華能天津煤氣化發電有限公司的研究人員王正元，在2019年《電氣技術》增刊1中撰文，以一起燃氣機組起動中LCI裝置晶閘管單元燒毀為案例，介紹9FB燃氣機組靜態變頻起動的流程，並剖析了GE LS2100e系統的特點。從LS2100e系統的設計、維護、缺陷等方面，分析了燃氣機組起動中LCI裝置晶閘管單元燒毀事故發生的主要原因，並提出對LS2100e系統日後運行和維護的建議。
2018年5月5日，某電廠GE 9FB燃氣機組連續5次起動失敗，直至LCI裝置負荷櫃內晶閘管單元燒毀。起動中，MarkVIe系統告警窗中屢次顯示，「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開關櫃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系統的特點，找出故障發生的原因。
1 燃氣機組整體起動的介紹
燃氣機組的起動流程是在MarkVIe系統的控制下進行，從而完成發電機由「靜態發電機—同步電機—同步發電機」的狀態轉變。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，產生電磁轉矩，使靜態發電機轉變為同步電機運行，並拖動同軸的燃機透平開始升速。至一定速度後，LCI、勵磁裝置退出，通過開關位置的變化，使同步電機轉變為同步發電機。
燃氣機組發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發出起動指令，勵磁系統轉為靜態變頻起動模式，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中壓櫃刀閘），分89ND（中性點刀閘），分41AC-1（自並勵交流電源開關），合89SS（LCI裝置的隔離開關）。在反饋信號被MarkVIe系統確認後，靜態發電機轉變為同步電機狀態，起動成功。
MarkVIe發出轉速指令至LCI裝置，發電機（此時為同步電機狀態）在盤車轉速下起動，升速至705r/min。
1.2 清吹及點火階段
至705r/min後，進行16.6min的清吹階段。清吹結束後，LCI、勵磁系統退出，待轉速降至420r/min，燃機點火。LCI、勵磁系統重新投入運行。
1.3 升速階段
燃機轉速升至2730r/min後，LCI、勵磁系統退出。根據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）。在開關反饋確認後，LCI退出，勵磁系統切換至自動模式，同步電機狀態轉成同步發電機狀態。
1.4 起勵建壓階段
燃機轉速升至2940r/min時，勵磁系統重新起動運行，合41E-DC（滅磁開關），執行起勵建壓程序。
2 LS2100e系統特點介紹
LS2100e系統是由美國GE公司為9FB燃氣機組配置的最新靜態起動裝置。功率櫃採用水冷系統。控制系統信息化程度高是LS2100e系統的最大特點。
2.1 冷卻系統配置
LS2100e系統採用水冷卻系統，主要用於功率櫃內晶閘管單元的冷卻。熱交換器外部與閉式水系統相連，通過三通閥門對冷卻水系統進行調節。一般情況下，三通閥門只被設置為內部循環，由水泵驅動除鹽水經去離子罐、活性炭罐，為濾波器和整流器進行冷卻，如圖2所示。
2.2 控制系統板件配置
LSGI靜態變頻起動門極觸發板是整個控制系統的核心板件，其功能模塊如圖3所示。採用乙太網的方式，與UCSB控制單元進行數據交換，實現對功率橋路的控制。通過FCSA板（電流反饋板）、NATOG3板（電壓反饋板），將功率橋的電流、電壓信號送入控制櫃內的LSGI板；通過晶閘管單元上的FHVA板（高壓選通接線板）與FGPA板（門極脈衝放大板），將各晶閘管的觸發命令及晶閘管接受觸發後的狀態等相關數據，送入控制櫃內的LSGI板進行處理。
LSGI板採集冷卻水系統中溫度和電阻率作為正常起動的判據。同時，對LSGI板配置了一個功率櫃過電流保護，它從FGPA板獲得反饋的晶閘管單元狀態，判定功率櫃內是否存在過電流。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（＞1Ωm）。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。
在靜態變頻起動開始後、燃氣機組發電機轉速至80r/min時，負荷櫃內發生了爆炸，伴有火星及濃煙噴出，52SS開關跳閘，靜態變頻起動失敗。
3.1 就地硬體檢查
就地檢查LS2100e系統，發現控制櫃和源櫃無異常。當打開負載櫃時，發現逆變迴路A相內的4T3、4T2兩塊晶閘管單元已經發黑。其中，晶閘管單元（4T3）內FHVA板上兩個二極體被擊穿且已碳化，冷卻板上一塊電阻（UXP/600 10KJ）完全燒毀。逆變迴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系統的SOE信息中，可以推斷出事故發生時燃氣機組的起動狀態，這樣有利於對事故原因的分析。發生晶閘管單元燒毀時的順控信息見表1。
16:39:30 MarkVIe系統已做好起動準備。5s後，所有報警信息已復歸完畢。MarkVIe系統發出起動指令，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迴路的送電。16:46:10 MarkVIe繼續發起動指令給LS2100e靜態變頻起動系統，合52SS（10kV起動隔離變開關），合89MD（LCI中壓櫃刀閘），合89SS（LCI裝置的隔離開關），使LCI裝置起動迴路完成送電。
16:46:39 52SS閉合反饋信號消失（LOSS OF 52SS FEEDBACK），LCI起動失敗。同時，MarkVIe系統再次發出起動指令給LS2100e靜態變頻起動系統，52SS閉合反饋信號恢復。燃氣機組發電機轉速開始升速。16:47:01 52SS閉合反饋再次信號消失，負荷櫃內發生了爆炸。
3.3 晶閘管單元的檢查
晶閘管單元採用空心鋼殼冷卻板，冷卻板內流動著冷卻水，板上分別布置了4個10Ω緩衝電阻（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矽也被固定在空心鋼殼冷卻板上，FHVA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。
在對4T2、4T3晶閘管單元進行檢查的過程中，發現兩處的均壓電阻均發生燒毀的現象。根據燒毀現象可以分析出，在逆變迴路中，晶閘管的開通和關斷頻率十分頻繁。當可控矽關斷時，因迴路中電感L的存在，電流IL不能發生突變，因而形成分流電流Ics流入RC緩衝迴路，將能量儲能到了電容CS中。
同時，在晶閘管兩端產生很高的尖峰電壓UKA，RC緩衝迴路的作用就是維持動態均壓。均壓電阻RE的作用是平衡晶閘管兩端的反向電壓降，維持靜態均壓。晶閘管單元原理如圖6所示。
從現場情況來看，均壓電阻被燒毀，說明可控矽在關斷過程中，所儲存的能量不能及時消耗掉，是導致事故發生的主要原因。
4 事故原因分析
4.1 緩衝迴路配置存在問題
RC緩衝迴路對抑制晶閘管單元的關斷浪湧電壓存在良好的效果。晶閘管關斷時，能量儲存在緩衝電容CS內；開通時，存儲的能量在緩衝電容CS中釋放。如果緩衝電容CS和緩衝電阻RS的值選擇不當，就會造成緩衝電阻或是均壓電阻燒毀。
晶閘管開通時會產生過電壓，對緩衝電阻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系統中緩衝電阻被設計為40Ω。
事故中被燒毀的電阻為均壓電阻，根據國內南瑞繼保公司的同容量靜態變頻起動裝置，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
經過多次試驗，在冷卻水水質合格的前提下，LS2100e系統絕緣值與冷卻水電阻率成正比關係，與閉式水溫度呈反比關係。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於下限值，但冷卻的效果下降明顯。
從圖4中可以看出，此次燒毀的緩衝電阻，位於逆變橋路中晶閘管集中的區域。冷卻效果的降低，對緩衝電阻的散熱存在一定的影響，也是事故發生的主要因素。
4.3 功率橋過電流保護被忽視
LSGI靜態變頻起動門極觸發板為功率櫃提供了一個過電流保護，但保護動作信息卻沒有出現在MarkVIe系統告警窗中。維護人員在事故前不清楚該功能，以至於在多次發生52SS開關跳閘後，仍沒有檢查功率櫃相關元器件是否出現故障。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板的反應功率櫃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
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，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後，應由運行人員對功率櫃內進行詳細檢查，用測溫槍對每個可控矽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值的監視，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4Ωm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的相關參數。
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、可控矽的短路檢查、可控矽觸發試驗等：
①清掃工作，要求在LS2100e設備處於斷電隔離狀態下進行，對交直流電抗器、控制櫃、功率櫃等設備應用毛刷和吸塵器進行清潔；②因LS2100e設備採用水冷卻系統，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（控制迴路必須有效隔離）；④使用萬用表測量可控矽陽極和陰極之間的電阻，直流電阻應大於500kΩ；⑤藉助GE公司的Toolbox軟體觸發各橋路的可控矽，並使用專用示波器對可控矽的觸發極進行電流和電壓波形的測試。6 結論
此次LS2100e系統負荷櫃晶閘管單元燒毀，為靜態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，掌握燃機靜態起動中LS2100e系統順控系統流程，為故障的處理指明方向；②要克服語言障礙，真正了解LS2100e靜態變頻起動系統的原理、硬體及軟體；③根據此次事故中已總結出的相關經驗，認真做好今後的檢修維護工作。