调相机静止变频器机桥误触发故障分析及变频差动保护

静止变频器的可靠性、起动成功率等指标直接影响着机组的安全稳定运行以及对电力负荷调节的能力，也是大型同步机组的核心控制设备。

国电南瑞科技股份有限公司、江苏省送变电有限公司的研究人员董艳博、朱润秋、侯凯、潘仁东、胡静，在2020年第11期《电气技术》杂志上撰文，介绍静止变频器的拓扑结构和触发机理，针对锡盟调相机静止变频器系统出现的机桥驱动误触发导致机桥短路故障的工况，分析故障发生的原因和过程，验证了静止变频器系统快速动作的变频差动保护的灵敏性，这对推动国产静止变频器技术的发展具有重要意义。

同步调相机静止变频器（static frequency con- verter, SFC）是大功率、高可靠性的电流源型静止变频起动系统，采用先进的大型机组起动控制技术、光电触发技术、大容量功率单元设计等，将大容量调相机由静止状态拖动至同步或稍高于同步转速的静止变频起动系统。

本文通过锡盟调相机SFC系统出现的故障情况，结合故障录波波形并加以分析，定位实际系统的故障点。通过拆装定位的晶闸管控制单元（thyristor control unit, TCU）触发装置，对比故障分析结果，验证晶闸管触发回路的故障分析。

同时，为了有效保护机组及SFC系统，本文还提出了一种快速响应的变频差动保护方法，并在实际工程中加以应用。常规的差动保护都是基于工频相量构成的，而SFC系统的网桥、机桥侧电流的频率是在0～50Hz变化的，常规保护配置难以实现。通过故障分析波形，验证了变频差动保护能在毫秒级控制算法下快速  动作。

1  SFC结构

1.1  调相机SFC结构

调相机静止变频器采用的是“交-直-交”电流源型变频器，核心部分由整流桥、平波电抗器、逆变桥、控制系统组成。控制系统控制整流桥将工频电源整流成直流电，平波电抗器将整流的直流电进一步平波处理，使之更具有电流源的特性，逆变桥再依据机组频率，将直流电转换成与机组频率完全一致的交流电，从而拖动机组不断加速至额定转速。

调相机SFC包括进线断路器、起动变、12脉整流桥、6脉逆变桥、平波电抗器、切换刀闸、隔离刀闸、控制保护系统等。其原理如图1所示。

图1中，IN1和IN2分别为网桥12脉波0°桥和30°桥侧的三相电流，IM为机桥侧的三相电流。10kV工频电压经三绕组降压变降压成2路互差30°的三相低电压，通过12脉波整流装置整流成脉动直流。网侧0°桥6脉波整流成脉动直流为Idc0，网侧30°桥6脉波整流成脉动直流为Idc30，机侧6脉波整流成脉动直流为IdcM。

直流侧电流经电抗器滤波后成为平滑直流电流，再逆变成三相交流电流接入定子绕组形成定子磁场。同时，励磁装置输出励磁电流施加在转子上形成励磁磁场，定子磁场与转子磁场相互作用，产生加速力矩，带动机组正向旋转。SFC系统拓扑结构如图2所示。

SFC根据转子位置决定逆变桥中需要导通的2组晶闸管，为保证电流的通路，逆变桥每隔60°电角度换相一次，器件导通的顺序为VTM1/VTM2—VTM2/VTM3—VTM3/VTM4—VTM4/VTM5—VTM5/VTM6—VTM6/VTM1。

图1  调相机SFC系统原理图

图2  SFC系统拓扑结构

1.2  SFC触发控制结构

SFC在晶闸管器件的触发控制方面采用先进的光电触发方式。触发系统主要由静止变频器主控装置、阀基电子装置（valve control unit, VCU）和TCU等三部分构成，其触发控制示意图如图3所示。

图3  触发控制示意图

SFC主控装置与VCU之间采用光通信方式实现触发脉冲的控制和反馈以及高压阀组状态的监视。此外，还可实现对阀控系统的配置管理。

VCU将来自SFC主控装置的光触发信号（6脉动或者12脉动）经过转换变成单臂多管触发信号（适用于晶闸管串联场合）下发给TCU装置，TCU装置将接收到的光信号转换成电脉冲信号去触发晶闸管，完成阀组的触发功能。

从调相机SFC系统结构中可以发现：

①采用光电触发方式，触发系统抗干扰能力强，可有效提高起动系统的安全稳定性；

②VCU脉冲板可同时触发多个串联器件，单台即可实现12脉冲控制，不仅有很高的集成度，而且确保了晶闸管脉冲触发过程中的一致性；

③TCU具备高电位自取能功能，适用于超低频低电压等级下晶闸管的触发，同时TCU还可实时监测晶闸管模组的状态。TCU这种光电触发方式和高电位自取能方式与高压直流输电技术和设备类似，具有成熟的应用经验，安全可靠。需要强调的是，TCU在超低频和低电压等级下也可实现自取能，充分满足机组刚开始起动时两端电压频率小和电压低的工作特性。

鉴于SFC系统结构的特殊性，在施工过程中，若施工人员安装不慎，则会出现光纤折断以及TCU的接地点断裂等情况，导致晶闸管误触发等工况。

本文针对在锡盟调相机SFC系统现场运行调试过程中因施工不当导致晶闸管TCU不可靠接地引发误触发的问题，通过分析故障波形，找到被误触发晶闸管的位置并快速处理，对SFC系统的工程推广应用具有非常重要的意义。

2  机桥晶闸管误触发导致短路的故障分析

调相机SFC系统对晶闸管控制的可靠性要求很高，如果晶闸管驱动回路出现光纤光强不够、驱动电路受干扰等问题，就会严重影响SFC系统的安全可靠运行。

本文通过在锡盟调相机现场SFC系统出现故障的实际工况，分析此次故障出现的原因，通过实测故障波形分析定位误触发晶闸管的位置。

图4—图6都是在同一时序下产生故障的波形，大概在90ms时刻出现机网桥差动动作，SFC系统报故障停机。图4所示是网侧0°、30°桥以及机桥等效电流波形，在90ms时，0°和30°网桥电流突然异常增大，而机桥电流消失，从而产生机网桥差动动作故障。机桥突然消失，是因为电流不流过CT而直接在桥臂上短路；同时，机桥短路导致输出回路由电机阻抗负载回路变为短路回路，从而引发网侧电流快速拉升。

图4  机网桥等效电流波形

图5  机桥电流波形

图6  机桥脉冲触发序号波形

图6所示是机桥晶闸管脉冲触发序号波形。在发生故障的前一时刻机侧脉冲序号是3，换算成二进制0011，对应的晶闸管是VTM1和VTM2；发生故障时刻机侧脉冲序号是6，换算成二进制0110，对应的晶闸管是VTM2和VTM3。图5是机桥电流波形。从机桥电流波形中看出，在发生故障的前一时刻，VTM1和VTM2管导通，A相电流正常在正半波导通一个波头，C相电流正常在负半波导通一个波头。

而SFC系统下一组触发晶闸管是VTM2和VTM3，这个也从晶闸管触发序号波形中得到验证。在90ms时，VTM3晶闸管正常触发，从机桥B相电流可以看出，电流微微上升。随后，电流突然消失，从拓扑结构可分析出，当VTM2、VTM3晶闸管导通时，可能因机桥B相、C相短路导致。

根据C相VTM2晶闸管在发生故障之前正常导通一个波头，而VTM3晶闸管刚刚导通就产生机桥短路故障，能确定就是VTM6晶闸管误触发导致机桥短路。

综上分析，定位的VTM6晶闸管TCU有问题，与实际在现场拆卸VTM6晶闸管的TCU接地导柱折断，接地电位处于悬浮状态，从而导致晶闸管误触发动作的故障定位一致。

此次能快速动作切除故障点，与SFC配置了变频差动保护有紧密联系，确保了机组的安全稳定，也验证了自研SFC在变频保护中的技术能力。

3  快速响应的变频差动保护方法

3.1  变频差动保护原理

根据静止变频器的基本原理，每个桥臂对应一相绕组，每一瞬时有两个晶闸管导通，也就是三相绕组中只有两组绕组流过电流，以保证回路电流的导通。如图7所示，在瞬时两相导通的情况下，流过电机、变压器、平波电抗器、晶闸管的瞬时电流id是一样的。

可以发现，尽管网桥、机桥两侧电流频率不同，但两侧流过的瞬时电流是一致的。本文提出，直接利用机、网两侧电流的瞬时一致性构成SFC本体差动保护，即瞬时变频差动保护。

图7  回路电流流向原理图

逆变桥中晶闸管的导通与关断取决于电机的反电动势，且电流源型逆变桥为120°通电型。桥臂中的每一个晶闸管导通时间为120°，关断时间为240°。如图8所示，机桥逆变器每隔60°电角度换相一次。如果将三相电流合成一起形成id，流过变频器回路中的电流就能等效成直流侧电流。

如图1所示，网桥侧、机桥侧通过电流传感器分别采集相应的三相电流值，通过数字模块计算出网桥、机桥的等效直流电流，利用等效直流侧电流瞬时值构成差动保护。通过程序设置好差动保护的门槛值，如果有机桥侧发生短路故障，电流就会瞬时跌落，机网侧差动保护会立即动作，快速切除故障，保护变频和机组系统。下文中，通过实际故障工况验证了变频差动保护的功能。

图8  机桥输出电流波形

3.2  变频差动保护工程验证结果

从此次发生的机桥晶闸管误触发导致短路的故障分析可以看出，图4（a）中0°网桥等效直流Idc0与图4（b）中30°网桥等效直流Idc30的电流幅值均是0.6p.u.，远远小于额定电流；并且机桥等效直流IdcM突然消失为零，通过换算的机网桥等效直流构成差动对比，有效降低了过流对功率器件以及机组、变压器等设备的损害。

图6中，SFC系统检测到电流差动动作，机桥脉冲触发在5ms时间内迅速封闭脉冲，励磁系统给定值变为0，同时发“故障跳励磁”指令。大概在12ms左右，0°和30°网桥电流降为0，故障消失。通过实际故障波形的分析，更加明确了变频差动保护的快速响应动作，为调相机SFC起动系统的投运提供了可靠的技术支撑。

在SFC起动初期，机桥侧输出频率很低且电流很小，常规的工频电流差动保护不起作用[11]。如果SFC系统在低频运行工况下发生故障，那么靠常规工频差动保护方法解决不了SFC由于机网侧电流频率不同且此时的输出电流很小，不足以达到过电流动作和电流差动动作门槛等问题。

本SFC系统提出了一种快速响应的变频差动保护方法，通过CT采样得到的网桥电流波形和机桥电流波形进行处理得到合成的机网桥电流波形，实现在0～50Hz宽频范围内机网桥电流差动动作保护。

4  结论

本文通过调相机SFC系统的运行设计，详细介绍了SFC起动系统的拓扑结构和触发控制回路，分析了机桥晶闸管误触发导致的机桥短路故障原因，通过变频差动保护快速中断故障电流。通过调相机SFC动模系统模拟了晶闸管误触发产生的故障波形，分析了故障录波波形的工况，确认了故障晶闸管触发回路的位置。同时，验证了变频差动保护技术的快速响应功能，为SFC系统的变频保护技术奠定了基础。