同步調(diào)相機靜止變頻器（static frequency con- verter, SFC）是大功率、高可靠性的電流源型靜止變頻起動系統(tǒng)，采用先進的大型機組起動控制技術(shù)、光電觸發(fā)技術(shù)、大容量功率單元設(shè)計等，將大容量調(diào)相機由靜止狀態(tài)拖動至同步或稍高于同步轉(zhuǎn)速的靜止變頻起動系統(tǒng)。

本文通過錫盟調(diào)相機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，定位實際系統(tǒng)的故障點。通過拆裝定位的晶閘管控制單元（thyristor control unit, TCU）觸發(fā)裝置，對比故障分析結(jié)果，驗證晶閘管觸發(fā)回路的故障分析。

同時，為了有效保護機組及SFC系統(tǒng)，本文還提出了一種快速響應(yīng)的變頻差動保護方法，并在實際工程中加以應(yīng)用。常規(guī)的差動保護都是基于工頻相量構(gòu)成的，而SFC系統(tǒng)的網(wǎng)橋、機橋側(cè)電流的頻率是在0～50Hz變化的，常規(guī)保護配置難以實現(xiàn)。通過故障分析波形，驗證了變頻差動保護能在毫秒級控制算法下快速 動作。

1 SFC結(jié)構(gòu)

1.1 調(diào)相機SFC結(jié)構(gòu)

調(diào)相機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。控制系統(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)機組頻率，將直流電轉(zhuǎn)換成與機組頻率完全一致的交流電，從而拖動機組不斷加速至額定轉(zhuǎn)速。

調(diào)相機SFC包括進線斷路器、起動變、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12脈波整流裝置整流成脈動直流。網(wǎng)側(cè)0°橋6脈波整流成脈動直流為Idc0，網(wǎng)側(cè)30°橋6脈波整流成脈動直流為Idc30，機側(cè)6脈波整流成脈動直流為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。同時，勵磁裝置輸出勵磁電流施加在轉(zhuǎn)子上形成勵磁磁場，定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用，產(chǎn)生加速力矩，帶動機組正向旋轉(zhuǎn)。SFC系統(tǒng)拓撲結(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)通的順序為VTM1/VTM2—VTM2/VTM3—VTM3/VTM4—VTM4/VTM5—VTM5/VTM6—VTM6/VTM1。

圖1 調(diào)相機SFC系統(tǒng)原理圖

圖2 SFC系統(tǒng)拓撲結(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，還可實現(xiàn)對閥控系統(tǒng)的配置管理。

VCU將來自SFC主控裝置的光觸發(fā)信號（6脈動或者12脈動）經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成單臂多管觸發(fā)信號（適用于晶閘管串聯(lián)場合）下發(fā)給TCU裝置，TCU裝置將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號去觸發(fā)晶閘管，完成閥組的觸發(fā)功能。

從調(diào)相機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，可有效提高起動系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性；

②VCU脈沖板可同時觸發(fā)多個串聯(lián)器件，單臺即可實現(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下晶閘管的觸發(fā)，同時TCU還可實時監(jiān)測晶閘管模組的狀態(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，安全可靠。需要強調(diào)的是，TCU在超低頻和低電壓等級下也可實現(xiàn)自取能，充分滿足機組剛開始起動時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，在施工過程中，若施工人員安裝不慎，則會出現(xiàn)光纖折斷以及TCU的接地點斷裂等情況，導(dǎo)致晶閘管誤觸發(fā)等工況。

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

2 機橋晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)致短路的故障分析

調(diào)相機SFC系統(tǒng)對晶閘管控制的可靠性要求很高，如果晶閘管驅(qū)動回路出現(xiàn)光纖光強不夠、驅(qū)動電路受干擾等問題，就會嚴重影響SFC系統(tǒng)的安全可靠運行。

本文通過在錫盟調(diào)相機現(xiàn)場SFC系統(tǒng)出現(xiàn)故障的實際工況，分析此次故障出現(xiàn)的原因，通過實測故障波形分析定位誤觸發(fā)晶閘管的位置。

圖4—圖6都是在同一時序下產(chǎn)生故障的波形，大概在90ms時刻出現(xiàn)機網(wǎng)橋差動動作，SFC系統(tǒng)報故障停機。圖4所示是網(wǎng)側(cè)0°、30°橋以及機橋等效電流波形，在90ms時，0°和30°網(wǎng)橋電流突然異常增大，而機橋電流消失，從而產(chǎn)生機網(wǎng)橋差動動作故障。機橋突然消失，是因為電流不流過CT而直接在橋臂上短路；同時，機橋短路導(dǎo)致輸出回路由電機阻抗負載回路變?yōu)槎搪坊芈罚瑥亩l(fā)網(wǎng)側(cè)電流快速拉升。

圖4 機網(wǎng)橋等效電流波形

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圖5 機橋電流波形

圖6 機橋脈沖觸發(fā)序號波形

圖6所示是機橋晶閘管脈沖觸發(fā)序號波形。在發(fā)生故障的前一時刻機側(cè)脈沖序號是3，換算成二進制0011，對應(yīng)的晶閘管是VTM1和VTM2；發(fā)生故障時刻機側(cè)脈沖序號是6，換算成二進制0110，對應(yīng)的晶閘管是VTM2和VTM3。圖5是機橋電流波形。從機橋電流波形中看出，在發(fā)生故障的前一時刻，VTM1和VTM2管導(dǎo)通，A相電流正常在正半波導(dǎo)通一個波頭，C相電流正常在負半波導(dǎo)通一個波頭。

而SFC系統(tǒng)下一組觸發(fā)晶閘管是VTM2和VTM3，這個也從晶閘管觸發(fā)序號波形中得到驗證。在90ms時，VTM3晶閘管正常觸發(fā)，從機橋B相電流可以看出，電流微微上升。隨后，電流突然消失，從拓撲結(jié)構(gòu)可分析出，當VTM2、VTM3晶閘管導(dǎo)通時，可能因機橋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)通一個波頭，而VTM3晶閘管剛剛導(dǎo)通就產(chǎn)生機橋短路故障，能確定就是VTM6晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)致機橋短路。

綜上分析，定位的VTM6晶閘管TCU有問題，與實際在現(xiàn)場拆卸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)動作的故障定位一致。

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

3 快速響應(yīng)的變頻差動保護方法

3.1 變頻差動保護原理

根據(jù)靜止變頻器的基本原理，每個橋臂對應(yīng)一相繞組，每一瞬時有兩個晶閘管導(dǎo)通，也就是三相繞組中只有兩組繞組流過電流，以保證回路電流的導(dǎo)通。如圖7所示，在瞬時兩相導(dǎo)通的情況下，流過電機、變壓器、平波電抗器、晶閘管的瞬時電流id是一樣的。

可以發(fā)現(xiàn)，盡管網(wǎng)橋、機橋兩側(cè)電流頻率不同，但兩側(cè)流過的瞬時電流是一致的。本文提出，直接利用機、網(wǎng)兩側(cè)電流的瞬時一致性構(gòu)成SFC本體差動保護，即瞬時變頻差動保護。

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)斷取決于電機的反電動勢，且電流源型逆變橋為120°通電型。橋臂中的每一個晶閘管導(dǎo)通時間為120°，關(guān)斷時間為240°。如圖8所示，機橋逆變器每隔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)、機橋側(cè)通過電流傳感器分別采集相應(yīng)的三相電流值，通過數(shù)字模塊計算出網(wǎng)橋、機橋的等效直流電流，利用等效直流側(cè)電流瞬時值構(gòu)成差動保護。通過程序設(shè)置好差動保護的門檻值，如果有機橋側(cè)發(fā)生短路故障，電流就會瞬時跌落，機網(wǎng)側(cè)差動保護會立即動作，快速切除故障，保護變頻和機組系統(tǒng)。下文中，通過實際故障工況驗證了變頻差動保護的功能。

圖8 機橋輸出電流波形

3.2 變頻差動保護工程驗證結(jié)果

從此次發(fā)生的機橋晶閘管誤觸發(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.，遠遠小于額定電流；并且機橋等效直流IdcM突然消失為零，通過換算的機網(wǎng)橋等效直流構(gòu)成差動對比，有效降低了過流對功率器件以及機組、變壓器等設(shè)備的損害。

圖6中，SFC系統(tǒng)檢測到電流差動動作，機橋脈沖觸發(fā)在5ms時間內(nèi)迅速封閉脈沖，勵磁系統(tǒng)給定值變?yōu)?，同時發(fā)“故障跳勵磁”指令。大概在12ms左右，0°和30°網(wǎng)橋電流降為0，故障消失。通過實際故障波形的分析，更加明確了變頻差動保護的快速響應(yīng)動作，為調(diào)相機SFC起動系統(tǒng)的投運提供了可靠的技術(shù)支撐。

在SFC起動初期，機橋側(cè)輸出頻率很低且電流很小，常規(guī)的工頻電流差動保護不起作用。如果SFC系統(tǒng)在低頻運行工況下發(fā)生故障，那么靠常規(guī)工頻差動保護方法解決不了SFC由于機網(wǎng)側(cè)電流頻率不同且此時的輸出電流很小，不足以達到過電流動作和電流差動動作門檻等問題。

本SFC系統(tǒng)提出了一種快速響應(yīng)的變頻差動保護方法，通過CT采樣得到的網(wǎng)橋電流波形和機橋電流波形進行處理得到合成的機網(wǎng)橋電流波形，實現(xiàn)在0～50Hz寬頻范圍內(nèi)機網(wǎng)橋電流差動動作保護。

4 結(jié)論

本文通過調(diào)相機SFC系統(tǒng)的運行設(shè)計，詳細介紹了SFC起動系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)和觸發(fā)控制回路，分析了機橋晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)致的機橋短路故障原因，通過變頻差動保護快速中斷故障電流。通過調(diào)相機SFC動模系統(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，確認了故障晶閘管觸發(fā)回路的位置。同時，驗證了變頻差動保護技術(shù)的快速響應(yīng)功能，為SFC系統(tǒng)的變頻保護技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。