隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保要求的進(jìn)一步提高，越來(lái)越多的火電廠已經(jīng)將引風(fēng)機(jī)及凝結(jié)水泵等大功率重要輔機(jī)設(shè)備更換為變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，變頻器故障發(fā)生概率較大，元器件更換費(fèi)用較高，在緊急變頻切工頻過(guò)程中也會(huì)對(duì)設(shè)備造成負(fù)面影響，給電廠帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)損失。

本文針對(duì)某電廠引風(fēng)機(jī)變頻器故障頻發(fā)的問(wèn)題進(jìn)行了分析，對(duì)故障發(fā)生原因及整改措施進(jìn)行了探討，對(duì)于電廠變頻器故障分析具有一定的借鑒和參考意義。

1 事件經(jīng)過(guò)與設(shè)備參數(shù)

2018年7月4日04：08：57，某電廠2號(hào)爐2A引風(fēng)機(jī)變頻器報(bào)驅(qū)動(dòng)故障，當(dāng)日04：09：07，2A引風(fēng)機(jī)變頻器報(bào)急停動(dòng)作，變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行切換成功，2A引風(fēng)機(jī)以工頻繼續(xù)運(yùn)行。事件發(fā)生后，檢查2A引風(fēng)機(jī)6kV進(jìn)線開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置，6kV保護(hù)裝置無(wú)動(dòng)作和報(bào)警記錄，故障錄波裝置無(wú)記錄，2A引風(fēng)機(jī)變頻器A6和B6功率單元燒毀嚴(yán)重。

2A引風(fēng)機(jī)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(jí)數(shù)為6級(jí)，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(jī)械旁路，采用兩個(gè)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(jī)變頻器已經(jīng)多次出現(xiàn)故障導(dǎo)致燒毀及報(bào)警問(wèn)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(duì)應(yīng)光纖下行通信故障和IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)。判斷A6單元損壞。13日早班A引風(fēng)機(jī)停運(yùn)后更換A6單元和B6第二組電容箱。試運(yùn)時(shí)發(fā)重故障報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)檢查處理A6單元光纖插口接觸不良或積塵缺陷。于當(dāng)日下午并列運(yùn)行正常。

6月28日，B4組功率單元故障報(bào)警，通信故障，2s后消失，及時(shí)更換功率單元，目前由于沒(méi)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(chǎng)故障情況

1）控制器故障記錄

本次事故發(fā)生時(shí)，有效記錄信息共3條，按發(fā)生順序依次為“單元驅(qū)動(dòng)保護(hù)2018.7.4，04：08：57”“單元直流過(guò)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(dòng)保護(hù)”“下行通訊故障”為故障信息，“單元直流過(guò)壓警告”為報(bào)警信息，故障信息動(dòng)作于停機(jī)，報(bào)警信息動(dòng)作于發(fā)報(bào)警信號(hào)。單元驅(qū)動(dòng)保護(hù)記錄中，所有功率單元電壓電流正常；單元直流過(guò)壓警告記錄中，A6和B6功率單元對(duì)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(duì)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(duì)A6單元拆解檢查發(fā)現(xiàn)，單元控制電源進(jìn)線、光纖熔斷；S相、T相保險(xiǎn)均熔斷；單元旁路接觸器380V電源進(jìn)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(gè)IGBT損壞（標(biāo)準(zhǔn)耐壓值為1700V，實(shí)測(cè)耐壓值400V）；單元旁路2個(gè)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(duì)B6單元拆解檢查發(fā)現(xiàn)，單元控制電源進(jìn)線、光纖熔斷；S相、T相保險(xiǎn)均熔斷；單元旁路接觸器380V電源進(jìn)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(gè)IGBT損壞（標(biāo)準(zhǔn)耐壓值為1700V，實(shí)測(cè)耐壓值400V），中層一組IGBT（共8個(gè)）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(gè)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(cè)為直流電壓采樣回路短路，斷開(kāi)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(duì)應(yīng)的功率單元?，F(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(duì)應(yīng)的光纖通信由同一光纖通信板進(jìn)行上行和下行通信，這幾個(gè)功率單元多次報(bào)通信故障，返廠對(duì)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(hào)弱等問(wèn)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(gè)很短時(shí)間（遠(yuǎn)小于正常導(dǎo)通時(shí)間）的導(dǎo)通后，在關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生高頻的過(guò)電壓，在此過(guò)電壓的長(zhǎng)期作用下，一方面會(huì)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(huì)對(duì)功率單元內(nèi)部母排之間的絕緣產(chǎn)生負(fù)面影響。

2）功率單元損壞原因

從設(shè)計(jì)方面來(lái)看，此功率單元內(nèi)部的母線銅排布局不當(dāng)，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(guò)電壓長(zhǎng)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(dòng)保護(hù)”故障，發(fā)生此故障后，A6功率單元首先封鎖IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，閉鎖IGBT；但是由于A6單元保險(xiǎn)容量大（630A），未及時(shí)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(shí)強(qiáng)電流引發(fā)的弧光燒壞了A6功率單元的主控板電源進(jìn)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(kāi)關(guān)未能正確動(dòng)作，使得故障進(jìn)一步擴(kuò)大化。此旁路開(kāi)關(guān)的作用是在功率單元發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)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(yùn)行，保持變頻器的正常運(yùn)行，同時(shí)避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

然而，在本次事故中，功率單元內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，由于旁路開(kāi)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(zhǎng)時(shí)間處于大氣隙下抖動(dòng)，磁阻非常之大，以至于線圈電感量大為減少，線圈長(zhǎng)時(shí)間處于低阻抗大電流狀態(tài)下，直至被燒毀。旁路開(kāi)關(guān)在故障時(shí)不僅不能正常動(dòng)作，線圈燒毀還會(huì)引起事故擴(kuò)大。

3）變壓器繞組變形原因

根據(jù)近幾次故障情況推測(cè)，A6和B6對(duì)應(yīng)的繞組變形原因?yàn)楸敬问鹿手泄β蕟卧獌?nèi)部短路，導(dǎo)致變壓器低壓繞組電流過(guò)大，而B(niǎo)4對(duì)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(shí)發(fā)現(xiàn)和處理此問(wèn)題，在本次檢查時(shí)B4繞組變形問(wèn)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(jì)以及日常維護(hù)方面提出以下幾點(diǎn)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(jī)時(shí)對(duì)控制器通信情況進(jìn)行檢查，尤其注意光信號(hào)弱和不穩(wěn)定等問(wèn)題，及時(shí)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(jì)

廠家應(yīng)該在設(shè)計(jì)上改進(jìn)功率單元內(nèi)部的母線銅排布局，同時(shí)優(yōu)化絕緣層的安裝和固定方式。在設(shè)計(jì)上考慮通信不穩(wěn)定等極端工作條件下高頻過(guò)電壓對(duì)絕緣的影響，對(duì)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(kāi)關(guān)電源優(yōu)化

在多次事故中，由于真空接觸器動(dòng)作電壓取自功率單元內(nèi)部，當(dāng)功率單元內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，線圈長(zhǎng)時(shí)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(dòng)作。功率單元本體均未成功切換旁路，導(dǎo)致故障進(jìn)一步擴(kuò)展，多個(gè)功率單元受損，變頻器整體停機(jī)。

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

4）移相變壓器檢查及試驗(yàn)

移相變壓器由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在功率單元內(nèi)部短路后會(huì)受到?jīng)_擊變形，匝間絕緣會(huì)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(duì)功率單元和電容器的檢查和更換，對(duì)移相變壓器的檢查和試驗(yàn)不夠重視。事故后檢查時(shí)，不能忽略對(duì)移相變壓器匝間絕緣的試驗(yàn)檢查，應(yīng)該根據(jù)檢修計(jì)劃安排感應(yīng)耐壓試驗(yàn)，防止因?yàn)橐葡嘧儔浩鹘^緣問(wèn)題導(dǎo)致事故進(jìn)一步擴(kuò)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(guò)電壓和功率單元內(nèi)部絕緣設(shè)計(jì)問(wèn)題，另外，旁路開(kāi)關(guān)的電源設(shè)計(jì)導(dǎo)致未能快速切除故障，也擴(kuò)大了故障范圍。從電廠設(shè)備管理者的角度來(lái)看，巡檢時(shí)要注意逆變器的警告信息，及時(shí)更換老化元件，故障發(fā)生后要對(duì)整個(gè)逆變器系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，避免因潛在性的絕緣問(wèn)題而引發(fā)二次故障。