同步調相機靜止變頻器（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，采用先進的大型機組起動控制技術、光電觸發技術、大容量功率單元設計等，將大容量調相機由靜止狀態拖動至同步或稍高于同步轉速的靜止變頻起動系統。

本文通過錫盟調相機SFC系統出現的故障情況，結合故障錄波波形并加以分析，定位實際系統的故障點。通過拆裝定位的晶閘管控制單元（thyristor control unit, TCU）觸發裝置，對比故障分析結果，驗證晶閘管觸發回路的故障分析。

同時，為了有效保護機組及SFC系統，本文還提出了一種快速響應的變頻差動保護方法，并在實際工程中加以應用。常規的差動保護都是基于工頻相量構成的，而SFC系統的網橋、機橋側電流的頻率是在0～50Hz變化的，常規保護配置難以實現。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結構

1.1 調相機SFC結構

調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、控制系統組成。控制系統控制整流橋將工頻電源整流成直流電，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，逆變橋再依據機組頻率，將直流電轉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速。

調相機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、控制保護系統等。其原理如圖1所示。

圖1中，IN1和IN2分別為網橋12脈波0°橋和30°橋側的三相電流，IM為機橋側的三相電流。10kV工頻電壓經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。網側0°橋6脈波整流成脈動直流為Idc0，網側30°橋6脈波整流成脈動直流為Idc30，機側6脈波整流成脈動直流為IdcM。

直流側電流經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子上形成勵磁磁場，定子磁場與轉子磁場相互作用，產生加速力矩，帶動機組正向旋轉。SFC系統拓撲結構如圖2所示。

SFC根據轉子位置決定逆變橋中需要導通的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，器件導通的順序為VTM1/VTM2—VTM2/VTM3—VTM3/VTM4—VTM4/VTM5—VTM5/VTM6—VTM6/VTM1。

圖1 調相機SFC系統原理圖

圖2 SFC系統拓撲結構

1.2 SFC觸發控制結構

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

圖3 觸發控制示意圖

SFC主控裝置與VCU之間采用光通信方式實現觸發脈沖的控制和反饋以及高壓閥組狀態的監視。此外，還可實現對閥控系統的配置管理。

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

從調相機SFC系統結構中可以發現：

①采用光電觸發方式，觸發系統抗干擾能力強，可有效提高起動系統的安全穩定性；

②VCU脈沖板可同時觸發多個串聯器件，單臺即可實現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，同時TCU還可實時監測晶閘管模組的狀態。TCU這種光電觸發方式和高電位自取能方式與高壓直流輸電技術和設備類似，具有成熟的應用經驗，安全可靠。需要強調的是，TCU在超低頻和低電壓等級下也可實現自取能，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系統結構的特殊性，在施工過程中，若施工人員安裝不慎，則會出現光纖折斷以及TCU的接地點斷裂等情況，導致晶閘管誤觸發等工況。

本文針對在錫盟調相機SFC系統現場運行調試過程中因施工不當導致晶閘管TCU不可靠接地引發誤觸發的問題，通過分析故障波形，找到被誤觸發晶閘管的位置并快速處理，對SFC系統的工程推廣應用具有非常重要的意義。

2 機橋晶閘管誤觸發導致短路的故障分析

調相機SFC系統對晶閘管控制的可靠性要求很高，如果晶閘管驅動回路出現光纖光強不夠、驅動電路受干擾等問題，就會嚴重影響SFC系統的安全可靠運行。

本文通過在錫盟調相機現場SFC系統出現故障的實際工況，分析此次故障出現的原因，通過實測故障波形分析定位誤觸發晶閘管的位置。

圖4—圖6都是在同一時序下產生故障的波形，大概在90ms時刻出現機網橋差動動作，SFC系統報故障停機。圖4所示是網側0°、30°橋以及機橋等效電流波形，在90ms時，0°和30°網橋電流突然異常增大，而機橋電流消失，從而產生機網橋差動動作故障。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，機橋短路導致輸出回路由電機阻抗負載回路變為短路回路，從而引發網側電流快速拉升。

圖4 機網橋等效電流波形

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圖5 機橋電流波形

圖6 機橋脈沖觸發序號波形

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

而SFC系統下一組觸發晶閘管是VTM2和VTM3，這個也從晶閘管觸發序號波形中得到驗證。在90ms時，VTM3晶閘管正常觸發，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，從拓撲結構可分析出，當VTM2、VTM3晶閘管導通時，可能因機橋B相、C相短路導致。

根據C相VTM2晶閘管在發生故障之前正常導通一個波頭，而VTM3晶閘管剛剛導通就產生機橋短路故障，能確定就是VTM6晶閘管誤觸發導致機橋短路。

綜上分析，定位的VTM6晶閘管TCU有問題，與實際在現場拆卸VTM6晶閘管的TCU接地導柱折斷，接地電位處于懸浮狀態，從而導致晶閘管誤觸發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系，確保了機組的安全穩定，也驗證了自研SFC在變頻保護中的技術能力。

3 快速響應的變頻差動保護方法

3.1 變頻差動保護原理

根據靜止變頻器的基本原理，每個橋臂對應一相繞組，每一瞬時有兩個晶閘管導通，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通。如圖7所示，在瞬時兩相導通的情況下，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。

可以發現，盡管網橋、機橋兩側電流頻率不同，但兩側流過的瞬時電流是一致的。本文提出，直接利用機、網兩側電流的瞬時一致性構成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通與關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通時間為120°，關斷時間為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電流。

如圖1所示，網橋側、機橋側通過電流傳感器分別采集相應的三相電流值，通過數字模塊計算出網橋、機橋的等效直流電流，利用等效直流側電流瞬時值構成差動保護。通過程序設置好差動保護的門檻值，如果有機橋側發生短路故障，電流就會瞬時跌落，機網側差動保護會立即動作，快速切除故障，保護變頻和機組系統。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果

從此次發生的機橋晶閘管誤觸發導致短路的故障分析可以看出，圖4（a）中0°網橋等效直流Idc0與圖4（b）中30°網橋等效直流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，通過換算的機網橋等效直流構成差動對比，有效降低了過流對功率器件以及機組、變壓器等設備的損害。

圖6中，SFC系統檢測到電流差動動作，機橋脈沖觸發在5ms時間內迅速封閉脈沖，勵磁系統給定值變為0，同時發“故障跳勵磁”指令。大概在12ms左右，0°和30°網橋電流降為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動作，為調相機SFC起動系統的投運提供了可靠的技術支撐。

在SFC起動初期，機橋側輸出頻率很低且電流很小，常規的工頻電流差動保護不起作用。如果SFC系統在低頻運行工況下發生故障，那么靠常規工頻差動保護方法解決不了SFC由于機網側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系統提出了一種快速響應的變頻差動保護方法，通過CT采樣得到的網橋電流波形和機橋電流波形進行處理得到合成的機網橋電流波形，實現在0～50Hz寬頻范圍內機網橋電流差動動作保護。

4 結論

本文通過調相機SFC系統的運行設計，詳細介紹了SFC起動系統的拓撲結構和觸發控制回路，分析了機橋晶閘管誤觸發導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。通過調相機SFC動模系統模擬了晶閘管誤觸發產生的故障波形，分析了故障錄波波形的工況，確認了故障晶閘管觸發回路的位置。同時，驗證了變頻差動保護技術的快速響應功能，為SFC系統的變頻保護技術奠定了基礎。