励磁整流柜可控硅故障模拟及分析

(国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

0 引 言

励磁系统是电厂的核心控制设备之一，它提供励磁电流给发电机转子，并通过自动励磁调节器调节励磁电流控制发电机输出电压。在现代同步发电机励磁系统中，通常是将交流电整流成直流电供给转子绕组。整流回路一般采用三相桥式晶闸管整流电路。当三相全控整流桥发生故障时，除了可能导致励磁电压的下降以外，还会造成励磁变压器的不对称或缺相运行，同时还可能产生直流磁化导致其他可控硅的过载等问题。

已有不少文献对励磁系统整流柜可控硅故障进行了分析，例如文献[1]对某调相机机组整流柜故障进行了分析；文献[2]对不同情况下的可控硅故障进行了分析，但是缺少励磁变压器低压侧的电流波形分析；文献[3]通过人工神经网络算法对励磁系统故障，包括功率柜故障，进行了分析和改进；文献[4]设计了一套励磁系统控制及整流回路功能检验装置，通过直接观察励磁调节器输出信号、功率柜输出电压波形、脉冲变压器原边和副边波形，快速而有效地判断励磁系统控制及整流回路功能是否正常；文献[5-6]都是以某电站整流柜事故为例，分析励磁可控硅击穿导致整流柜烧毁事故起因、过程以及后续处理措施。

但上述文献都没有对各种整流桥故障进行全面分析。因为分析故障的主要波形一般为励磁变压器低压侧电流和励磁系统输出电压波形；但通常现场故障录波器中实录波形中励磁系统输出电压采样不够准确，因此提出还需要完整分析励磁变压器交流侧电流波形，才能为励磁系统的安全运行和故障分析提供理论依据。下面，在归纳分析三相全控整流桥故障类型的基础上，通过Matlab/Simulink软件模拟三相全控整流桥故障分析各种故障条件下的波形；最后，根据现场的试验波形验证仿真分析的准确性。

1 三相全控整流原理简述

三相全控整流桥接线如图1所示，图中：ea、eb、ec分别为交流供电系统的等值相电势；Xb为阳极回路各相等效阻抗；L为发电机转子回路等效电感。6个桥臂的元件均为晶闸管。

当电路工作在非换相区时，共阴极组和共阳极组各有一元件导通，例如V5和V6两元件导通。当V1收到触发脉冲时，由于ea>ec，V1元件承受正向电压，V5元件承受反向电压，元件V5向V1换相，共阳极组元件V6继续导通，其他元件截止。此时直流侧输出电压Ud=Uac。其他换相情况与此类似。

图1 三相单个全控整流桥接线

2 故障类型分析

每套励磁系统包含至少两个三相全控整流桥，故障时刻可能是多桥并联单桥故障、多桥并联多桥故障的情况。多桥并联时，如发生单桥晶闸管击穿发生短路，那么通过励磁变压器低压侧即整流桥交流侧波形可分析出故障，直到该晶闸管的快熔发生熔断。此时由于非故障桥的作用，整流桥交流侧及直流侧波形恢复正常，为方便分析，下面仅考虑单桥情况。

整流桥的故障类型如图2所示。单个三相全控可控硅整流柜的故障主要包括晶闸管故障及脉冲故障两大类，其中：晶闸管故障分为晶闸管击穿、晶闸管不导通、晶闸管变为二极管故障[7]；脉冲故障包括脉冲丢失、提前触发、延时触发。这些故障还对应单桥臂故障，双桥臂故障及多桥臂故障。

图2 三相全控可控硅整流桥的故障类型

3 仿真分析

3.1 仿真模型

依据三相全控整流桥的原理，基于Matlab/Simulink工具箱搭建三相全控整流桥模型。该模型包括机端电压部分、三相励磁变压器(three-phase transformer)、三相全控整流桥SCR、六路双窄脉冲pulse、转子等效负载以及各测量回路[8-10]，如图3所示。电动机的励磁线圈负载属于电感性负载，为便于分析，通常将其等效为电阻与电感串联[10]。

图3 三相全控整流桥Simulink模型

3.2 正常状态仿真分析

正常状态下，整流桥交流侧电压和电流、直流侧电压、触发脉冲的仿真波形如图4所示。由于每周期有6次换相，整流装置交流侧电压电流波形中换相过电压共有6个。整流装置交流侧电流波形即为励磁变压器低压侧波形，根据各相电流波形可以分析出可控硅的导通顺序，正常情况下导通顺序为

3.3 晶闸管回路故障仿真分析

3.3.1 晶闸管击穿

图5为+A晶闸管在0.03 s时发生击穿造成A相与B相短路的仿真结果。由图5(a)整流桥交流侧电流波形可以看出：在0.03 s时由+A-C晶闸管向+B-C晶闸管换相，由于+A晶闸管发生击穿，+B晶闸管导通的瞬间经+A+B晶闸管桥臂发生AB相短路；当换相到-A晶闸管导通时，除了AB相短路，+A-A晶闸管直通短路，此时直流侧电压约为0；当换相到+C-A晶闸管时经+A+C晶闸管桥臂发生AC相短路。由此得出的交流侧电流和直流侧电压如图5(b)、(c) 所示。故障特征为励磁变压器低压侧出现较大短路电流，且励磁电压波形中有为0的情况。

图6为+A、-A晶闸管在0.03 s时击穿，造成ABC三相短路的仿真结果。由于+A、-A晶闸管击穿，使得A相一直产生直通短路，直流侧电压约为0。故障特征为励磁变压器低压侧出现较大短路电流，且励磁电压波形中有为0的情况。

图4 三相全控整流桥正常情况下仿真波形

图5 单桥臂晶闸管击穿仿真波形

图7为+A、-B晶闸管在0.03 s时击穿的仿真结果。在0.03 s时-C晶闸管导通，造成BC相经过-B-C晶闸管桥臂短路。随后+B晶闸管导通，发生AB短路，且B相直通短路，直流侧电压约为0。

图6 同相双桥臂晶闸管击穿仿真波形

晶闸管击穿故障特征为励磁变压器低压侧出现较大短路电流，且励磁电压波形中有为0的情况。

图7 非同相双桥臂晶闸管击穿仿真波形

3.3.2 晶闸管不导通

造成晶闸管不导通的原因主要包括晶闸管元件损坏不通、该桥臂快熔熔断、该晶闸管对应脉冲丢失。下面主要分析单个晶闸管不通、同一相的两个桥臂晶闸管不通、不同相的两个桥臂晶闸管不通。

1)单桥臂晶闸管不导通，换相过电压每周期减少一个。例如+A晶闸管不导通，仿真波形如图8所示。正常情况下，当换相到+A-B晶闸管导通时，直流侧输出电压为A、B相之间的线电压Uab，由于+A晶闸管不通，因此只能保持+C-B晶闸管继续导通，此时直流侧输出电压为Ucb的负半波。而相应地，交流侧电流表现为无+A相电流，而+C晶闸管一直导通180°，导致+C晶闸管和-C晶闸管出现直通短路，此时直流侧输出电压约为0，交流侧电流出现三相均为0的情况。

图8 单桥臂晶闸管不导通仿真波形

2)同相双桥臂晶闸管不导通，每个周期出现2次同相直通，换相过电压每周期减少2个。例如+A、-A晶闸管不导通，造成A相不通，仿真波形如图9所示。

3)非同相双桥臂晶闸管不导通，与之构成回路的电压均不能输出。例如+A、-B晶闸管不导通，仿真波形如图10所示。开始+B-C、+B-A、+C-A晶闸管导通正常输出波形；接下来应该是+C-B晶闸管导通，但是由于-B晶闸管不导通继续维持+C-A晶闸管导通，因此输出C相与A相的线电压Uca的负半波；然后，应当是+A-B晶闸管导通，由于+A晶闸管不导通继续维持+C-A晶闸管导通，因此继续输出C相与A相的线电压Uca的负半波。

以上几种晶闸管不导通的故障特征为交流侧电流出现三相均为0的情况，励磁电压波形中有为0的情况，且励磁电压有效值变小。

图9 同相双桥臂晶闸管不导通仿真波形

图10 非同相双桥臂晶闸管不导通仿真波形

3.3.3 晶闸管变二极管

工程中，由于晶闸管G、K极绝缘不好可能导致G、K间的PN结损坏，使得晶闸管变为二极管。图11为晶闸管二极管仿真波形。在图11中，设定+A由晶闸管变为二极管，由交流侧电流可知，+A晶闸管导通180°，当由+B-A晶闸管向+C-A晶闸管换相时，+B晶闸管还没有完全换到+C晶闸管，由于+A晶闸管一直导通，因此+A晶闸管此时与-A晶闸管形成短暂的同相直通，对应直流输出电压约为0。且由于+A晶闸管一直导通，导致+C晶闸管提前截止。

图11 晶闸管变二极管仿真波形

晶闸管变为二极管的故障特征是交流侧电流中出现导通接近55°后截止10°又继续导通55°的情况，且励磁电压每个周期有5个波头。

3.4 脉冲故障仿真分析

针对脉冲回路故障进行模拟仿真，并对仿真波形进行分析。

1)脉冲丢失

脉冲丢失与晶闸管不导通的情形一致，在此不再赘述。

2)提前触发

图12为+A晶闸管脉冲提前仿真波形。图中+A晶闸管脉冲提前触发20°，造成+C晶闸管提前截止，由原来的导通120°缩短为导通100°，导通时间变短；同时+A 晶闸管提前导通，由原来的导通120°延长为导通140°，+A晶闸管导通时间变长。励磁直流电压波形如图12(c)所示，正常时是均匀分布的锯齿波，现在其中一个锯齿波缩短，紧接着的锯齿波提前输出Uac的部分。

3)延时触发

图13为+A晶闸管脉冲延时触发仿真波形。图中+A晶闸管脉冲延时触发20°，由于本该+A晶闸管导通时，+A晶闸管脉冲没有到，使得+A晶闸管没有导通，所以+C晶闸管继续维持导通，原来的导通120°延长为导通140°，导通时间变长，直流电压继续输出Ucb的部分；同时+A晶闸管的脉冲由于延迟了20°，使得+A晶闸管导通100°后换相，导通时间变短。

图12 +A晶闸管脉冲提前仿真波形

图13 +A晶闸管脉冲延时触发仿真波形

脉冲故障的故障特征为交流侧电流中出现导通角度过大或者过小的问题，且励磁电压6个波头不一致。

4 故障特征验证

根据第3章波形分析，总结出晶闸管在不同故障情况下的故障特征如表1所示。一般来说发生晶闸管击穿，势必会造成励磁变压器低压侧出现较大短路电流，具体是哪一相的晶闸管击穿，需要结合波形来分析。晶闸管不导通的时候不易被发现，需要看波形才能识别。晶闸管变为二极管的波形比较有特征，很容易识别。脉冲故障时，如果是脉冲丢失，那么将出现与晶闸管不导通一样的波形，而提前触发或者延时触发可结合交流侧电流和励磁电压波形进行识别。

表1 晶闸管故障特征汇总

4.1 现场波形验证

图14为某电厂故障录波器所录的励磁变压器低压侧电流波形。图中t1时刻即将由+B-C晶闸管向+B-A晶闸管换相时，正常情况下-C晶闸管还没有完全换到-A晶闸管，且共阳极没有其他导通通路的话，-C晶闸管截止不了，直到有通路。但从波形来看：t1时刻-C晶闸管已经截止而-A晶闸管还没有导通，说明共阳极有其他导通通路，因此判断-B晶闸管一直导通，+B晶闸管此时与-B晶闸管形成短暂的同相直通，出现短暂的三相电流为0的情况；同时，-A晶闸管提前截止，-B晶闸管提前导通并导通180°，推测-B晶闸管桥臂晶闸管不受控制，有变为二极管的可能。对比第3.3.3节图11(b)晶闸管变二极管仿真波形A相电流，波形基本一致。由此分析出该厂整流柜出现的问题是某台功率柜的-B晶闸管发生故障变为二极管造成，需要立即处理。

图14 某电厂故障录波器录波

4.2 仿真数据验证

通过模型仿真一组波形数据，如图15所示，根据表1的故障特征，推测判断发生故障原因及部位。

从仿真故障波形数据中的交流侧电流可以看出，故障发生时A、B、C三相先后均出现短路电流，且出现一段直流侧励磁电压为0的情况。通过表1故障特征可以判断，这是发生了晶闸管击穿。从交流侧电流可以推断出，故障发生前+A-C晶闸管导通换相到+B-C晶闸管，正当-C晶闸管向-A晶闸管换相时，A、C两相出现短路电流。前两次换相过程中共阳极侧只有-C晶闸管导通，当共阳极侧出现另一通路-A晶闸管时，AC发生短路，可以推测-C晶闸管发生击穿，击穿时间发生在短路前-C晶闸管导通期间。

图15 仿真故障波形

5 结 论

上面归纳了整流桥的故障类型，并通过Matlab/Simulink软件搭建模型，对相应故障条件下的整流桥输入及输出的电压、电流仿真波形进行分析。通过某电厂的故障实例及仿真实例进行波形验证，结果表明：仿真波形与实际录波波形一致，并能通过总结的故障特征基本准确地分析出故障发生原因及部位。

因此，当发电机励磁整流柜出现故障时，可根据所总结的故障特征及仿真波形判定故障类型，快速分析出故障点。所研究的成果对于开发励磁整流故障诊断、研发智能化励磁整流具有重要意义，也可用于电厂运行人员对励磁系统整流桥进行分析。