高壓變頻器故障維修實例分析

隨著國家對節(jié)能環(huán)保要求的進一步提高，越來越多的火電廠已經(jīng)將引風(fēng)機及凝結(jié)水泵等大功率重要輔機設(shè)備更換為變頻驅(qū)動電機，以達到節(jié)能降耗的目的。然而在實際應(yīng)用過程中，變頻器維修故障發(fā)生概率較大，元器件更換費用較高，在緊急變頻切工頻過程中也會對設(shè)備造成負面影響，給電廠帶來了一定的經(jīng)濟損失。

本文針對某電廠引風(fēng)機變頻器故障頻發(fā)的問題進行了分析，對故障發(fā)生原因及整改措施進行了探討，對于高壓變頻器故障維修分析具有一定的借鑒和參考意義。

1 事件經(jīng)過與設(shè)備參數(shù)

某電廠2號爐2A引風(fēng)機變頻器報驅(qū)動故障，當日04：09：07，2A引風(fēng)機變頻器報急停動作，變頻轉(zhuǎn)工頻運行切換成功，2A引風(fēng)機以工頻繼續(xù)運行。事件發(fā)生后，檢查2A引風(fēng)機6kV進線開關(guān)保護裝置，6kV保護裝置無動作和報警記錄，故障錄波裝置無記錄，2A引風(fēng)機變頻器A6和B6功率單元燒毀嚴重。

2A引風(fēng)機變頻器系統(tǒng)主接線圖如圖1所示，變頻器額定容量為7200kVA，額定電壓為6kV，額定電流為600A，單元級數(shù)為6級，變頻器功率單元額定電壓為577V，額定電流為600A，旁路形式為機械旁路，采用兩個交流斷路器并聯(lián)的形式，直流電容為電解電容，由三組模塊并聯(lián)，且與功率單元分體。

經(jīng)了解，在此故障發(fā)生前的半年內(nèi)，2A引風(fēng)機變頻器已經(jīng)多次出現(xiàn)故障導(dǎo)致燒毀及報警問題。2月份A4、B4功率單元高壓熔斷器炸裂起火，A4、B4、C4功率單元本體上有電弧燒傷痕跡，A4、B4、A5、B5、C5功率單元所配電容箱本體上有電弧燒傷痕跡，A4、B4隔離變及通信光纖被燒熔。

6月10日10：05，A6功率單元故障切換旁路成功，故障代碼為C000，對應(yīng)光纖下行通信故障和IGBT驅(qū)動保護。判斷A6單元損壞。13日早班A引風(fēng)機停運后更換A6單元和B6第二組電容箱。試運時發(fā)重故障報警，現(xiàn)場檢查處理A6單元光纖插口接觸不良或積塵缺陷。于當日下午并列運行正常。

6月28日，B4組功率單元故障報警，通信故障，2s后消失，及時更換功率單元，目前由于沒有備品，該功率單元應(yīng)用在B5。

圖1 變頻器一次系統(tǒng)圖

2 現(xiàn)場故障情況

1）控制器故障記錄

本次事故發(fā)生時，有效記錄信息共3條，按發(fā)生順序依次為“單元驅(qū)動保護2018.7.4，04：08：57”“單元直流過壓警告2018.7.4，04：08：57”“下行通訊故障2018.7.4，04：08：57”。

其中“單元驅(qū)動保護”“下行通訊故障”為故障信息，“單元直流過壓警告”為報警信息，故障信息動作于停機，報警信息動作于發(fā)報警信號。單元驅(qū)動保護記錄中，所有功率單元電壓電流正常；單元直流過壓警告記錄中，A6和B6功率單元對應(yīng)的直流電壓分別降至137V和0；下行通信故障記錄中，電壓電流信息與上一條記錄一致。

另外在本次故障發(fā)生前，2018年2—7月，A4、B4、C4、A5、B5、C5、A6、B6、C6功率單元多次發(fā)生通信故障，且通信故障未得到根本性解決。

2）功率單元內(nèi)部損壞情況

功率單元主體由上、中、下三層構(gòu)成：下層為功率單元整流環(huán)節(jié)，三相交流電壓經(jīng)整流二極管組成三相不可控整流電路，整流二極管固定在散熱片上；中、上層為功率單元的逆變環(huán)節(jié)，對應(yīng)于H橋逆變電路的左右兩組橋臂。由于功率單元容量比較大，其直流電容由三組電解電容組并聯(lián)而成，且與功率單元分體并經(jīng)直流母排連接。

對A6單元拆解檢查發(fā)現(xiàn)，單元控制電源進線、光纖熔斷；S相、T相保險均熔斷；單元旁路接觸器380V電源進線熔斷；直流母排接地線熔斷；整流部分R相、T相二極管損壞；一個IGBT損壞（標準耐壓值為1700V，實測耐壓值400V）；單元旁路2個并聯(lián)的斷路器線圈損壞；功率單元三相輸入交流母線有明顯的燒熔痕跡，下層整流部分和中層逆變部分的散熱片上有明顯燒熔痕跡，單元主控板可正常上電。如圖2所示。

圖2 功率單元A6損壞情況

對B6單元拆解檢查發(fā)現(xiàn)，單元控制電源進線、光纖熔斷；S相、T相保險均熔斷；單元旁路接觸器380V電源進線熔斷；直流母排接地線熔斷；整流二極管全部損壞，上層一個IGBT損壞（標準耐壓值為1700V，實測耐壓值400V），中層一組IGBT（共8個）全部損壞；功率單元主控板中直流電壓采樣端子損壞；單元旁路2個并聯(lián)的斷路器線圈損壞；主控板不能正常上電（經(jīng)初步檢測為直流電壓采樣回路短路，斷開此分支后，可正常上電）。如圖3所示。

圖3 功率單元B6損壞情況

3）變頻器移相變壓器損壞情況

移相變壓器一次側(cè)為三相星形接法，二次側(cè)為延邊三角形接法，共18路輸出至對應(yīng)的功率單元�，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，功率單元A6、B4、B6所連接的移相變壓器二次繞組均有明顯變形，如圖4所示。

圖4 移相變低壓繞組變形

3 故障原因分析

對應(yīng)上述各故障記錄和損壞現(xiàn)象，分析本次故障發(fā)生的原因。

1）通信故障原因

A4—C4、A5—C5、A6—C6功率單元對應(yīng)的光纖通信由同一光纖通信板進行上行和下行通信，這幾個功率單元多次報通信故障，返廠對此光纖通信板檢查發(fā)現(xiàn)，此通信板存在通信不穩(wěn)定和光信號弱等問題。

A6單元通信光纖不穩(wěn)定，導(dǎo)致A6單元的IGBT在經(jīng)受一個很短時間（遠小于正常導(dǎo)通時間）的導(dǎo)通后，在關(guān)閉時產(chǎn)生高頻的過電壓，在此過電壓的長期作用下，一方面會影響功率單元內(nèi)部元器件壽命，導(dǎo)致功率單元短路；另一方面會對功率單元內(nèi)部母排之間的絕緣產(chǎn)生負面影響。

2）功率單元損壞原因

從設(shè)計方面來看，此功率單元內(nèi)部的母線銅排布局不當，隨著絕緣部件的老化，母排之間產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，導(dǎo)致故障發(fā)生。

通信不穩(wěn)定產(chǎn)生的高頻過電壓長期作用，A6單元因直流疊層母排發(fā)生非金屬短路而首發(fā)“單元驅(qū)動保護”故障，發(fā)生此故障后，A6功率單元首先封鎖IGBT驅(qū)動信號，閉鎖IGBT；但是由于A6單元保險容量大（630A），未及時熔斷，致使短路故障持續(xù)，最終導(dǎo)致整流二極管全部損壞，其短時強電流引發(fā)的弧光燒壞了A6功率單元的主控板電源進線及光纖；已經(jīng)不受控的電弧蔓延至正在工作的B6單元，導(dǎo)致B6單元中IGBT發(fā)生上下橋臂導(dǎo)通，致使IGBT和整流二極管損壞。

另外，旁路開關(guān)未能正確動作，使得故障進一步擴大化。此旁路開關(guān)的作用是在功率單元發(fā)生故障時，通過閉合斷路器的方式將此功率單元切除，其他功率單元正常運行，保持變頻器的正常運行，同時避免事故進一步擴大。

然而，在本次事故中，功率單元內(nèi)部發(fā)生短路故障時，由于旁路開關(guān)斷路器內(nèi)部電磁線圈激磁電壓隨之降低，不能產(chǎn)生足夠大的吸力使銜鐵閉合，導(dǎo)致銜鐵長時間處于大氣隙下抖動，磁阻非常之大，以至于線圈電感量大為減少，線圈長時間處于低阻抗大電流狀態(tài)下，直至被燒毀。旁路開關(guān)在故障時不僅不能正常動作，線圈燒毀還會引起事故擴大。

3）變壓器繞組變形原因

根據(jù)近幾次故障情況推測，A6和B6對應(yīng)的繞組變形原因為本次事故中功率單元內(nèi)部短路，導(dǎo)致變壓器低壓繞組電流過大，而B4對應(yīng)的繞組變形，原因是2月份發(fā)生了類似的事故，事故后檢修人員未及時發(fā)現(xiàn)和處理此問題，在本次檢查時B4繞組變形問題依舊存在。

4 整改建議

為了防止此類事故再次發(fā)生，從變頻器的設(shè)計以及日常維護方面提出以下幾點整改建議。

1）定期檢查通信情況

設(shè)備管理人員應(yīng)定期在變頻器停機時對控制器通信情況進行檢查，尤其注意光信號弱和不穩(wěn)定等問題，及時更換老化的控制器通信板。

2）功率單元內(nèi)絕緣優(yōu)化設(shè)計

廠家應(yīng)該在設(shè)計上改進功率單元內(nèi)部的母線銅排布局，同時優(yōu)化絕緣層的安裝和固定方式。在設(shè)計上考慮通信不穩(wěn)定等極端工作條件下高頻過電壓對絕緣的影響，對變頻單元內(nèi)部母線排之間的絕緣預(yù)留充分的裕度。

3）功率單元內(nèi)旁路開關(guān)電源優(yōu)化

在多次事故中，由于真空接觸器動作電壓取自功率單元內(nèi)部，當功率單元內(nèi)部發(fā)生短路故障時，線圈長時間處于低阻抗大電流狀態(tài)下而被燒毀，斷路器不能正確動作。功率單元本體均未成功切換旁路，導(dǎo)致故障進一步擴展，多個功率單元受損，變頻器整體停機。

廠家在功率單元旁路切換功能設(shè)計上應(yīng)該改進，避免此類情況再次發(fā)生，增強變頻器設(shè)備的可靠性。

4）移相變壓器檢查及試驗

移相變壓器由于結(jié)構(gòu)設(shè)計，在功率單元內(nèi)部短路后會受到?jīng)_擊變形，匝間絕緣會受到損壞，在功率單元損壞事故中，大多數(shù)電廠工作人員往往只注重對功率單元和電容器的檢查和更換，對移相變壓器的檢查和試驗不夠重視。事故后檢查時，不能忽略對移相變壓器匝間絕緣的試驗檢查，應(yīng)該根據(jù)檢修計劃安排感應(yīng)耐壓試驗，防止因為移相變壓器絕緣問題導(dǎo)致事故進一步擴大。

結(jié)論

本次變頻器故障的直接原因在于通信不穩(wěn)定造成的尖峰過電壓和功率單元內(nèi)部絕緣設(shè)計問題，另外，旁路開關(guān)的電源設(shè)計導(dǎo)致未能快速切除故障，也擴大了故障范圍。從電廠設(shè)備管理者的角度來看，巡檢時要注意逆變器的警告信息，及時更換老化元件，故障發(fā)生后要對整個逆變器系統(tǒng)進行全面檢查，避免因潛在性的絕緣問題而引發(fā)二次故障。

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