静止变频器动态过流故障分析及处理措施
荆大龙
(安徽响水涧抽水蓄能有限公司，安徽 芜湖 241083)
【摘 要】 抽水蓄能电站的静止变频器(SFC)主要用于在抽水调相工况时将机组拖动至电动机工况的额定转速，从而达到与系统并网条件。本文主要介绍了抽水蓄能电站的SFC在抽水调相工况下拖动机组至额定转速过程中SFC系统发生过流故障的故障原理、原因分析及相应处理措施，为其他电站SFC同类型故障分析及处理提供参考，同时有利于提高抽水蓄能电站机组的启动成功率。
【关键词】 静止变频器;网桥;机桥;脉冲
0 引言
静止变频器(Static Frequency Converter，SFC)是抽水蓄能电站特有的一种变频启动装置，通过SFC变频启动来达到抽水蓄能机组由稳态停止到抽水调相或抽水，具有无级变速、启动平稳、反应速度快、调整方便、维护工作量小等优点，可靠性高且有很强的自诊断能力，是一种比较可靠的启动方式。但其所需控制设备比较复杂，元件要求质量高，因此，SFC系统本身出现故障或受干扰导致启机不成功的情况时有发生，严重影响了抽水蓄能电站的启机成功率和机组的可靠性。
1 SFC简介及原理
抽水蓄能机组水泵方式启动由电网供电通过SFC驱动机组运转。SFC包括两个独立的换流桥:接在电网侧作为SFC电源的三相可控硅整流桥和接在机组侧的三相可控硅逆变桥，以实现交—直—交功率的转换。两换流桥之间为直流回路，直流回路中接入平波电抗器用以抑制直流回路的脉动纹波，以改善逆变器工作条件，并限制直流电流的上升率。整流桥接入电网，由电网电压支持整流桥的换相。因此，整流桥的换相频率与电网电压频率一致。逆变桥交流输出电压直接与被拖动机组定子绕组相连接，此交流电压同时为逆变桥提供换相电压，机组在不同的转速下感应的电压频率不同，因此逆变桥的换相频率随机组运行转速变化。整流桥为整流工作方式，逆变桥为逆变工作方式，二者产生的直流电压分别是Ud1、Ud2，若控制两换流桥的控制角使Ud1大于Ud2，在此电压差作用下产生的直流电流流入机组的定子绕组中。当机组转子励磁绕组也通入电流，并且满足转子的磁场方向与定子磁势方向正交时，机组便会产生最大的转矩。
2 SFC动态过流故障分析
2.1 故障情况描述
SFC拖动抽水蓄能电站某台机组启动过程中，机组频率上升至15Hz左右，发生过流故障，动作过程如下:
(1)控制器d i/d t保护动作。
(2)SFC系统网桥逆变、机桥逆变、发QF1跳闸令。
(3)SFC系统回路电流降到低值(接近0A)。
(4)QF2分开后，网桥交流电压降到低值。
(5)机桥交流侧电流突然增大，TA电流采样达到饱和值。
(6)SFC系统保护装置差动动作，后备过流保护动作。
(7)QF1跳闸后，QF3跳闸。
电站SFC系统主接线见图1。
图1 SFC系统主接线
2.2 故障原因分析
针对以上故障动作情况，分析如下:
(1)控制器d i/d t保护动作。对故障后电压波形进行分析发现，电机转速达到15Hz后，SFC机桥输出侧电压波形变差，导致SFC控制器测频出错，机桥输出脉冲出错，SFC系统回路电流增大，最终SFC系统控制器d i/d t保护动作。机桥电压、电流及开关量波形见图2。
图2 机桥电压、电流及开关量波形
(2)SFC系统网桥逆变、机桥逆变、发QF1跳闸令。对故障后机桥电压、电流及开关量波形进行分析发现，SFC控制器d i/d t保护动作后，发出跳闸令，同时网桥、机桥逆变，QF2跳闸接点闭合。
(3)SFC系统回路电流降到低值(接近0)。对故障后机桥电压、电流及开关量波形进行分析发现:SFC控制器d i/d t保护动作后76ms之内，QF1处于跳闸过程中，网桥交流侧电压未消失，此时网桥、机桥交流侧电流都降到低值(接近0)。
(4)QF2跳闸后，网桥交流电压降到低值。对故障后网桥电压、电流波形进行分析发现，SFC控制器d i/d t保护动作76ms之后，QF1断路器分开，网桥交流侧电压降到低值。
(5)机桥交流侧电流突然增大，TA电流采样达到饱和值。
网桥、机桥的电压、电流波形见图3和图4，网桥交流侧电流降到低值后，机桥交流侧电流突然上升。这是因为机桥输出侧交流电压波形差，导致SFC控制器测频出错，进而导致SFC机桥控制脉冲出错。机桥某些触发脉冲极有可能为整流角，此时网桥交流侧电压为零，网桥直流侧没有输出电压，SFC回路为电感回路，网桥和机桥可控硅中电流短时间内不可能截止。在机桥整流电压作用下，SFC回路电流突然增大，导致网桥最终处于正负极直通状态。
图3 网桥电压、电流波形
(6)SFC系统保护装置差动动作，后备过流保护动作。对图5进行分析发现，此时刻网桥交流侧电流为零，而机桥交流侧电流很大，导致SFC系统保护装置桥差动保护动作，最终过流保护动作。
(7)QF1跳开后，QF3跳闸。控制器发出系统跳闸令后，QF1和QF2先分闸，QF1及QF2跳闸后，QF3后分闸。
3 SFC动态过流故障处理措施
3.1 故障原因
综合以上对SFC动态过流故障动作情况的分析，本次SFC过流原因总结如下:
(1)SFC输出变压器电感值较大，机桥输出侧电压波形畸变大，导致SFC控制器测频出错，机桥输出脉冲出错。
(2)机桥同步电压波形差及脉冲出错，最终导致机桥由逆变状态转成整流状态。
图4 机桥电压、电流波形
图5 差动电流、频率波形
3.2 处理措施
SFC系统正常拖动机组并网时，处理过程如下:
(1)SFC系统收到同期来的“发电机出口断路器合闸令”。
(2)网桥逆变、机桥封脉冲，QF3出口跳闸。
(3)20ms后，网桥封脉冲。
SFC系统故障跳闸时，处理过程如下:
(1)网桥逆变、机桥封脉冲，励磁参考值降为0，QF1和QF2跳闸出口，跳外部励磁。
(2)20ms后，网桥封脉冲。
(3)QF1和QF2跳开后，跳QF3开关。
作者简介:
荆大龙(1990— )，男，安徽淮北人，助理工程师，继电保护专业。E mail:435696627@qq.com