VSC电源模块故障浅析与探讨

河源电厂6kV开关采用ABB公司生产的UniGear ZS1开关柜共157台,其中F-C柜74台;其中#1机组有工作段和公用段2个配电站。工作段有F-C柜22台,公用段有30台,在08年7月30日部分开关柜陆续投运,先后共发现19台VSC电源控制模块故障:在工作位置拒分合,在试验位置拒分合,同时显示直流屏负极接地报警。我们通过细致的检查检测,发现电源输入端负极压敏电阻爆裂、损坏。

1 故障模块检查

我厂烧毁的VSC电源控制模块均为电源输入端负极的共模干扰抑止压敏电阻爆裂、短路。此为EPCOS生产的S10K150型压敏电阻,其参数VRMS为150V,VDC为200V,最大电流Imax(8/20us)为2500A,最大能量Wmax(2ms)为24J。

进一步对电路板上所有元件进行检查发现,除了压敏电阻以外,大部分电路板的电源输入端共模干扰抑止电感线圈负极已经开路(线圈烧断),仅剩一块电路板上的电感线圈还完好。将烧毁的压敏电阻去除并短接烧断的线圈后,VSC即可正常分合闸。

发生故障的两个元件都位于VSC控制模块的电源输入端口,这两个元件与其它临近元件构成了VSC控制模块的入口EMC回路。通过查找图纸,共模抑止电感线圈为L1A,负极共模抑止压敏电阻为ZN5A。共模线圈型号为B82721-K2401-N21,额定电流0.4A.

2 现场检查

针对故障发生的情况,我们对控制电源板进行了深入细致的检查,发现故障现象全部表现为压敏电阻相关元件烧毁,所以现场调查集中在过电压可能产生的原因方面。

2.1 VSC上电(合小母线空开)的瞬态过程

针对VSC的二次进线空开进行合闸(上电)操作,使用录波仪对二次电压监视测量,未发现有任何过电压产生。通过小母线负极对地电压(-55V)的录波图,可以观察到一个小的电压尖峰,代表电压在空开投入瞬间有一个电压的瞬时跌落,此为VSC的瞬时充电电流造成。

2.2 VSC分合闸线圈操作对二次电压的影响

在现场对VSC空载及带负载(6kV电动机)进行分合闸操作,使用录波仪对二次电压监视测量,未发现有任何过电压产生。

2.3 直流蓄电池的检查

在现场对两组直流蓄电池分别进行投切、并列和转换操作,使用录波仪对二次电压监视测量,未发现有因为浮充带来的任何过电压现象发生。对两段110V直流蓄电池组进行并列及切换操作,使用录波仪对二次电压监视测量,未发现有任何过电压产生。

2.4 小结

从以上对系统和VSC本身的现场实测结果可以判定,我厂的二次设计系统设计安装及VSC的操作均正常,没有发现任何产生可导致压敏电阻击穿的过电压的发生源。VSC的压敏电阻选用的是EPCOS的进口元件,从质量水平来说EPCOS元件是电子业内公认的世界顶级产品,设计耐压值为220V的产品在55V电压下发生大量击穿的可能性微乎其微。并且在统一控制电路板上对称分不了完全相同的同型号压敏电阻,没有发生任何击穿的现象,因此我们可以排除元件质量的因素。

3 原因分析

要将压敏电阻击穿只需高于阀值的电压即可。但压敏电阻在过电压消失后将自动恢复到正常水平,要将压敏电阻击穿并发生爆炸,则不光需要很高的电压,同时必须具有很大的能量,也就是说需要数十安培以上的大电流,并持续一定的时间。同时此段度电流要将前方的电感线圈烧断形成开路。从S10K150的参数可知,如果要用一个20us的标准脉冲将其击穿到失效,电流需要大于2500A,如果要发生爆炸效果,其电流还得增大至1.5～2.0倍以上。从现场元件的烧毁程度我们可以判定,在ZN5位置的压敏电阻有一个很大的接地电流流过。

从电流的通路和方向上来说,要烧毁ZN5位置压敏电阻并烧断L1位置的共模线圈,其电流流径的入口必定为从负极到正极,经过L1到达ZN5的压敏电阻,从接地流出,不存在其他路径的可能性。

按照设计,110 V直流系统经过一对100k的电阻虚接地,正负极对称+55V/-55V电压。此形式的直流系统中如果发生单侧接地,接地电阻即为100k,接地电流仅为0.55mA,只有非常小的接地电流产生。只有当正极与负极发生直接短接时,才具有真正的短路电流,但这种工况不可能发生。因此,目前我们使用的110V直流系统不可能提供高达数十安的接地电流的能力。

要提供短路接地电流,只有直接接地的电源系统才有可能。在我厂的二次电源系统中,只有220V交流电源系统采用了直接接地。由于VSC电源柜中220V交流与110V直流系统并存,因此存在将220V交流电源(火线)误碰到到110V直流母线的可能。针对这种情况,我厂电气工程师与ABB专家进行了现场模拟,将柜内的交流系统火线引入VSC的负极,观察到ZN5压敏电阻瞬时发生了烧毁爆炸,同时电感线圈烧断,爆炸的现象和破坏程度与前期状况完全吻合。

所有的直接资料表明,各种模式的操作过电压在我厂的二次系统中都不存在,二次系统的设计是完善的;VSC控制电源板的元件不存在任何质量问题,在经大电阻接地的直流系统中,不可能由于无缘负载而产生超过系统设计的接地电流。从技术上分析,220V交流电源的串入是唯一的可能。

4 防范措施

在我厂电气工程师与ABB专家讨论后,针对现场情况采取了以下措施。

(1)在110V母线增加临时分立的压敏电阻模块,以保护VSC接触器的电源板。

(2)ABB公司售后服务人员彻底检查曾经连接到小母线上的电源板,对任何不能排除曾承受过过电压可能性的控制电源板直接更换。

5 结语

我厂6Kv厂用电系统中采用了数量较多的ABB F-C接触器型开关,其技术先进,性能稳定,服务到位。但运营过程中的工况万千,本文针对其开关内部的电源板烧毁做了一些经验性的技术总结,以供借鉴。

摘要：6kV F-C接触器型开关在电厂厂用电中应用广泛,在河源电厂调试过程中出现了多台开关不能分合闸状况,经检查发现为VSC电源模块烧毁,本文即针对上述情况的处理作出一些经验性的总结。

关键词：VSC,压敏电阻,烧毁,浅析

参考文献

[1] 厦门ABB开关有限公司VSC真空接触器使用说明书[J].