河源電廠6kV開關采用ABB公司生產的UniGear ZS1開關柜共157臺,其中F-C柜74臺;其中#1機組有工作段和公用段2個配電站。工作段有F-C柜22臺,公用段有30臺,在08年7月30日部分開關柜陸續投運,先后共發現19臺VSC電源控制模塊故障:在工作位置拒分合,在試驗位置拒分合,同時顯示直流屏負極接地報警。我們通過細致的檢查檢測,發現電源輸入端負極壓敏電阻爆裂、損壞。
1 故障模塊檢查
我廠燒毀的VSC電源控制模塊均為電源輸入端負極的共模干擾抑止壓敏電阻爆裂、短路。此為EPCOS生產的S10K150型壓敏電阻,其參數VRMS為150V,VDC為200V,最大電流Imax(8/20us)為2500A,最大能量Wmax(2ms)為24J。
進一步對電路板上所有元件進行檢查發現,除了壓敏電阻以外,大部分電路板的電源輸入端共模干擾抑止電感線圈負極已經開路(線圈燒斷),僅剩一塊電路板上的電感線圈還完好。將燒毀的壓敏電阻去除并短接燒斷的線圈后,VSC即可正常分合閘。
發生故障的兩個元件都位于VSC控制模塊的電源輸入端口,這兩個元件與其它臨近元件構成了VSC控制模塊的入口EMC回路。通過查找圖紙,共模抑止電感線圈為L1A,負極共模抑止壓敏電阻為ZN5A。共模線圈型號為B82721-K2401-N21,額定電流0.4A.
2 現場檢查
針對故障發生的情況,我們對控制電源板進行了深入細致的檢查,發現故障現象全部表現為壓敏電阻相關元件燒毀,所以現場調查集中在過電壓可能產生的原因方面。
2.1 VSC上電(合小母線空開)的瞬態過程
針對VSC的二次進線空開進行合閘(上電)操作,使用錄波儀對二次電壓監視測量,未發現有任何過電壓產生。通過小母線負極對地電壓(-55V)的錄波圖,可以觀察到一個小的電壓尖峰,代表電壓在空開投入瞬間有一個電壓的瞬時跌落,此為VSC的瞬時充電電流造成。
2.2 VSC分合閘線圈操作對二次電壓的影響
在現場對VSC空載及帶負載(6kV電動機)進行分合閘操作,使用錄波儀對二次電壓監視測量,未發現有任何過電壓產生。
2.3 直流蓄電池的檢查
在現場對兩組直流蓄電池分別進行投切、并列和轉換操作,使用錄波儀對二次電壓監視測量,未發現有因為浮充帶來的任何過電壓現象發生。對兩段110V直流蓄電池組進行并列及切換操作,使用錄波儀對二次電壓監視測量,未發現有任何過電壓產生。
2.4 小結
從以上對系統和VSC本身的現場實測結果可以判定,我廠的二次設計系統設計安裝及VSC的操作均正常,沒有發現任何產生可導致壓敏電阻擊穿的過電壓的發生源。VSC的壓敏電阻選用的是EPCOS的進口元件,從質量水平來說EPCOS元件是電子業內公認的世界頂級產品,設計耐壓值為220V的產品在55V電壓下發生大量擊穿的可能性微乎其微。并且在統一控制電路板上對稱分不了完全相同的同型號壓敏電阻,沒有發生任何擊穿的現象,因此我們可以排除元件質量的因素。
3 原因分析
要將壓敏電阻擊穿只需高于閥值的電壓即可。但壓敏電阻在過電壓消失后將自動恢復到正常水平,要將壓敏電阻擊穿并發生爆炸,則不光需要很高的電壓,同時必須具有很大的能量,也就是說需要數十安培以上的大電流,并持續一定的時間。同時此段度電流要將前方的電感線圈燒斷形成開路。從S10K150的參數可知,如果要用一個20us的標準脈沖將其擊穿到失效,電流需要大于2500A,如果要發生爆炸效果,其電流還得增大至1.5～2.0倍以上。從現場元件的燒毀程度我們可以判定,在ZN5位置的壓敏電阻有一個很大的接地電流流過。
從電流的通路和方向上來說,要燒毀ZN5位置壓敏電阻并燒斷L1位置的共模線圈,其電流流徑的入口必定為從負極到正極,經過L1到達ZN5的壓敏電阻,從接地流出,不存在其他路徑的可能性。
按照設計,110 V直流系統經過一對100k的電阻虛接地,正負極對稱+55V/-55V電壓。此形式的直流系統中如果發生單側接地,接地電阻即為100k,接地電流僅為0.55mA,只有非常小的接地電流產生。只有當正極與負極發生直接短接時,才具有真正的短路電流,但這種工況不可能發生。因此,目前我們使用的110V直流系統不可能提供高達數十安的接地電流的能力。
要提供短路接地電流,只有直接接地的電源系統才有可能。在我廠的二次電源系統中,只有220V交流電源系統采用了直接接地。由于VSC電源柜中220V交流與110V直流系統并存,因此存在將220V交流電源(火線)誤碰到到110V直流母線的可能。針對這種情況,我廠電氣工程師與ABB專家進行了現場模擬,將柜內的交流系統火線引入VSC的負極,觀察到ZN5壓敏電阻瞬時發生了燒毀爆炸,同時電感線圈燒斷,爆炸的現象和破壞程度與前期狀況完全吻合。
所有的直接資料表明,各種模式的操作過電壓在我廠的二次系統中都不存在,二次系統的設計是完善的;VSC控制電源板的元件不存在任何質量問題,在經大電阻接地的直流系統中,不可能由于無緣負載而產生超過系統設計的接地電流。從技術上分析,220V交流電源的串入是唯一的可能。
4 防范措施
在我廠電氣工程師與ABB專家討論后,針對現場情況采取了以下措施。
(1)在110V母線增加臨時分立的壓敏電阻模塊,以保護VSC接觸器的電源板。
(2)ABB公司售后服務人員徹底檢查曾經連接到小母線上的電源板,對任何不能排除曾承受過過電壓可能性的控制電源板直接更換。
5 結語
我廠6Kv廠用電系統中采用了數量較多的ABB F-C接觸器型開關,其技術先進,性能穩定,服務到位。但運營過程中的工況萬千,本文針對其開關內部的電源板燒毀做了一些經驗性的技術總結,以供借鑒。
摘要：6kV F-C接觸器型開關在電廠廠用電中應用廣泛,在河源電廠調試過程中出現了多臺開關不能分合閘狀況,經檢查發現為VSC電源模塊燒毀,本文即針對上述情況的處理作出一些經驗性的總結。
關鍵詞：VSC,壓敏電阻,燒毀,淺析
參考文獻
[1] 廈門ABB開關有限公司VSC真空接觸器使用說明書[J].