现场︱GE LS2100e系统功率柜内缓冲回路烧毁的分析
2015第二届轨道交通供电系统技术大会
报名方式1
浏览会议详情和在线报名参会，请进入"电气技术"微信号（dianqijishu），点击菜单栏“地铁会议”。
报名方式2
长按下图，识别二维码，即可浏览会议详情和在线报名参会。
华能天津煤气化发电有限公司、西安热工研究院有限责任公司的研究人员王正元、兀鹏越，在2015年第8期《电气技术》杂志上撰文，从一起GE公司的LS2100e系统的功率柜缓冲回路烧毁为契机，介绍了该系统功率柜的原理及接线，并重点剖析了功率柜内各板件的功能。经过分析故障发生时隔离变压器开关处的电流突变量，锁定故障范围。结合功率柜内各板件的功能，深入分析晶闸管单元的工作原理，确认故障可能发生原因。最后，对LS2100e系统日后的运行和维护提出观点。
某燃气电厂GE 9FB燃气轮机启动装置，采用LS2100e静态启动系统。2014年12月11日9:20:21，10kV B段“#3机组燃机变频启动隔离变”开关，合闸后迅速跳闸。就地检查开关所配东大金智综保WDZ-5211时，未见异常。随即检查开关柜二次回路，确认保护压板及跳闸回路。两个保护压板来自WDZ-5211和启动隔离变的保护装置G60I。分别查询两处装置报文，均未发现动作报文。
唯一的疑点，就缩小到了跳闸回路中来自LS2100e控制系统的常开接点。同时，针对故障时开关电流录波数据，再次判定故障范围来自LS2100e系统。最后检查就地启动系统，发现该系统功率柜缓冲回路烧毁。为了可以清楚的分析故障，本文将从LS2100e系统功率柜的原理、硬件、控制板件进行梳理，找到故障发生的原因。
1 LS2100e系统整体功能的介绍[1]
LS2100e启动系统与EX2100e励磁系统在MARKVI系统中的完美配合，将燃气机组的发电机转换成启动电机，如图1所示。
启动系统中的源桥电源，来自厂用10kV 段上的三绕组三相隔离变压器。源桥含有3相12脉冲整流回路和3相6脉冲逆变回路，整流器和逆变器通过DC直流电抗器连接在一起。逆变回路的输出连接到AC线路电抗器，AC线路电抗器用于补偿发电机断路器电容。AC线路电抗器输出通过快速熔断器、隔离开关89SS-1送至发电机定子。
图1 LS2100e静态启动系统概况
2 功率柜硬件的介绍
LS2100e包括电能的转换和控制两个功能，由控制柜、源柜、负载柜和泵柜(冷却系统)组成。其中，功率源柜、负载柜是下面介绍的重点。具体电能转换原理图及硬件组成，如图2所示。
图2 LS2100e电能转换回路原理图
3 功率柜电路板的介绍
桥路硬件和控制系统之间的接口功能电路板，作用是反馈和处理信号。将功率桥的电流、电压信号通过FCSA板、NATO板送入控制柜内的LSGI板；晶闸管单元上的FHVA板与FGPA板，通过光纤将反馈信号、命令信号送入控制柜内的LSGI板进行处理。板件间的信息传输过程，如图3所示。
图3 LS2100e系统功率柜控制板件总图
3.1 门极脉冲放大板（DS200FGPA）
作为发电机静态启动装置功率柜的重要板件，该板有三个基本功能。下面以A相桥路为例，描述三个基本功能是如何实现的，如图4所示：
1）门极驱动功能
一块FGPA板通过晶闸管（SCR）上的FHVA板，为SCR桥A相上各个晶闸管提供足够幅值和持续时间的门极触发脉冲电流。脉冲电流来自于FGPA板，由两个门极驱动回路AGATE与BGATE提供。每个门极驱动回路提供的能量，最多驱动六个晶闸管。同时，该板通过光纤与LS2100e控制系统（LSGI板）进行数据交换。
2）晶闸管状态监视功能
通过采集FHVA板上G STATUS插槽的光信号，来判定晶闸管导通/关断的状态信息。并经光纤，将反馈信号送到LS2100e控制系统（LSGI板）中。
3）提供板件功能电源
接受一个120V的交流输入电源，并产生下述的直流控制电压，来满足各功能的实现：P5 A/B 用于逻辑电源（4.7~5.1V dC）；P15 A/B 门极电压（13.5~14.5V dC）；P40 A/B 用于门“后沿时间”（25V dC）；P90 A/B 以启动门控脉冲发生（80V dC）。
图4 门极脉冲放大板与高压选通接口板之间的配置
3.2 高压选通接口板（DS200FHVA）
LS2100e的每个晶闸管都具有相同的FHVA板，起到晶闸管门接口和晶闸管单元电压监控的作用。同时，FHVA板提供门极脉冲放大板（FGPA板）到晶闸管的隔离路径，防止谐波干扰。
如图5所示，FHVA板包括：电流互感器（T1）及其放大回路、红色LED灯（C STRT）、晶闸管脉冲触发电流输出极（P1）、E1、E2极与光电插槽（G STATUS）形成的回路等。该板件主要有三个基本功能：
图5 FHVA板件的组成
1）晶闸管门极触发接口功能
如图6所示，FGPA板上的脉冲触发控制回路是由， GATE1至GATE2间连接的一条高压电缆组成的。该电缆通过串联SCR桥上一相的多个高压选通接口板（FHVA）上的电流互感器（T1），将来自FGPA板上的脉冲电流Ipri，经FHVA板上整流转变为可以对晶闸管门极进行控制的脉冲电流Igate。通过FHVA板上的P1极，完成对晶闸管单元的触发控制。
图6 门极接口电路及导通指示电路
图注：CSTAT-代表红色的LED灯；D11-代表保护LED灯的限流二极管；D12-代表稳压二极管；R7-代表限制电流的电阻。
2）门极状态指示功能
FHVA板上有一个红色的LED灯（C STAT），用于就地检测晶闸管是否在脉冲触发时进行导通。具体原理图，如图6所示。
3）晶闸管监视功能
晶闸管在导通状态下，FHVA板上E1、E2极回路没有电流流过（Ifwd=0）；而在关断状态下，电流通过均压电阻Re流入E1、E2极间的回路（Ifwd≠0）。电流Ifwd通过G STATUS插槽（U1），经过电光转换，将晶闸管关断状态的信息，送到LS2100e控制柜LSGI板。在运行过程中，因涉及关断晶闸管时产生的尖峰电压，属于高压板件。
图7 晶闸管状态监视电路
图注：Ifwd-通过U1的均衡电流；SCR-晶闸管；Cs、Rs-RC阻容吸收回路中的相关缓冲电阻和缓冲电容；Re-均压电阻。
3.3 电压反馈板（DS200NATO）
NATO板提供电压反馈，输入值是SCR桥两侧的交流和直流高电压，经板件上相关电阻多重衰减后输出到LSGI板。这个过程需要精确的处理电压反馈。
3.4 电流反馈板（DS200FCSA）
电流反馈板将功率桥和负荷桥两侧的电流，通过电流互感器采集到LS2100E控制系统LSGI板去。每一块FCSA板，包含两个采集A、C相电流的电流互感器（CT），和两个采用霍尔效应的电流传感器（LEM）。
4 故障排查
为了排除故障原因，对10kV B段“#3机组燃机变频启动隔离变”开关进行一次远方合闸试验。（启动隔离变的容量为7000kVA，额定电流为404.2A，采用三绕组Dd0y1接线方式。）通过ECMS系统对电流突变量的查询，发现故障时间为30 秒左右；每相电流值均未超过额定电流值，均为同时突变。在合闸的30秒内，每相电流的突变量，有时是三相同时变化，有时是其中两相发生变化（见表1）。根据电流变化量分析，排除短路接地故障的可能性，故障范围主要集中自于LS2100e的功率柜。
表1 远方合闸后故障电流的突变数据
就地检查LS2100e系统，控制柜无异常，源柜也无异常。当打开负载柜时，发现逆变桥A相中的两块冷却板发黑，晶闸管单元（4T3）内FHVA板上两个二极管被击穿（位置在E2极旁），冷却板上一块电阻（UXP/600 10KJ）完全烧毁。
4.1 晶闸管单元的组成
晶闸管单元的空心钢壳冷却板，用一字螺丝固定着五个电阻。分别为四个10Ω缓冲电阻（UXP/600 10RK），和一个10kΩ均压电阻（UXP/600 10KJ），电阻容量均为600W。缓冲电阻与缓冲电容组成RC缓冲回路，均压电阻与FHVA板上的E1、E2极构成反向均压回路。冷却板外部金属与直流铜排母线、晶闸管阳极/阴极相连，用于桥路电能的导通；内部空心部分为冷却水，用于冷却该发热单元。
FHVA板安装在冷却板上，板上电流互感器（T1）有高压电缆穿过。高压电缆是由FGPA板上的GATE极形成回路，串联一相中的四组晶闸管单元。C STATUS通过光纤与FGPA板相连，P1与晶闸管的门极G和阴极K通过插槽连接在一起，E1与E2极分别与冷却板和电阻相连形成回路。具体组成结构，如图8所示。
图8 晶闸管单元接线图
4.2 晶闸管单元的控制逻辑
晶闸管单元控制逻辑，如图9所示。晶闸管导通时，触发门极的命令来自LSGI板，命令信息通过光纤传递到FGPA板上的GATEIN插槽上，使FGPA板上的GATE1与GATE2之间高压电缆通过小脉冲电流。小电流通过FHVA板上的电流互感器（T1）和放大回路放大至足够门极触发脉冲，使晶闸管在承受正向电压时导通。同时，FHVA板上的C STAT灯变红，表示晶闸管已经导通。
SCR关断时，在FHVA板上E1、E2极间产生电流，U1将晶闸管关断状态的反馈信息，经MUX送到LS2100e控制柜LSGI板。
4.3 晶闸管单元的缓冲电路
缓冲电路又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压，维持晶闸管的静态均压与动态均压，减小器件的开关损耗。缓冲电路一般可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为du/dt抑制电路，用于吸收晶闸管关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，保护晶闸管。
逆变电路中，晶闸管的开通和关断频率很高。当晶闸管关断时，因回路中电感L的存在，电流IL不能发生突变，继而形成流入RC缓冲回路（由RS与CS组成）的分流电流ICS，将电感上的储能转移到了电容CS内。同时晶闸管关断时，电流突变在晶闸管两端产生很高的尖峰电压UKA，缓冲回路的存在大大降低了晶闸管关断瞬间在其两端所产生的过电压，维持动态均压。电容CS上存储的能量通过并联在晶闸管两端的均压电阻RE，来平衡一相上各个晶闸管两端的反向电压降，维持静态均压。
当晶闸管导通时，电容CS通过电阻RS放电。使IC有一定的电流，有效抑制了开通时电流过冲和UKA间的开关电压过高。并使晶闸管两端的反向电压恢复到母线电源电压, 为下次缓冲吸收做准备。
图9 晶闸管单元原理接线图
4.3 事故原因分析
1）缓冲回路配置存在问题
RC缓冲电路对抑制晶闸管的关断浪涌电压，存在很好的效果。晶闸管关断时，电能储存在缓冲电容CS内；开通时，存储的能量要在缓冲电容CS中得到释放。此时，如果缓冲电阻CS和缓冲电阻RS的值选择不当就会造成缓冲电阻或是均压电阻烧毁。晶闸管开通时会产生过电压，缓冲电阻对UCE尖峰电压的影响比缓冲电容大。在满足吸收效果的前提下，应当充分考虑电阻的消耗功率，电阻不能选的过大，因此电阻大概定在20~ 30Ω之间[7]。而实际电阻为40Ω。
此次被烧毁电阻为均压电阻，根据国内其他厂家同容量的静态启动装置，晶闸管单元配置的均压电阻为32kΩ。目前缓冲电路中均压电阻为10kΩ，阻值可能过小，需要核算。
2）冷却板末端散热效果差
此次烧毁的缓冲电阻，位于A相的晶闸管单元，此处冷却水管已处于在整个冷取水的末端，冷取水循环的效果会降低很多。对缓冲电阻的散热，还是存在一定的影响。
3）操作时间过长导致操作过电压
在发生本次事故之前，因燃机管道的吹扫一直没有符合要求，LS2100e曾单独为燃机轮机供电，长达1小时19分钟。而一般的启动吹扫时间均在10分钟左右。因此，在这么漫长的时间内，晶闸管关断的次数过多，再停下LS2100e静态启动系统时，难免造成操作过电压。
5 发电机静态启动的维护设想
5.1 加强有效巡视
燃机电厂目前在国内，一般都用作调峰机组使用。日开夜停非常频繁，因此增加了LS2100e变频启动的次数，做好变频器的巡视工作对燃机电厂非常重要。变频启动器在每次完成机组启动后，应由运行人员对功率柜内的进行详细检查，用测温计对每个可控硅单元及水冷却管道进行测量与记录，确保设备健康程度。
5.2 提供变流桥差动保护
对于国内燃气轮机组，发电机静态启动设备的保护均为外国厂家，（ABB、GE、Siemens、ALSTOM等），据了解，只有ALSTOM公司能够提供静态启动装置变流桥（整流及逆变回路）差动保护。其技术难点：网桥侧为工频，而机桥侧为变频（0～50Hz）。
目前，南瑞继保公司已成功研制了，SFC本体差动保护和输出变压器变频差动保护，可以在有条件基础上尝试该保护。
5.3 静态启动装置硬件国产化研究
从此次故事发生后，完成备件替换的过程整整进行了20个小时。主要是没有专用工具，及可用备件。再多方联系后，竟从其他同类型备用机组上，拆除正常使用晶闸管单元，替换到该台机组上。因对控制板件的不了解，维修及改造带来了很大的困难。因此只有走国产化的道路，才能解决能够用下去的问题。
6 结论
本次事故的发生，为电厂维护人员敲响了警钟，对国外设备掌握不到位，面对厚厚的英文说明书有为难情绪。同时，对事故发生的预见性估计不足，导致在故障排除时，过分的检查国内设备，而忽略对国外设备的认真检查，险些酿成事故扩大。
关注电气工程技术、聚焦学科前沿发展