2018年5月5日，某电厂GE 9FB燃气机组连续5次起动失败，直至LCI装置负荷柜内晶闸管单元烧毁。起动中，MarkVIe系统告警窗中屡次显示，“52SS SOURCE ISOLATOR BREAKER CLOSED Inactive”、“LOSS OF 52SS FEEDBACK Active”，即“52SS开关跳闸”、“52SS闭合反馈信号消失”等信息。

在几次起动中，冷却水电阻率不断下降，52SS开关柜所配置的保护均未动作。为了分析此次故障，本文将结合燃气机组整体起动流程，介绍LS2100e系统的特点，找出故障发生的原因。

1 燃气机组整体起动的介绍

燃气机组的起动流程是在MarkVIe系统的控制下进行，从而完成发电机由“静态发电机—同步电机—同步发电机”的状态转变。LCI装置向定子提供三相交流电源，励磁装置向转子提供直流电源。形成定子磁场与转子磁场的相互作用，产生电磁转矩，使静态发电机转变为同步电机运行，并拖动同轴的燃机透平开始升速。至一定速度后，LCI、励磁装置退出，通过开关位置的变化，使同步电机转变为同步发电机。

燃气机组发电机电气主接线图如图1所示。GE 9FB燃气机组整体起动过程可以分为以下4个阶段，即同步起动阶段、清吹及点火阶段、升速阶段和起励建压阶段。

1.1 同步起动阶段

MarkVIe发出起动指令，励磁系统转为静态变频起动模式，合52ET（10kV起动励磁变开关），合41AC-2（起励交流电源开关），合41E-DC（灭磁开关），合52SS（10kV起动隔离变开关），合89MD（LCI中压柜刀闸），分89ND（中性点刀闸），分41AC-1（自并励交流电源开关），合89SS（LCI装置的隔离开关）。在反馈信号被MarkVIe系统确认后，静态发电机转变为同步电机状态，起动成功。

MarkVIe发出转速指令至LCI装置，发电机（此时为同步电机状态）在盘车转速下起动，升速至705r/min。

图1 燃气机组发电机电气主接线图

1.2 清吹及点火阶段

至705r/min后，进行16.6min的清吹阶段。清吹结束后，LCI、励磁系统退出，待转速降至420r/min，燃机点火。LCI、励磁系统重新投入运行。

1.3 升速阶段

燃机转速升至2730r/min后，LCI、励磁系统退出。根据MarkVIe指令，分41E-DC（灭磁开关），分41AC-2（起励交流电源开关），合41AC-1（起励交流电源开关），分89SS（LCI装置的隔离开关），合89ND（中性点刀闸）。在开关反馈确认后，LCI退出，励磁系统切换至自动模式，同步电机状态转成同步发电机状态。

1.4 起励建压阶段

燃机转速升至2940r/min时，励磁系统重新起动运行，合41E-DC（灭磁开关），执行起励建压程序。

2 LS2100e系统特点介绍

LS2100e系统是由美国GE公司为9FB燃气机组配置的最新静态起动装置。功率柜采用水冷系统。控制系统信息化程度高是LS2100e系统的最大特点。

2.1 冷却系统配置

LS2100e系统采用水冷却系统，主要用于功率柜内晶闸管单元的冷却。热交换器外部与闭式水系统相连，通过三通阀门对冷却水系统进行调节。一般情况下，三通阀门只被设置为内部循环，由水泵驱动除盐水经去离子罐、活性炭罐，为滤波器和整流器进行冷却，如图2所示。

图2 LS2100e冷却系统图

2.2 控制系统板件配置

LSGI静态变频起动门极触发板是整个控制系统的核心板件，其功能模块如图3所示。采用以太网的方式，与UCSB控制单元进行数据交换，实现对功率桥路的控制。通过FCSA板（电流反馈板）、NATOG3板（电压反馈板），将功率桥的电流、电压信号送入控制柜内的LSGI板；通过晶闸管单元上的FHVA板（高压选通接线板）与FGPA板（门极脉冲放大板），将各晶闸管的触发命令及晶闸管接受触发后的状态等相关数据，送入控制柜内的LSGI板进行处理。

LSGI板采集冷却水系统中温度和电阻率作为正常起动的判据。同时，对LSGI板配置了一个功率柜过电流保护，它从FGPA板获得反馈的晶闸管单元状态，判定功率柜内是否存在过电流。它的起动条件是，52SS开关合闸反馈接点送入LSGI板。

3 故障排查

在燃气机组第5次起动前，对冷却水系统进行了停泵操作，更换了活性炭过滤罐。再次起动水泵，就地冷却水电阻率已符合起动要求（＞1Ω•m）。为了排除52SS开关偷跳的可能性，将52SS开关更换成同型号的备用开关。

在静态变频起动开始后、燃气机组发电机转速至80r/min时，负荷柜内发生了爆炸，伴有火星及浓烟喷出，52SS开关跳闸，静态变频起动失败。

图3 LSGI静态变频起动门极触发板功能模块图

3.1 就地硬件检查

就地检查LS2100e系统，发现控制柜和源柜无异常。当打开负载柜时，发现逆变回路A相内的4T3、4T2两块晶闸管单元已经发黑。其中，晶闸管单元（4T3）内FHVA板上两个二极管被击穿且已碳化，冷却板上一块电阻（UXP/600 10KJ）完全烧毁。逆变回路中受损晶闸管单元的位置示意图如图4所示。

3.2 SOE信息检查

从MarkVIe系统的SOE信息中，可以推断出事故发生时燃气机组的起动状态，这样有利于对事故原因的分析。发生晶闸管单元烧毁时的顺控信息见表1。

16:39:30 MarkVIe系统已做好起动准备。5s后，所有报警信息已复归完毕。MarkVIe系统发出起动指令，合52ET（10kV起动励磁变开关），合41AC-2（起励交流电源开关），合41E-DC（灭磁开关），使励磁装置完成起励回路的送电。16:46:10 MarkVIe继续发起动指令给LS2100e静态变频起动系统，合52SS（10kV起动隔离变开关），合89MD（LCI中压柜刀闸），合89SS（LCI装置的隔离开关），使LCI装置起动回路完成送电。

16:46:39 52SS闭合反馈信号消失（LOSS OF 52SS FEEDBACK），LCI起动失败。同时，MarkVIe系统再次发出起动指令给LS2100e静态变频起动系统，52SS闭合反馈信号恢复。燃气机组发电机转速开始升速。16:47:01 52SS闭合反馈再次信号消失，负荷柜内发生了爆炸。

3.3 晶闸管单元的检查

晶闸管单元采用空心钢壳冷却板，冷却板内流动着冷却水，板上分别布置了4个10Ω缓冲电阻（型号：UXP/600 10RK）和1个10kΩ均压电阻（型号：UXP/600 10KJ），电阻容量均为600W。晶闸管单元内的可控硅也被固定在空心钢壳冷却板上，FHVA板（高压选通接口板）被固定在冷却板的上沿。晶闸管单元接线图如图5所示。

图4 逆变回路中受损晶闸管位置示意图

表1 发生晶闸管单元烧毁时的顺控信息

图5 晶闸管单元接线图

在对4T2、4T3晶闸管单元进行检查的过程中，发现两处的均压电阻均发生烧毁的现象。根据烧毁现象可以分析出，在逆变回路中，晶闸管的开通和关断频率十分频繁。当可控硅关断时，因回路中电感L的存在，电流IL不能发生突变，因而形成分流电流Ics流入RC缓冲回路，将能量储能到了电容CS中。

同时，在晶闸管两端产生很高的尖峰电压UKA，RC缓冲回路的作用就是维持动态均压。均压电阻RE的作用是平衡晶闸管两端的反向电压降，维持静态均压。晶闸管单元原理如图6所示。

图6 晶闸管单元原理图

从现场情况来看，均压电阻被烧毁，说明可控硅在关断过程中，所储存的能量不能及时消耗掉，是导致事故发生的主要原因。

4 事故原因分析

4.1 缓冲回路配置存在问题

RC缓冲回路对抑制晶闸管单元的关断浪涌电压存在良好的效果。晶闸管关断时，能量储存在缓冲电容CS内；开通时，存储的能量在缓冲电容CS中释放。如果缓冲电容CS和缓冲电阻RS的值选择不当，就会造成缓冲电阻或是均压电阻烧毁。

晶闸管开通时会产生过电压，对缓冲电阻RS影响最大。在满足吸收储存能量效果的前提下，应当充分考虑电阻的消耗功率，电阻不能选得过大，因此电阻大概定在20～30Ω之间。而在LS2100e系统中缓冲电阻被设计为40Ω。

事故中被烧毁的电阻为均压电阻，根据国内南瑞继保公司的同容量静态变频起动装置，晶闸管单元配置的均压电阻为32kΩ、1000W。而LS2100e系统的均压电阻设计为10kΩ、600W，阻值选型可能稍小，需要重视。

4.2 冷却能力下降

经过多次试验，在冷却水水质合格的前提下，LS2100e系统绝缘值与冷却水电阻率成正比关系，与闭式水温度呈反比关系。在多次起动过程中，冷却水的温度在不断上升，电阻率在不断下降。虽然冷却水电阻率没有低于下限值，但冷却的效果下降明显。

从图4中可以看出，此次烧毁的缓冲电阻，位于逆变桥路中晶闸管集中的区域。冷却效果的降低，对缓冲电阻的散热存在一定的影响，也是事故发生的主要因素。

4.3 功率桥过电流保护被忽视

LSGI静态变频起动门极触发板为功率柜提供了一个过电流保护，但保护动作信息却没有出现在MarkVIe系统告警窗中。维护人员在事故前不清楚该功能，以至于在多次发生52SS开关跳闸后，仍没有检查功率柜相关元器件是否出现故障。这样的设计缺陷，是导致此次事故不断加剧的次要因素。

5 静态变频起动装置的维护观点

5.1 熟悉相关板件功能，提升故障判断能力

在本次事故中，其中一个原因是LSGI板的反应功率柜过电流保护功能不清楚，从而使得检修人员被其他告警信息所误导，导致在原因未能查明的基础上多次起动机组，最终造成晶闸管单元烧毁。因此，熟悉LS2100e系统相关板件功能，是真正做到有效维护的基础。

5.2 加强有效巡视，重点检查冷却水参数

目前燃气机组电厂在国内一般作为调峰机组使用。日开夜停非常频繁，因此增加了LCI装置变频起动的次数，做好变频器的巡视工作对燃气机组电厂非常重要。变频起动器在每次完成机组起动后，应由运行人员对功率柜内进行详细检查，用测温枪对每个可控硅单元及水冷却管道进行测量与记录，确保设备健康程度。

同时，重点加强对冷却水电阻率数值的监视，定期更换冷却水、活性炭滤芯和去离子设备，使电阻率保持在4Ω•m左右。保证在燃机机组两次起动间，有足够的时间间隔恢复冷却水系统的相关参数。

5.3 加强定期维护工作

定期维护工作主要包括清扫、绝缘检查、可控硅的短路检查、可控硅触发试验等：

• ①清扫工作，要求在LS2100e设备处于断电隔离状态下进行，对交直流电抗器、控制柜、功率柜等设备应用毛刷和吸尘器进行清洁；
• ②因LS2100e设备采用水冷却系统，做好绝缘检查是极其重要的；
• ③需要使用2500V档位的绝缘表对一次电气设备进行绝缘测试（控制回路必须有效隔离）；
• ④使用万用表测量可控硅阳极和阴极之间的电阻，直流电阻应大于500kΩ；
• ⑤借助GE公司的Toolbox软件触发各桥路的可控硅，并使用专用示波器对可控硅的触发极进行电流和电压波形的测试。

6 结论

此次LS2100e系统负荷柜晶闸管单元烧毁，为静态起动装置的维护提出了较高的要求：

• ①要了解燃气机组顺控起动的步骤，掌握燃机静态起动中LS2100e系统顺控系统流程，为故障的处理指明方向；
• ②要克服语言障碍，真正了解LS2100e静态变频起动系统的原理、硬件及软件；
• ③根据此次事故中已总结出的相关经验，认真做好今后的检修维护工作。