一起励磁系统非线性电阻柜烧损事故分析

朱春成，陶 荣

(天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂，贵州 兴义 562400)

0 引言

灭磁与过电压保护碳化硅非线性电阻是同步发电机励磁系统跨接器中重要部件之一，主要作用为保护转子在异常过电压及发电机灭磁情况下不被击穿、烧损。2022 年7 月，某电厂发生了一起因跨接器误导通，非线性电阻碳化硅误接入转子回路，造成非线性电阻柜烧损并跳机的事故。为提高灭磁及过电压保护的可靠性，减少类似事故的发生，对事故进行了分析与总结，并实施相关改进措施。

1 事件过程

2022-07-12T06:55—07:05，该电厂2 号机组270 MW 负荷运行，期间监控系统6 次发出“励磁系统过压动作”报警及复归信号，其中持续时间最长一次达367 s，累计动作持续时间463 s；07:04:37，转子一点接地(低定值)保护动作跳闸，2 号机组事故停机。现场检查发现2 号机组非线性电阻柜烧损，灭磁开关触头表面烧毛熔损。

经初步分析，造成非线性电阻柜严重烧损的主要原因是灭磁电阻支路长时间导通，碳化硅发热严重，从而导致整柜烧损。事件发生时，转子电压在200 V 左右，转子电流瞬间由1 250 A 降至950 A左右。

2 灭磁与过电压保护原理

该电厂采用广州擎天EXC 系列励磁系统，跨接器除用于发电机转子回路过电压保护外，还作为发电机灭磁投入灭磁电阻使用，其采用METROSIL 8298 系列碳化硅，通过三并两串的形式并接在转子回路。跨接器由三个可控硅组成，其中V1 为正向控制可控硅，V2、V3 为反向控制可控硅。机组正常运行时由于跨接器正、反向可控硅未导通，碳化硅上无电流流过；而机组事故停机、灭磁开关跳开时V2、V3 在接收到可控硅跨接器触发板(BOD)传过来的导通信号后，可控硅导通，跨接器回路有电流流通，当电流互感器检测到回路电流大于1 A，即触发“励磁系统过电压保护动作”；当机组异步运行、非全相等其他原因造成正向电压达到3 200 V，则跨接器中V1 在BOD 触发下导通，瞬时将碳化硅并接在转子回路上，避免发电机转子绝缘被击穿。

BOD 采用电阻分压、转折二极管触发的原理，在满足条件时触发跨接器上可控硅导通，实现二极管阳极与阴极间电压差值达到其本身的转折电压时导通，通过的电流小于关断值时恢复阻断。当转子电压高于3 200 V 时，V1 导通；当灭磁开关跳开时，V2、V3 导通。转子回路的磁场能量或过电压能量将转移到碳化硅非线性电阻上消耗掉，限制转子两端电压，实现保护转子的目的。

3 碳化硅性能

现场励磁系统跨接器中的碳化硅共计六组，灭磁容量6.6 MJ，具有以下性能。

1) 负电阻温度系数特性。由于碳化硅非线性电阻的材质特性决定了其负温度特性，主要特征为当电阻温度上升时阻值会减少，因此在恒定电流负载条件下，电阻两端电压随温度升高而降低，或在恒定电压负载下电流随温度上升而增加。

2) 工作时间短，散热时间长。碳化硅非线性电阻作为灭磁电阻使用时，只在灭磁回路动作瞬间接入发电机励磁回路，且在灭磁过程中，电阻不会承受连续作用的恒定电压，因此，负电阻温度系数在灭磁回路投入前是无影响的；在灭磁过程中，灭磁是在短时间内完成的，且灭磁电源为一个衰减的电压源，即灭磁电压非恒定电压，灭磁电流也非恒定电流，所以负电阻温度系数的影响也是极小的。当碳化硅温度升高后散热时间较长，试验表明碳化硅温度达到150 ℃后，自然冷却至常温需长达6 h。

4 事故原因分析

运维人员对跨接器可控硅进行初步测量，发现正向可控硅V1 处于导通状态，反向可控硅V2、V3 正常；厂家对BOD、跨接器进一步检测，过电压保护动作实测值为3 270 V，跨接器正向触发，反向触发I 路、II 路结果均正常，在事故中也未损坏。因此，造成此次事故的原因是正向可控硅V1异常导通，导致碳化硅电阻直接并接在转子回路。查询事故发生时2 号机组电气量变化曲线，转子电压约200 V，远未达到动作门槛值3 200 V，每个碳化硅两侧电压为100 V (三并两串)，根据碳化硅伏安特性曲线，对应电流约为20 A，在不考虑碳化硅负电阻温度系数的情况下，碳化硅共消耗能量：

由于碳化硅负电阻温度系数的影响，实际耗能可能远大于5.6 MJ，这部分能量将转化成碳化硅的热能，根据碳化硅参数可知当吸收1 MJ 时碳化硅温升115 ℃，此次事故中碳化硅累计吸能远大于5.6 MJ，温度将急速上升，最终引起非线性电阻柜起火并导致烧损。

5 改进建议

根据上述分析，事故是由跨接器可控硅异常导通引起，最终造成了非线性电阻柜的烧损。由于事故发生位置处于保护盲区，且可控硅误导通造成碳化硅烧损的案例在业内极为少见，为了后续及时发现设备隐患，控制事故范围及影响，结合此次事故提出以下改进建议。

1) 完善励磁系统事故启动紧急停机功能，防止类似事件再次发生。

2) 优化判断逻辑：励磁系统过压保护信号动作累计持续10 s 或10 s 内过压保护信号动作达到3次，判断为跨接器故障，启动紧急停机流程。

3) 完善碳化硅灭磁电阻的监测手段，增加灭磁电阻温度监视和报警信号，当温升达到设定值时立即启动紧急停机流程，灭磁停机；条件允许可以规划建设励磁系统综合信息智能告警和决策系统，评估设备运行状态并及时发现异常，防止励磁系统故障造成事故扩大、设备损坏。

4) 加强励磁系统运维管理，提升管理水平。定期对励磁系统可控硅、灭磁电阻柜、与转子连接引线等部位进行红外热成像检测，及时发现设备隐患，防患于未然；梳理、完善励磁系统信号，提高报警信号指向性，提高运行人员发现问题、处置问题的能力。

5) 建立设备档案，专人跟踪分析，提升设备管理水平。提高备品备件储备标准，对影响范围大、采购周期长的元器件进行整柜储备，缩短抢修时间。

6 结束语

同步发电机励磁系统中的灭磁与过电压保护是连接转子回路和整流回路的重要部分，在保护转子在异常情况下不被击穿、烧损方面发挥着重要作用。通过介绍和分析某电厂一起跨接器异常导通致使非线性电阻柜烧损的事故案例，查找原因和提供改进措施，为采用同类型转子灭磁与过电压保护的电厂提供处理经验，也为进一步完善励磁系统灭磁与转子过电压保护功能，提高励磁系统可靠性提供参考。