同步調(diào)相機(jī)靜止變頻器（static frequency con- verter, SFC）是大功率、高可靠性的電流源型靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)，采用先進(jìn)的大型機(jī)組起動(dòng)控制技術(shù)、光電觸發(fā)技術(shù)、大容量功率單元設(shè)計(jì)等，將大容量調(diào)相機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)拖動(dòng)至同步或稍高于同步轉(zhuǎn)速的靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)。

本文通過(guò)錫盟調(diào)相機(jī)SFC系統(tǒng)出現(xiàn)的故障情況，結(jié)合故障錄波波形并加以分析，定位實(shí)際系統(tǒng)的故障點(diǎn)。通過(guò)拆裝定位的晶閘管控制單元（thyristor control unit, TCU）觸發(fā)裝置，對(duì)比故障分析結(jié)果，驗(yàn)證晶閘管觸發(fā)回路的故障分析。

同時(shí)，為了有效保護(hù)機(jī)組及SFC系統(tǒng)，本文還提出了一種快速響應(yīng)的變頻差動(dòng)保護(hù)方法，并在實(shí)際工程中加以應(yīng)用。常規(guī)的差動(dòng)保護(hù)都是基于工頻相量構(gòu)成的，而SFC系統(tǒng)的網(wǎng)橋、機(jī)橋側(cè)電流的頻率是在0～50Hz變化的，常規(guī)保護(hù)配置難以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)故障分析波形，驗(yàn)證了變頻差動(dòng)保護(hù)能在毫秒級(jí)控制算法下快速 動(dòng)作。

1 SFC結(jié)構(gòu)

1.1 調(diào)相機(jī)SFC結(jié)構(gòu)

調(diào)相機(jī)靜止變頻器采用的是“交-直-交”電流源型變頻器，核心部分由整流橋、平波電抗器、逆變橋、控制系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)控制整流橋?qū)⒐ゎl電源整流成直流電，平波電抗器將整流的直流電進(jìn)一步平波處理，使之更具有電流源的特性，逆變橋再依據(jù)機(jī)組頻率，將直流電轉(zhuǎn)換成與機(jī)組頻率完全一致的交流電，從而拖動(dòng)機(jī)組不斷加速至額定轉(zhuǎn)速。

調(diào)相機(jī)SFC包括進(jìn)線斷路器、起動(dòng)變、12脈整流橋、6脈逆變橋、平波電抗器、切換刀閘、隔離刀閘、控制保護(hù)系統(tǒng)等。其原理如圖1所示。

圖1中，IN1和IN2分別為網(wǎng)橋12脈波0°橋和30°橋側(cè)的三相電流，IM為機(jī)橋側(cè)的三相電流。10kV工頻電壓經(jīng)三繞組降壓變降壓成2路互差30°的三相低電壓，通過(guò)12脈波整流裝置整流成脈動(dòng)直流。網(wǎng)側(cè)0°橋6脈波整流成脈動(dòng)直流為Idc0，網(wǎng)側(cè)30°橋6脈波整流成脈動(dòng)直流為Idc30，機(jī)側(cè)6脈波整流成脈動(dòng)直流為IdcM。

直流側(cè)電流經(jīng)電抗器濾波后成為平滑直流電流，再逆變成三相交流電流接入定子繞組形成定子磁場(chǎng)。同時(shí)，勵(lì)磁裝置輸出勵(lì)磁電流施加在轉(zhuǎn)子上形成勵(lì)磁磁場(chǎng)，定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生加速力矩，帶動(dòng)機(jī)組正向旋轉(zhuǎn)。SFC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

SFC根據(jù)轉(zhuǎn)子位置決定逆變橋中需要導(dǎo)通的2組晶閘管，為保證電流的通路，逆變橋每隔60°電角度換相一次，器件導(dǎo)通的順序?yàn)閂TM1/VTM2—VTM2/VTM3—VTM3/VTM4—VTM4/VTM5—VTM5/VTM6—VTM6/VTM1。

圖1 調(diào)相機(jī)SFC系統(tǒng)原理圖

圖2 SFC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 SFC觸發(fā)控制結(jié)構(gòu)

SFC在晶閘管器件的觸發(fā)控制方面采用先進(jìn)的光電觸發(fā)方式。觸發(fā)系統(tǒng)主要由靜止變頻器主控裝置、閥基電子裝置（valve control unit, VCU）和TCU等三部分構(gòu)成，其觸發(fā)控制示意圖如圖3所示。

圖3 觸發(fā)控制示意圖

SFC主控裝置與VCU之間采用光通信方式實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖的控制和反饋以及高壓閥組狀態(tài)的監(jiān)視。此外，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)閥控系統(tǒng)的配置管理。

VCU將來(lái)自SFC主控裝置的光觸發(fā)信號(hào)（6脈動(dòng)或者12脈動(dòng)）經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換變成單臂多管觸發(fā)信號(hào)（適用于晶閘管串聯(lián)場(chǎng)合）下發(fā)給TCU裝置，TCU裝置將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)去觸發(fā)晶閘管，完成閥組的觸發(fā)功能。

從調(diào)相機(jī)SFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中可以發(fā)現(xiàn)：

①采用光電觸發(fā)方式，觸發(fā)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可有效提高起動(dòng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性；

②VCU脈沖板可同時(shí)觸發(fā)多個(gè)串聯(lián)器件，單臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)12脈沖控制，不僅有很高的集成度，而且確保了晶閘管脈沖觸發(fā)過(guò)程中的一致性；

③TCU具備高電位自取能功能，適用于超低頻低電壓等級(jí)下晶閘管的觸發(fā)，同時(shí)TCU還可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶閘管模組的狀態(tài)。TCU這種光電觸發(fā)方式和高電位自取能方式與高壓直流輸電技術(shù)和設(shè)備類似，具有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，安全可靠。需要強(qiáng)調(diào)的是，TCU在超低頻和低電壓等級(jí)下也可實(shí)現(xiàn)自取能，充分滿足機(jī)組剛開(kāi)始起動(dòng)時(shí)兩端電壓頻率小和電壓低的工作特性。

鑒于SFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，在施工過(guò)程中，若施工人員安裝不慎，則會(huì)出現(xiàn)光纖折斷以及TCU的接地點(diǎn)斷裂等情況，導(dǎo)致晶閘管誤觸發(fā)等工況。

本文針對(duì)在錫盟調(diào)相機(jī)SFC系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試過(guò)程中因施工不當(dāng)導(dǎo)致晶閘管TCU不可靠接地引發(fā)誤觸發(fā)的問(wèn)題，通過(guò)分析故障波形，找到被誤觸發(fā)晶閘管的位置并快速處理，對(duì)SFC系統(tǒng)的工程推廣應(yīng)用具有非常重要的意義。

2 機(jī)橋晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)致短路的故障分析

調(diào)相機(jī)SFC系統(tǒng)對(duì)晶閘管控制的可靠性要求很高，如果晶閘管驅(qū)動(dòng)回路出現(xiàn)光纖光強(qiáng)不夠、驅(qū)動(dòng)電路受干擾等問(wèn)題，就會(huì)嚴(yán)重影響SFC系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

本文通過(guò)在錫盟調(diào)相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)SFC系統(tǒng)出現(xiàn)故障的實(shí)際工況，分析此次故障出現(xiàn)的原因，通過(guò)實(shí)測(cè)故障波形分析定位誤觸發(fā)晶閘管的位置。

圖4—圖6都是在同一時(shí)序下產(chǎn)生故障的波形，大概在90ms時(shí)刻出現(xiàn)機(jī)網(wǎng)橋差動(dòng)動(dòng)作，SFC系統(tǒng)報(bào)故障停機(jī)。圖4所示是網(wǎng)側(cè)0°、30°橋以及機(jī)橋等效電流波形，在90ms時(shí)，0°和30°網(wǎng)橋電流突然異常增大，而機(jī)橋電流消失，從而產(chǎn)生機(jī)網(wǎng)橋差動(dòng)動(dòng)作故障。機(jī)橋突然消失，是因?yàn)殡娏鞑涣鬟^(guò)CT而直接在橋臂上短路；同時(shí)，機(jī)橋短路導(dǎo)致輸出回路由電機(jī)阻抗負(fù)載回路變?yōu)槎搪坊芈罚瑥亩l(fā)網(wǎng)側(cè)電流快速拉升。

圖4 機(jī)網(wǎng)橋等效電流波形

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圖5 機(jī)橋電流波形

圖6 機(jī)橋脈沖觸發(fā)序號(hào)波形

圖6所示是機(jī)橋晶閘管脈沖觸發(fā)序號(hào)波形。在發(fā)生故障的前一時(shí)刻機(jī)側(cè)脈沖序號(hào)是3，換算成二進(jìn)制0011，對(duì)應(yīng)的晶閘管是VTM1和VTM2；發(fā)生故障時(shí)刻機(jī)側(cè)脈沖序號(hào)是6，換算成二進(jìn)制0110，對(duì)應(yīng)的晶閘管是VTM2和VTM3。圖5是機(jī)橋電流波形。從機(jī)橋電流波形中看出，在發(fā)生故障的前一時(shí)刻，VTM1和VTM2管導(dǎo)通，A相電流正常在正半波導(dǎo)通一個(gè)波頭，C相電流正常在負(fù)半波導(dǎo)通一個(gè)波頭。

而SFC系統(tǒng)下一組觸發(fā)晶閘管是VTM2和VTM3，這個(gè)也從晶閘管觸發(fā)序號(hào)波形中得到驗(yàn)證。在90ms時(shí)，VTM3晶閘管正常觸發(fā)，從機(jī)橋B相電流可以看出，電流微微上升。隨后，電流突然消失，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分析出，當(dāng)VTM2、VTM3晶閘管導(dǎo)通時(shí)，可能因機(jī)橋B相、C相短路導(dǎo)致。

根據(jù)C相VTM2晶閘管在發(fā)生故障之前正常導(dǎo)通一個(gè)波頭，而VTM3晶閘管剛剛導(dǎo)通就產(chǎn)生機(jī)橋短路故障，能確定就是VTM6晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)致機(jī)橋短路。

綜上分析，定位的VTM6晶閘管TCU有問(wèn)題，與實(shí)際在現(xiàn)場(chǎng)拆卸VTM6晶閘管的TCU接地導(dǎo)柱折斷，接地電位處于懸浮狀態(tài)，從而導(dǎo)致晶閘管誤觸發(fā)動(dòng)作的故障定位一致。

此次能快速動(dòng)作切除故障點(diǎn)，與SFC配置了變頻差動(dòng)保護(hù)有緊密聯(lián)系，確保了機(jī)組的安全穩(wěn)定，也驗(yàn)證了自研SFC在變頻保護(hù)中的技術(shù)能力。

3 快速響應(yīng)的變頻差動(dòng)保護(hù)方法

3.1 變頻差動(dòng)保護(hù)原理

根據(jù)靜止變頻器的基本原理，每個(gè)橋臂對(duì)應(yīng)一相繞組，每一瞬時(shí)有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，也就是三相繞組中只有兩組繞組流過(guò)電流，以保證回路電流的導(dǎo)通。如圖7所示，在瞬時(shí)兩相導(dǎo)通的情況下，流過(guò)電機(jī)、變壓器、平波電抗器、晶閘管的瞬時(shí)電流id是一樣的。

可以發(fā)現(xiàn)，盡管網(wǎng)橋、機(jī)橋兩側(cè)電流頻率不同，但兩側(cè)流過(guò)的瞬時(shí)電流是一致的。本文提出，直接利用機(jī)、網(wǎng)兩側(cè)電流的瞬時(shí)一致性構(gòu)成SFC本體差動(dòng)保護(hù)，即瞬時(shí)變頻差動(dòng)保護(hù)。

圖7 回路電流流向原理圖

逆變橋中晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷取決于電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，且電流源型逆變橋?yàn)?20°通電型。橋臂中的每一個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)間為120°，關(guān)斷時(shí)間為240°。如圖8所示，機(jī)橋逆變器每隔60°電角度換相一次。如果將三相電流合成一起形成id，流過(guò)變頻器回路中的電流就能等效成直流側(cè)電流。

如圖1所示，網(wǎng)橋側(cè)、機(jī)橋側(cè)通過(guò)電流傳感器分別采集相應(yīng)的三相電流值，通過(guò)數(shù)字模塊計(jì)算出網(wǎng)橋、機(jī)橋的等效直流電流，利用等效直流側(cè)電流瞬時(shí)值構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)。通過(guò)程序設(shè)置好差動(dòng)保護(hù)的門檻值，如果有機(jī)橋側(cè)發(fā)生短路故障，電流就會(huì)瞬時(shí)跌落，機(jī)網(wǎng)側(cè)差動(dòng)保護(hù)會(huì)立即動(dòng)作，快速切除故障，保護(hù)變頻和機(jī)組系統(tǒng)。下文中，通過(guò)實(shí)際故障工況驗(yàn)證了變頻差動(dòng)保護(hù)的功能。

圖8 機(jī)橋輸出電流波形

3.2 變頻差動(dòng)保護(hù)工程驗(yàn)證結(jié)果

從此次發(fā)生的機(jī)橋晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)致短路的故障分析可以看出，圖4（a）中0°網(wǎng)橋等效直流Idc0與圖4（b）中30°網(wǎng)橋等效直流Idc30的電流幅值均是0.6p.u.，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流；并且機(jī)橋等效直流IdcM突然消失為零，通過(guò)換算的機(jī)網(wǎng)橋等效直流構(gòu)成差動(dòng)對(duì)比，有效降低了過(guò)流對(duì)功率器件以及機(jī)組、變壓器等設(shè)備的損害。

圖6中，SFC系統(tǒng)檢測(cè)到電流差動(dòng)動(dòng)作，機(jī)橋脈沖觸發(fā)在5ms時(shí)間內(nèi)迅速封閉脈沖，勵(lì)磁系統(tǒng)給定值變?yōu)?，同時(shí)發(fā)“故障跳勵(lì)磁”指令。大概在12ms左右，0°和30°網(wǎng)橋電流降為0，故障消失。通過(guò)實(shí)際故障波形的分析，更加明確了變頻差動(dòng)保護(hù)的快速響應(yīng)動(dòng)作，為調(diào)相機(jī)SFC起動(dòng)系統(tǒng)的投運(yùn)提供了可靠的技術(shù)支撐。

在SFC起動(dòng)初期，機(jī)橋側(cè)輸出頻率很低且電流很小，常規(guī)的工頻電流差動(dòng)保護(hù)不起作用。如果SFC系統(tǒng)在低頻運(yùn)行工況下發(fā)生故障，那么靠常規(guī)工頻差動(dòng)保護(hù)方法解決不了SFC由于機(jī)網(wǎng)側(cè)電流頻率不同且此時(shí)的輸出電流很小，不足以達(dá)到過(guò)電流動(dòng)作和電流差動(dòng)動(dòng)作門檻等問(wèn)題。

本SFC系統(tǒng)提出了一種快速響應(yīng)的變頻差動(dòng)保護(hù)方法，通過(guò)CT采樣得到的網(wǎng)橋電流波形和機(jī)橋電流波形進(jìn)行處理得到合成的機(jī)網(wǎng)橋電流波形，實(shí)現(xiàn)在0～50Hz寬頻范圍內(nèi)機(jī)網(wǎng)橋電流差動(dòng)動(dòng)作保護(hù)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)調(diào)相機(jī)SFC系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了SFC起動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和觸發(fā)控制回路，分析了機(jī)橋晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)致的機(jī)橋短路故障原因，通過(guò)變頻差動(dòng)保護(hù)快速中斷故障電流。通過(guò)調(diào)相機(jī)SFC動(dòng)模系統(tǒng)模擬了晶閘管誤觸發(fā)產(chǎn)生的故障波形，分析了故障錄波波形的工況，確認(rèn)了故障晶閘管觸發(fā)回路的位置。同時(shí)，驗(yàn)證了變頻差動(dòng)保護(hù)技術(shù)的快速響應(yīng)功能，為SFC系統(tǒng)的變頻保護(hù)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。