同功率单元出力不一致导致功率柜不平衡电流或均流异常的故障[2]。

该电厂采用晶闸管自并励励磁方式，3 个功率单元并联运行，功率单元由晶闸管全控整流桥及其辅助设备（散热器、换相过压保护、快速熔断器、冷却风机及其控制回路、控制回路）组成[3]。

图1 功率柜并联运行图

1 事件经过与分析

1.1 事件经过

2022 年8 月16 日，某电厂5 号机组励磁系统发电工况开机过程中短时出现“1 号功率柜电流不平衡”报警，4 s 后复归。导致1 号功率柜退出运行，并向监控发送“励磁总报警”故障信号。该报警信号复归后，装置恢复正常运行。

图2 现地报警信息

1.2 原因分析

功率柜均流性能是励磁系统的重要指标，其影响因素包括：励磁电流采样、元器件接触电阻、晶闸管性能差异、智能均流程序等。本文结合现场实际与设备特性，提出以下可能的原因分析。

（1）功率柜故障判定逻辑异常

检查故障逻辑发现，电流不平衡报警的故障判据为：不平衡电流系数=本柜各桥臂电流的平均值/最大的桥臂电流值＜70%且持续40 s。检查程序未发现错误或异常，而该故障在励磁系统起励后40 s 发出，基本满足故障判定条件，但故障时的桥臂电流无法查看。后续机组启动时观察1 号功率柜运行情况发现，1 号功率柜不平衡系数＜70%且持续时间长达35 s，当时各桥臂电流值如表1 所示。该机组启动时的情况已非常接近报警值，因此判断8月16 日出现的“1 号功率柜电流不平衡”的故障判定正确，当时1 号功率柜的桥臂电流不平衡系数满足故障判据。

（2）霍尔电流传感器及其采样回路异常

REC 控制板卡利用霍尔传感器采集晶闸管整流桥桥臂电流，进而通过脉冲发生器触发晶闸管门极。若霍尔电流传感器及其采样回路异常，则会引起晶闸管导通异常进而产生不平衡电流报警。

现地检查霍尔电流传感器，未发现裂纹、变形、过热等异常现象，检查霍尔电流传感器相关接线正常紧固，检查桥臂电流测量回路采样正常。因此，初步排除霍尔电流传感器及其采样回路异常导致不平衡电流报警。

（3）元器件连接处接触电阻的影响

功率柜内晶闸管整流桥元器件主要由铜排进行连接，各并联支路整流桥阳极电压取自励磁变压器，输入电压相同，一次回路上各部件阻抗会直接影响分支电流。若改造完成后出现铜排或其他部件紧固螺栓松动，则会导致回路接触电阻发生变化影响功率柜均流。

因此，现场对盘柜内所有铜排、交直流开关等部件的紧固螺栓和接触电阻进行检查，未发现异常并使用力矩扳手再次紧固。

（4）晶闸管整流元件性能差异或故障

晶闸管作为整流桥的重要元器件，其通态特性、导通特性、温度特性直接影响各桥臂的导通顺序和通过电流，因此其性能差异会引起不平衡电流。

本文中励磁系统的晶闸管型号及其生产批次上不存在差异，现场进行晶闸管的外观检查未发现压接松动、外观破损等异常现象，检查快熔电阻正常，并对脉冲发生器相关接线进行相关检查与紧固。功率柜内风机功能正常，各晶闸管温度无明显差异。经过以上检查，可以初步排除晶闸管元件异常引起不平衡电流故障，由于现场检修时间有限未开展开环小电流试验。

（5）智能均流功能异常

EXC9200 励磁系统采用智能均流，通过功率柜励磁电流PID 调节实现均流调整和桥臂电流的平衡。若智能均流程序或者功能出现异常，会导致功率柜均流异常或桥臂电流不平衡。

现地检查功率柜智能均流程序发现，智能均流移相角在停机情况下未清零，移相角清零的条件需在励磁开机条件下退出智能均流才能生效。这导致停机逆变后功率柜仍保持运行中的移相角度，在下一次机组启动时会出现移相角的调节偏差，从而引起功率柜桥臂电流不平衡的故障现象。使用调试软件观测智能均流移相角与上述情况描述保持一致，所以推断智能均流程序移相角未清零是本次故障的根本原因。

2 故障处理

现地修改功率柜智能均流程序为：当机端电压大于10%额定值或本柜电流大于50 A 情况下，投入智能均流有效；当机端电压小于10%额定值且本柜电流小于50 A 之后，自动将晶闸管移相角度清零。进行测试，验证了修改后的程序可以解决起励过程中电流不平衡的问题。在停机态下手动操作励磁系统起励，观察并记录功率柜电流值。1 号功率柜桥臂电流恢复正常，不平衡电流系数＞70%，如表2 所示。后续该机组启动过程中，也未再次出现关于不平衡电流的报警，功率柜均流性能良好。

表2 停机态下起励试验1 号功率柜桥臂电流记录表

3 结论

结合以上关于功率柜不平衡电流的故障分析和处理，本文从出厂验收、现场试验、日常运维和数字化监控角度提出以下结论。

3.1 出厂及现场试验方面

在励磁系统出厂试验、现场试验、试运行阶段，应加强对功率柜均流性能的关注。从自然均流到3个功率柜均投入智能均流，逐步探究和评价励磁系统的均流性能，并制定均流性能最佳的运行方式。同时，试验过程应对试验数据进行完备记录，作为日后设备运维及故障处理的依据。而在日常巡检或监测中，应有针对性地增加功率柜均流性能相关的项目。

3.2 日常运维方面

目前，日常巡检仅对励磁系统面板有无报警信息进行记录，对于励磁系统运行过程中的各项参数，包括灭磁开关分合闸次数、功率柜均流效果、桥臂电流等均无记载。若发生某项参数数值临近报警值时，无法及时发现并对相关器件进行检查和处理。所以应该增加部分励磁系统必要的巡检记录内容。同时，应将功率柜智能均流的投退，纳入励磁系统定值单管理，相关操作应经审批后进行，禁止随意投退智能均流或修改相关程序。

3.3 励磁系统数字化监控方面

从本次故障分析及处理过程中，不难发现励磁系统数字化程度存在不足。无法及时读取故障时的桥臂电流相关数据或录波文件，这使得故障分析和处理过程中缺少实时记录数据，仅能依靠逐步排除的方法进行分析。对于新建电厂的励磁系统，在条件允许情况下，应加强其实时监控以及历史数据记录能力。将机组机端电压电流、励磁电压电流、功率柜输出电流以及励磁系统重要的开关量和报警信号等纳入数字化监控，便于及时读取故障数据信息与波形并发现线索，以利于设备日常维护及长期安全稳定运行。