海上平臺透平發電機柴油高壓泵變頻器電容燒毀故障分析和警示

陳永強

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業公司 天津300457)

0 引 言

透平發電機是利用機械能轉換為電能輸出的裝置，是海上油田主要的電力來源。啟動馬達是通過電驅動的，安裝在發動機上，用來啟動發動的馬達，為透平發電機啟動期間提供運轉至自持轉速的動力，是透平發電機的關鍵部件。某海上平臺運行的A、B、C、D、F 透平發電機機組出現高壓泵變頻器報警及燒毀故障，影響平臺系統供電的穩定性及安全，故而需對該平臺透平發電機A、B、C、D、F 機組故障進行深入分析，尋找故障原因為解決，保證海上平臺供電安全和穩定。

1 故障現象

某平臺透平發電機F 機組燃油啟動測試過程中，當轉速達到額定轉速10%時，在線運行的透平A、B、D 機組和備用透平C 機組LCP 報警AL_UF 2 220 fault，技術人員確認報警并進行手動復位時，發現MCC 間透平A、B、C、D、F 機組柴油高壓變頻泵VFD 報警over voltage，其中透平A、B、C、D 機組柴油高壓變頻泵VFD 出現冒煙狀況，立即將所有柴油泵VFD 380 V 的開關電源切斷。另，同一段母排有4 路負載開關報接地故障跳閘。透平A、B、D 運行在gas 模式下，切斷高壓變頻泵VFD 電源未引起機組關斷。透平F 機停機，MCC 間檢查輔機設備控制開關，透平F 機啟動馬達VFD 報警over current。懷疑啟動馬達存在大電流現象，現場檢查啟動馬達接線，啟動馬達電源接線箱打開發現2 號啟動馬達電纜單相絕緣擊破對地放電。

柴油變頻泵VFD 燒毀后，現場對透平A、B、C、D 機柴油變頻泵VFD 進行拆檢，拆檢過程中均發現其中一塊電路板上的4 個電容(1 500μF，400 V)已經擊穿燒毀，其他電路板沒有擊穿和燒毀痕跡。

2 故障原因分析

2.1 初步分析

對上述事件的原因初步分析有以下結論：海上平臺低壓配電采用的是中性點不接地三相三線系統，中性點不接地系統發生單相接地故障時，由于不構成回路，所以流過故障點的是由對地電容形成的容性電流，數值很小，而整個系統的中性點對地電壓發生偏移，不接地相的對地電壓也會升高，接近或等于線電壓380 V。當中性點不接地系統故障點產生間歇性電弧時，在一定條件下，產生串聯諧振過電壓，其值可達相電壓的2.5～3 倍。根據現場啟動馬達電源接線盒端蓋上兩處電擊痕跡判斷，現場發生間歇性電弧放電，產生瞬間高電壓，該高電壓在整個系統中會在絕緣薄弱點進行擊穿。透平啟動馬達VFD 電源和柴油高壓變頻泵VFD 電源來自同一母排段，屬于同一系統，產生的過電壓造成柴油高壓變頻器VFD 電壓升高，VFD 電容(1 500μF，400 V)電壓瞬時超過400 V并被擊穿。

2.2 深度分析

以上分析有幾個地方被忽視：

①以現場啟動馬達電源接線盒端蓋上2 處電擊痕跡判斷，現場發生間歇性電弧放電是不錯，但這并非是電力系統直接接地，中間還隔著變頻器，不會對電力系統產生那么大的影響，造成母排電壓劇烈波動。

②通過查看透平事故記錄發現柴油變頻泵VFD直流母線過壓(超過正常電壓200 多V)持續了大約2 min，似乎低壓母排出現了電壓的波動。但如果低壓母排出現了如此長時間和劇烈的電壓波動，卻沒有設備及母排過壓的報警，低壓電力系統沒有出現解列，這不合情理。

③同一段母排有4 路負載開關報接地故障跳閘，這4 路設備沒有出現接地為何同時報接地故障跳閘，母排電壓波動不會產生負載開關接地故障跳閘。

④透平F 機2 號啟動馬達電纜單相絕緣會如此快的被擊穿(透平F 機還處于調試階段，啟動次數很少)，因此排除這個可能性。

⑤透平的啟動馬達變頻器及其他透平啟動馬達變頻器都沒有出現DC 母線劇烈的電壓波動。

從以上5 點分析，初步分析的結論是不能成立的，通過透平歷史記錄來看也驗證了這個質疑。從表1 可以看出，透平A 啟動變頻器VFD430 和柴油高壓變頻器VFD443 同處LC 段400 V 盤，在故障發生前后都處于未運行狀態，但柴油高壓變頻器VFD443 的DC 母線出現了劇烈的電壓波動，波動幅度超過200 V，最高超過800 V，持續2 min，柴油高壓變頻器電容就是在這段時間被擊穿的。

表1 透平A機變頻器數據記錄Tab.1 Data recording of converter of turbine A machine

而此時透平A 啟動變頻器VFD430 的DC 母線沒有出現劇烈的電壓波動，波動幅度僅約20 V。在其他透平的啟動變頻器和柴油高壓變頻器也出現了相同的現象。

上述現象先不論原因，可以得出的結論是LC 段400 V 盤沒有出現較大的電壓波動。而柴油高壓變頻器VFD 電容(1 500μF，400 V)也確實是過電壓超過400 V 并被擊穿的。

2.3 故障原因分析

主要有2 個方面：①逆變器直接驅動電機時會產生較高dv/dt 的共模電壓，并由此產生軸承電流和共模漏電流以及嚴重的電磁干擾(EMI)。特別是變頻器輸出到電動機電纜不規范(如未使用帶屏蔽層的電纜或電纜過長)會加劇共模電壓時，由于電纜中分布參數的影響，會在電機端產生電壓反射現象，從而在電機端產生2 倍以上的過電壓，導致絕緣失效；②變頻器輸出的共模電壓在電機轉子軸上感應軸電流，使電機軸承在短期內損壞(圖1)。

圖1 共模電流的流動路徑Fig.1 Flow path of common mode current

現場透平F 的啟動馬達到變頻器電纜未使用帶屏蔽層的電纜，且電纜的長度過長(Allen-Bradley 公司的《PowerFlex 700 變頻器用戶手冊》中建議使用帶屏蔽層的電纜及電纜長度91 m 以內。

《PowerFlex 700 變頻器用戶手冊》中有“PowerFlex 700 變頻器包括保護性MOVS 和相對于地的共模電容器，為保護電容器不受損壞，如果變頻器安裝在一個不接地的系統中，則這些電容器應斷開”的描述并有圖示(圖2)。

在中性點不接地系統中，MOVs 和共模電容接地時，能夠傳導高頻共模電壓(零序電壓)和漏電流至變頻器DC 母線，會產生導致變頻器DC 母線過壓，使變頻器DC 母線電容組充電電壓超過電容的耐受電壓。

圖2 共模電容的的說明Fig.2 Illustration of common mode capacitance

3 結論及警示

經檢查透平A、B、C、D 機柴油高壓變頻泵VFD的共模電容接地跳線均未摘除。

結合上述分析可以確定故障的原因：在透平F的啟動馬達變頻器運行中，啟動馬達接線端產生了較高的共模電壓(零序電壓)，由于使用的電纜不規范、電纜較長及啟動馬達接線質量等原因，共模電壓將電纜接頭的絕緣擊穿，導致接地故障。而未摘除的柴油泵變頻器的MOVs 和共模電容接地跳線，傳導高頻接地故障電壓和接地故障電流，導致變頻器內部直流母線過壓，接地故障時間持續了2 min，使電容損壞。

因此結合我們日常的海上系統的維護、安裝及檢修，應當更多地注意海上平臺供電系統的特殊性，及設備在特殊供電系統中應用時的情況，以防止類似設備問題發生，以提高電力系統的穩定性及設備的安全性，降低設備的故障率。