2018年5月5日，某電廠GE 9FB燃氣機組連續(xù)5次起動失敗，直至LCI裝置負荷柜內晶閘管單元燒毀。起動中，MarkVIe系統(tǒng)告警窗中屢次顯示，“52SS SOURCE ISOLATOR BREAKER CLOSED Inactive”、“LOSS OF 52SS FEEDBACK Active”，即“52SS開關跳閘”、“52SS閉合反饋信號消失”等信息。

在幾次起動中，冷卻水電阻率不斷下降，52SS開關柜所配置的保護均未動作。為了分析此次故障，本文將結合燃氣機組整體起動流程，介紹LS2100e系統(tǒng)的特點，找出故障發(fā)生的原因。

1 燃氣機組整體起動的介紹

燃氣機組的起動流程是在MarkVIe系統(tǒng)的控制下進行，從而完成發(fā)電機由“靜態(tài)發(fā)電機—同步電機—同步發(fā)電機”的狀態(tài)轉變。LCI裝置向定子提供三相交流電源，勵磁裝置向轉子提供直流電源。形成定子磁場與轉子磁場的相互作用，產(chǎn)生電磁轉矩，使靜態(tài)發(fā)電機轉變?yōu)橥诫姍C運行，并拖動同軸的燃機透平開始升速。至一定速度后，LCI、勵磁裝置退出，通過開關位置的變化，使同步電機轉變?yōu)橥桨l(fā)電機。

燃氣機組發(fā)電機電氣主接線圖如圖1所示。GE 9FB燃氣機組整體起動過程可以分為以下4個階段，即同步起動階段、清吹及點火階段、升速階段和起勵建壓階段。

1.1 同步起動階段

MarkVIe發(fā)出起動指令，勵磁系統(tǒng)轉為靜態(tài)變頻起動模式，合52ET（10kV起動勵磁變開關），合41AC-2（起勵交流電源開關），合41E-DC（滅磁開關），合52SS（10kV起動隔離變開關），合89MD（LCI中壓柜刀閘），分89ND（中性點刀閘），分41AC-1（自并勵交流電源開關），合89SS（LCI裝置的隔離開關）。在反饋信號被MarkVIe系統(tǒng)確認后，靜態(tài)發(fā)電機轉變?yōu)橥诫姍C狀態(tài)，起動成功。

MarkVIe發(fā)出轉速指令至LCI裝置，發(fā)電機（此時為同步電機狀態(tài)）在盤車轉速下起動，升速至705r/min。

圖1 燃氣機組發(fā)電機電氣主接線圖

1.2 清吹及點火階段

至705r/min后，進行16.6min的清吹階段。清吹結束后，LCI、勵磁系統(tǒng)退出，待轉速降至420r/min，燃機點火。LCI、勵磁系統(tǒng)重新投入運行。

1.3 升速階段

燃機轉速升至2730r/min后，LCI、勵磁系統(tǒng)退出。根據(jù)MarkVIe指令，分41E-DC（滅磁開關），分41AC-2（起勵交流電源開關），合41AC-1（起勵交流電源開關），分89SS（LCI裝置的隔離開關），合89ND（中性點刀閘）。在開關反饋確認后，LCI退出，勵磁系統(tǒng)切換至自動模式，同步電機狀態(tài)轉成同步發(fā)電機狀態(tài)。

1.4 起勵建壓階段

燃機轉速升至2940r/min時，勵磁系統(tǒng)重新起動運行，合41E-DC（滅磁開關），執(zhí)行起勵建壓程序。

2 LS2100e系統(tǒng)特點介紹

LS2100e系統(tǒng)是由美國GE公司為9FB燃氣機組配置的最新靜態(tài)起動裝置。功率柜采用水冷系統(tǒng)。控制系統(tǒng)信息化程度高是LS2100e系統(tǒng)的最大特點。

2.1 冷卻系統(tǒng)配置

LS2100e系統(tǒng)采用水冷卻系統(tǒng)，主要用于功率柜內晶閘管單元的冷卻。熱交換器外部與閉式水系統(tǒng)相連，通過三通閥門對冷卻水系統(tǒng)進行調節(jié)。一般情況下，三通閥門只被設置為內部循環(huán)，由水泵驅動除鹽水經(jīng)去離子罐、活性炭罐，為濾波器和整流器進行冷卻，如圖2所示。

圖2 LS2100e冷卻系統(tǒng)圖

2.2 控制系統(tǒng)板件配置

LSGI靜態(tài)變頻起動門極觸發(fā)板是整個控制系統(tǒng)的核心板件，其功能模塊如圖3所示。采用以太網(wǎng)的方式，與UCSB控制單元進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對功率橋路的控制。通過FCSA板（電流反饋板）、NATOG3板（電壓反饋板），將功率橋的電流、電壓信號送入控制柜內的LSGI板；通過晶閘管單元上的FHVA板（高壓選通接線板）與FGPA板（門極脈沖放大板），將各晶閘管的觸發(fā)命令及晶閘管接受觸發(fā)后的狀態(tài)等相關數(shù)據(jù)，送入控制柜內的LSGI板進行處理。

LSGI板采集冷卻水系統(tǒng)中溫度和電阻率作為正常起動的判據(jù)。同時，對LSGI板配置了一個功率柜過電流保護，它從FGPA板獲得反饋的晶閘管單元狀態(tài)，判定功率柜內是否存在過電流。它的起動條件是，52SS開關合閘反饋接點送入LSGI板。

3 故障排查

在燃氣機組第5次起動前，對冷卻水系統(tǒng)進行了停泵操作，更換了活性炭過濾罐。再次起動水泵，就地冷卻水電阻率已符合起動要求（＞1Ω?m）。為了排除52SS開關偷跳的可能性，將52SS開關更換成同型號的備用開關。

在靜態(tài)變頻起動開始后、燃氣機組發(fā)電機轉速至80r/min時，負荷柜內發(fā)生了爆炸，伴有火星及濃煙噴出，52SS開關跳閘，靜態(tài)變頻起動失敗。

圖3 LSGI靜態(tài)變頻起動門極觸發(fā)板功能模塊圖

3.1 就地硬件檢查

就地檢查LS2100e系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)控制柜和源柜無異常。當打開負載柜時，發(fā)現(xiàn)逆變回路A相內的4T3、4T2兩塊晶閘管單元已經(jīng)發(fā)黑。其中，晶閘管單元（4T3）內FHVA板上兩個二極管被擊穿且已碳化，冷卻板上一塊電阻（UXP/600 10KJ）完全燒毀。逆變回路中受損晶閘管單元的位置示意圖如圖4所示。

3.2 SOE信息檢查

從MarkVIe系統(tǒng)的SOE信息中，可以推斷出事故發(fā)生時燃氣機組的起動狀態(tài)，這樣有利于對事故原因的分析。發(fā)生晶閘管單元燒毀時的順控信息見表1。

16:39:30 MarkVIe系統(tǒng)已做好起動準備。5s后，所有報警信息已復歸完畢。MarkVIe系統(tǒng)發(fā)出起動指令，合52ET（10kV起動勵磁變開關），合41AC-2（起勵交流電源開關），合41E-DC（滅磁開關），使勵磁裝置完成起勵回路的送電。16:46:10 MarkVIe繼續(xù)發(fā)起動指令給LS2100e靜態(tài)變頻起動系統(tǒng)，合52SS（10kV起動隔離變開關），合89MD（LCI中壓柜刀閘），合89SS（LCI裝置的隔離開關），使LCI裝置起動回路完成送電。

16:46:39 52SS閉合反饋信號消失（LOSS OF 52SS FEEDBACK），LCI起動失敗。同時，MarkVIe系統(tǒng)再次發(fā)出起動指令給LS2100e靜態(tài)變頻起動系統(tǒng)，52SS閉合反饋信號恢復。燃氣機組發(fā)電機轉速開始升速。16:47:01 52SS閉合反饋再次信號消失，負荷柜內發(fā)生了爆炸。

3.3 晶閘管單元的檢查

晶閘管單元采用空心鋼殼冷卻板，冷卻板內流動著冷卻水，板上分別布置了4個10Ω緩沖電阻（型號：UXP/600 10RK）和1個10kΩ均壓電阻（型號：UXP/600 10KJ），電阻容量均為600W。晶閘管單元內的可控硅也被固定在空心鋼殼冷卻板上，F(xiàn)HVA板（高壓選通接口板）被固定在冷卻板的上沿。晶閘管單元接線圖如圖5所示。

圖4 逆變回路中受損晶閘管位置示意圖

表1 發(fā)生晶閘管單元燒毀時的順控信息

圖5 晶閘管單元接線圖

在對4T2、4T3晶閘管單元進行檢查的過程中，發(fā)現(xiàn)兩處的均壓電阻均發(fā)生燒毀的現(xiàn)象。根據(jù)燒毀現(xiàn)象可以分析出，在逆變回路中，晶閘管的開通和關斷頻率十分頻繁。當可控硅關斷時，因回路中電感L的存在，電流IL不能發(fā)生突變，因而形成分流電流Ics流入RC緩沖回路，將能量儲能到了電容CS中。

同時，在晶閘管兩端產(chǎn)生很高的尖峰電壓UKA，RC緩沖回路的作用就是維持動態(tài)均壓。均壓電阻RE的作用是平衡晶閘管兩端的反向電壓降，維持靜態(tài)均壓。晶閘管單元原理如圖6所示。

圖6 晶閘管單元原理圖

從現(xiàn)場情況來看，均壓電阻被燒毀，說明可控硅在關斷過程中，所儲存的能量不能及時消耗掉，是導致事故發(fā)生的主要原因。

4 事故原因分析

4.1 緩沖回路配置存在問題

RC緩沖回路對抑制晶閘管單元的關斷浪涌電壓存在良好的效果。晶閘管關斷時，能量儲存在緩沖電容CS內；開通時，存儲的能量在緩沖電容CS中釋放。如果緩沖電容CS和緩沖電阻RS的值選擇不當，就會造成緩沖電阻或是均壓電阻燒毀。

晶閘管開通時會產(chǎn)生過電壓，對緩沖電阻RS影響最大。在滿足吸收儲存能量效果的前提下，應當充分考慮電阻的消耗功率，電阻不能選得過大，因此電阻大概定在20～30Ω之間。而在LS2100e系統(tǒng)中緩沖電阻被設計為40Ω。

事故中被燒毀的電阻為均壓電阻，根據(jù)國內南瑞繼保公司的同容量靜態(tài)變頻起動裝置，晶閘管單元配置的均壓電阻為32kΩ、1000W。而LS2100e系統(tǒng)的均壓電阻設計為10kΩ、600W，阻值選型可能稍小，需要重視。

4.2 冷卻能力下降

經(jīng)過多次試驗，在冷卻水水質合格的前提下，LS2100e系統(tǒng)絕緣值與冷卻水電阻率成正比關系，與閉式水溫度呈反比關系。在多次起動過程中，冷卻水的溫度在不斷上升，電阻率在不斷下降。雖然冷卻水電阻率沒有低于下限值，但冷卻的效果下降明顯。

從圖4中可以看出，此次燒毀的緩沖電阻，位于逆變橋路中晶閘管集中的區(qū)域。冷卻效果的降低，對緩沖電阻的散熱存在一定的影響，也是事故發(fā)生的主要因素。

4.3 功率橋過電流保護被忽視

LSGI靜態(tài)變頻起動門極觸發(fā)板為功率柜提供了一個過電流保護，但保護動作信息卻沒有出現(xiàn)在MarkVIe系統(tǒng)告警窗中。維護人員在事故前不清楚該功能，以至于在多次發(fā)生52SS開關跳閘后，仍沒有檢查功率柜相關元器件是否出現(xiàn)故障。這樣的設計缺陷，是導致此次事故不斷加劇的次要因素。

5 靜態(tài)變頻起動裝置的維護觀點

5.1 熟悉相關板件功能，提升故障判斷能力

在本次事故中，其中一個原因是LSGI板的反應功率柜過電流保護功能不清楚，從而使得檢修人員被其他告警信息所誤導，導致在原因未能查明的基礎上多次起動機組，最終造成晶閘管單元燒毀。因此，熟悉LS2100e系統(tǒng)相關板件功能，是真正做到有效維護的基礎。

5.2 加強有效巡視，重點檢查冷卻水參數(shù)

目前燃氣機組電廠在國內一般作為調峰機組使用。日開夜停非常頻繁，因此增加了LCI裝置變頻起動的次數(shù)，做好變頻器的巡視工作對燃氣機組電廠非常重要。變頻起動器在每次完成機組起動后，應由運行人員對功率柜內進行詳細檢查，用測溫槍對每個可控硅單元及水冷卻管道進行測量與記錄，確保設備健康程度。

同時，重點加強對冷卻水電阻率數(shù)值的監(jiān)視，定期更換冷卻水、活性炭濾芯和去離子設備，使電阻率保持在4Ω?m左右。保證在燃機機組兩次起動間，有足夠的時間間隔恢復冷卻水系統(tǒng)的相關參數(shù)。

5.3 加強定期維護工作

定期維護工作主要包括清掃、絕緣檢查、可控硅的短路檢查、可控硅觸發(fā)試驗等：

• ①清掃工作，要求在LS2100e設備處于斷電隔離狀態(tài)下進行，對交直流電抗器、控制柜、功率柜等設備應用毛刷和吸塵器進行清潔；
• ②因LS2100e設備采用水冷卻系統(tǒng)，做好絕緣檢查是極其重要的；
• ③需要使用2500V檔位的絕緣表對一次電氣設備進行絕緣測試（控制回路必須有效隔離）；
• ④使用萬用表測量可控硅陽極和陰極之間的電阻，直流電阻應大于500kΩ；
• ⑤借助GE公司的Toolbox軟件觸發(fā)各橋路的可控硅，并使用專用示波器對可控硅的觸發(fā)極進行電流和電壓波形的測試。

6 結論

此次LS2100e系統(tǒng)負荷柜晶閘管單元燒毀，為靜態(tài)起動裝置的維護提出了較高的要求：

• ①要了解燃氣機組順控起動的步驟，掌握燃機靜態(tài)起動中LS2100e系統(tǒng)順控系統(tǒng)流程，為故障的處理指明方向；
• ②要克服語言障礙，真正了解LS2100e靜態(tài)變頻起動系統(tǒng)的原理、硬件及軟件；
• ③根據(jù)此次事故中已總結出的相關經(jīng)驗，認真做好今后的檢修維護工作。