水冷高壓變頻器的故障分析及防范措施

朱寶峰

（中電建甘肅能源崇信發電有限公司，甘肅 平涼 744200）

0 引言

高壓變頻器在超臨界火電機組主要輔機中的應用越來越廣泛，其對降低火電機組廠用電率的貢獻非常明顯。尤其是當前火電機組普遍處于深度調峰運行方式下時，主要輔機采用變頻運行方式有調節迅速、節能顯著等多個優點。因此研究影響變頻輔機運行可靠性的相關因素，避免因變頻器故障造成輔機RB 甚至機組非停顯得尤為重要。

采用水冷方式的高壓變頻器會配置獨立的閉式水冷卻系統。冷卻水用于對功率單元中IGBT 等發熱元件的冷卻，部分高壓變頻器的移相變壓器繞組也采用水冷方式。由于采用去離子水（除鹽水）進行閉式循環，因此冷卻水的水質、流量、水位等工質參數也成了影響高壓變頻器可靠運行的因素之一。部分高壓變頻器控制邏輯中也將冷卻水系統參數異常納入變頻器報警、跳閘保護條件中。

水冷高壓變頻器除了自身重故障引起變頻輔機跳閘外，其冷卻水系統、高壓連接電纜等附屬設備的故障也會造成同樣的后果，而單臺變頻輔機故障跳閘后如果因電氣保護、熱控邏輯不完善，也會造成事故進一步擴大，以至電氣母線失壓或跳閘、運行參數失穩造成熱工保護動作等。因此該文將從以下三個方面進行分析。

1 高壓變頻器自身故障分析及防范措施

1.1 水冷高壓變頻器結構組成及故障統計

水冷高壓變頻器一般由變壓器、功率單元、閉式冷卻水系統和控制系統組成。高壓變頻器自身故障主要體現在功率單元故障、控制板件或UPS 故障等。功率單元故障情況一般有熔斷器故障、驅動故障、單元過熱、單元過壓、光纖故障等。功率單元的原理圖如圖1 所示。功率單元輸入電源端R、S、T 接變壓器二次側，三相二極管全橋整流為直流環節供電，直流母線上的電壓提供給由IGBT 組成的H 橋逆變電路。功率單元通過光纖接收信號，采用空間矢量正弦波脈寬調制（SVPWM）方式，控制IGBT 的導通和關斷，輸出單相脈寬調制波形。每個功率單元內有獨立的一塊控制板和一塊驅動板，控制板通過光纖與控制器通信，驅動板主要用于驅動IGBT。

從圖1 中可以看出，每個功率單元就是一個單獨的整流逆變電路，構成功率單元的元器件有很多，每個元器件都有可能成為一個故障點，任何一個出現問題都將導致該單元出現故障。由于元器件的質量參差不齊、電流耐受能力不同，個別元器件的穩定性并不能很好地滿足變負荷運行的需要，無法使變頻器穩定地處于長期運行的狀態，也容易導致系統出現故障。通過某電廠8 臺水冷高壓變頻器實際故障統計來看，在14 次變頻器故障中，有7 次是因功率單元故障引起的。如表1 所示。

表1 某電廠近年來輔機高壓變頻器故障統計表

圖1 功率單元原理圖

1.2 水冷高壓變頻器故障分析

該文對7 次水冷方式變頻器功率單元故障和6 次空冷方式變頻器功率單元故障原因進行分析，基本為IGBT 故障引起短路造成單元過壓/驅動故障/熔斷器故障等，故障較輕時，具有單元旁路的功能變頻器可以在旁路故障單元繼續運行，但同時會造成變頻器的輸出電流、電壓有一定的不平衡性，諧波也會變大，其他功率單元的負載也會增大，不利于變頻器長期運行。但故障較重時，如發生“單元過壓”等故障則無法旁路，造成變頻器直接跳閘。此時不僅故障元件本身損壞，還會造成熔斷器、電容器等其他元器件一同損壞，并有一定概率損傷IGBT 的驅動板，因此在更換維修時應一并檢查更換。

根據對功率單元故障情況及控制單元報警記錄統計來看，水冷變頻器沒有發生過因“單元過熱”造成的跳閘[1]。一般來說，閉式冷卻水系統水質符合要求，冷卻水系統正常運行，沒有發生冷卻水泵出口流量低或開式冷卻水故障造成閉冷水水溫升高等問題，其對IGBT 等發熱元件的冷卻均可滿足滿負荷運行的要求。因此基本避免了水冷變頻器IGBT因過熱劣化產生故障的問題。

從上述功率單元故障后的現場勘查痕跡來看，基本為IGBT 內部擊穿、炸裂等情況居多，可以認為多數情況的故障均是由于IGBT 自身質量不佳、大電流能力耐受不足造成。由于IGBT 為集成化元器件，建議采取加強其性能檢測、備件儲存，儲備備用功率單元的防范措施，來保證故障情況下可以及時維修或替換，恢復功率單元投入運行，防止輔機長期停運失備，影響安全生產。同時，如果功率單元故障旁路運行[4]，變頻器每相串聯單元數量減少，額定輸出電壓和額定容量都將降低，在停運更換功率單元之前，一定要限制頻率（上限）運行，防止其他功率單元過載。

控制板件故障[1]在變頻器整體故障統計中占比并不高，高壓變頻器室的運行環境一般均能滿足GB/T 34123 的要求，其冗余配置的工業空調可以抵消變頻器功率單元、移相變壓器滿負荷運行造成的溫升，因此控制板件因運行環境不佳（如高溫、潮濕等）產生故障的概率較小。由于各類控制板與控制器、功率單元之間一般采用光纖通信，表1 中統計的3 起控制板件故障中有2 起通是由通信板或通信插件故障引起的。控制板故障較為明顯時，基本在板件元器件上能夠找到故障點，如果為瞬時故障或間歇性故障，建議采用排除法更換備用板件以查找故障原因。如某臺引風機變頻器運行中報“變頻器過流”跳閘，經就地檢查發現變頻器控制面板輸入電壓、輸入電流有大幅度跳變現象，檢查發現變頻器“信號板”IC4 集成塊有擊穿痕跡，判斷為信號板故障造成。

而UPS 故障原因也以UPS 老化居多。部分品牌控制系統采用UPS 防止電源切換時PLC 重啟，這也使UPS 故障成為影響變頻器可靠運行的重要因素之一。對上述故障采取的防范措施如下：一方面應加強停運期間控制板件、UPS 的檢測、維護及性能試驗，及時發現隱患。如在檢修期間應對UPS 的電壓穩定度、頻率穩定度、波形失真度進行檢測，對備用電源切換時間小于5ms、外部電源失去情況下不小于30min 的連續供電時間、最大負荷下保證30%的容量裕量等性能指標進行測試，以確保UPS 可靠投入運行；另一方面對控制板件、UPS 的壽命進行準確預估，根據故障情況及時進行預防性更換，必要時縮短預防性更換周期，如2～3 年。某些品牌的UPS 具有自動定期充放電試驗功能，即在正常運行時，UPS 自動切換至內置電池接待負荷，一旦測試不滿足要求則發出報警并切回旁路運行，實際證明該UPS 在切換至旁路過程中時間超過5ms，無法避免PLC 等控制器重啟的問題，造成變頻器誤停運。因此必須禁止該功能定期啟動或不采用具有此項功能的UPS。

2 高壓變頻器附屬設備故障分析及防范措施

2.1 變頻器冷卻水系統故障分析

從表1 中來看，高壓變頻器附屬設備故障主要集中在冷卻水系統和一次電纜上。冷卻水系統一般由循環泵、換熱器、補水箱、濾網、離子交換器、水溫調節閥、循環水管路以及熱工測點組成。冷卻水系統采用流量、液位、溫度、壓力、電導率等熱工測點實現冷卻水系統的自動控制及運行，而對會造成變頻器保護聯鎖動作出口的熱工測點，必須熟知其組成邏輯及儀表工作原理，加強儀表定期檢驗、維護，并在檢修及消缺過程中做好安全措施。如某次檢修人員處理給水泵變頻器冷卻水補水箱磁翻板液位計花屏時，在沒有解除液位低保護前誤使用磁鐵對液位計翻板進行調整，造成補水箱液位低開關信號閉合，出現“水箱液位低”保護動作，造成變頻器在運行中跳閘。

對變頻器冷卻冷水水質應加強監測，在冷卻水電導率到達報警值以前更換去離子罐樹脂。定期監測水中銅離子含量和冷卻水pH 值以符合變頻器制造商對冷卻水質的要求，避免加劇銅離子腐蝕。同時應根據系統補水頻次，及時檢查功率單元有無漏水情況[3]。實際運維情況證明，個別功率單元冷卻水銅管T 型接頭處因銅腐蝕產生漏電，因此運行5 年以上的水冷變頻器應加強該情況的監測與檢查。

2.2 變頻器冷卻水系統故障防范措施

對冷卻水系統熱工儀表及測量裝置應進行選型分析，采用性能可靠、運行穩定的產品。并在變頻器停運檢修時進行綜合校驗和傳動試驗，確保儀表測量準確、動作可靠。

對用于熱工保護的測點應防止采用單信號。對采用單信號的熱工保護，應設法增加測點或增設相關聯的可靠判據，防止單信號測點故障造成保護誤動或拒動。

根據冷卻水電導率上升趨勢，提前更換去離子罐樹脂。更換前應使用除鹽水對樹脂充分沖洗，去除樹脂表面雜質。待沖洗水水質電導率降至0.1us/cm 及以下時，可進行更換。防止更換新樹脂后發生電導率突升造成保護動作的情況。

對進入換熱器的開式冷卻水（冷源水）濾網定期清洗，加強冷源水流量監視，防止因濾網堵塞造成冷卻效果下降，使閉式水溫升高的異常情況發生。

對冷卻水系統流量、壓力、液位等保護測點進行檢修或消缺時，應退出相應的保護或聯鎖條件，無法退出保護及聯鎖的，應將輔機停運或退出運行后，再進行檢修作業。

2.3 變頻器一次電纜故障分析及防范措施

一次電纜故障多發于電纜終端接頭部位。新改造的變頻器或運行年限較長的變頻器均應加強一次電纜的檢查與預防性試驗。表1 中3 次電纜故障引起的變頻器跳閘均為電纜終端接頭在制作時未按照工藝要求進行，使該處絕緣逐漸劣化造成擊穿，引起開關零序保護動作。如某臺引風機變頻器至電機電纜終端制作過程未按照安裝說明書進行操作，應力管安裝位置錯誤，使電場分散不足，半導體層斷口處電應力過于集中，在運行中絕緣逐步劣化，在引風機工頻啟動時的沖擊下絕緣擊穿發生接地。雖然DL/T 5161.5-2018《電氣裝置安裝工程質量檢驗及評定規程 第5 部分：電纜線路施工質量檢驗》中已取消電纜終端接頭制作30%旁站檢查驗收的規定，但在實際技改項目中還應予以重視和恢復。并對該項目設置主控驗收（H）點，以確保電纜終端制作工藝滿足要求。

3 變頻輔機熱工保護聯鎖問題分析

變頻輔機跳閘后一般會觸發相應輔機聯鎖啟動或跳閘[2]，如相關聯鎖邏輯不完善、相關參數調整不當，極易將故障擴大，甚至造成機組非停事件。如某電廠一次風機變頻器故障造成一次風量低導致低保護動作，觸發鍋爐主燃料跳閘（MFT）。除功率單元故障造成變頻器跳閘外，未設計一次風機變頻器自動切工頻邏輯和一次風機RB 邏輯也是鍋爐MFT的主要原因。

鍋爐軸流風機如送、引風機采用高壓變頻器時，一般會保留兩種自動調節方式，一種為變頻調節，另一種為工頻方式采用原有的動（靜）葉調節。當變頻器故障輔機轉為工頻運行時，應注意動（靜）葉自動調節相關邏輯無擾切換及動靜葉執行的巡回檢查。

在自動調節邏輯切換方面，應考慮異常狀態下兩種自動控制邏輯的無擾切換。如某引風機變頻器運行過程中“變頻運行”信號誤丟失，造成變頻器頻率指令歸零，出口電動門聯動關閉，導致變頻器停運指令發出（變頻器實際無故障）。后該風機轉工頻啟動運行，而為防止搶風，另一臺引風機轉靜葉調節時，由于無擾切換邏輯有誤，因此靜葉自動指令下降，對系統造成一定擾動。針對以上問題，應制定以下防范措施：對“變頻運行”信號的質量判斷增加關聯判據（如變頻器電流等）或增加開關量信號數量；將加強質量判斷后的“變頻運行”信號引入自動調節器“切手動”邏輯判斷中。同時引入其他聯鎖邏輯中，如停運信號判斷等。還應對兩種自動調節器無擾切換邏輯進行核查，由于兩臺引風機采用接受公共指令控制，當一臺引風機跳閘后，在選用靜葉調節器投入自動時，應在公共指令計算中及時對單臺引風機運行狀態進行補償，防止指令錯誤造成靜葉自動調節器投入后執行器誤關。

在全國眾多執行機構故障案例中，風機動（靜）葉執行器連桿/拐臂脫落造成機組非停的事件不在少數。特別是風機采用變頻調節后，其工頻模式下的調節機構及控制邏輯容易成為被忽視的對象。如某機組A 變頻引風機事故跳閘，機組快速降負荷運行，整個煙風系統對B 引風機形成較大的短期沖擊，B 變頻引風機出、入口壓力發生較大變化，煙道中產生了較大的沖擊氣流作用在B 引風機靜葉擋板上。但由于靜葉執行器處于手動控制，指令恒定，相當于電動執行器此時是在限制擋板正向或反向運動，因此內部靜葉擋板在變工況沖擊下形成了交替作用力。作用力產生抖動通過連桿傳遞至減速機曲柄和電動執行器，造成減速機曲柄發生移位至傳動軸末端位置后脫開，使靜葉擋板連桿失去支撐逐漸關閉，對機組運行造成極大擾動。針對該類問題，可制定的防范措施如下：對執行器減速機傳動軸端部加裝擋板，對曲柄位移產生止推作用。對不能加裝擋板的，應定期對連接件鎖緊螺母、銷子進行檢查，必要時維修更換，尤其是單臺風機跳閘后，應增加運行設備的巡檢頻次，加大關鍵部位設備的狀態檢查力度。

4 結語

高壓變頻器在火電輔機中應用得越來越廣泛，在獲得顯著的節能效益的同時，采用高壓變頻器的輔機故障概率明顯提高，加強高壓變頻器的設備管理與維護，提高其運行可靠性顯得尤為重要。根據該文的研究分析，在應對高壓變頻器故障，保證機組可靠運行方面的措施可總結如下。

在高壓變頻器投入前的設計、施工、調試階段，應對變頻器送出的“運行”、“停運”信號進行冗余配置，提高DCS系統對輔機狀態信號的判斷質量；在施工階段對變頻器一次電纜終端制作設置主控點（H點），實行過程旁站驗收，確保其按工藝要求制作。

在水冷高壓變頻器日常運行中，應加強冷卻水系統的水質及相關保護測點的監測與維護，保證被冷卻元件的工作壽命。同時做好控制板件、UPS 的定期檢測與維護，必要時縮短其預防性更換周期。對功率單元的IGBT、整流模塊、電容器及IGBT 驅動板加強檢測，并做好材料備件和備用功率單元儲備，及時更換故障功率單元，避免輔機處于失備或減出力運行的狀態。

應完善變頻輔機DCS 控制邏輯。保證高壓變頻器跳閘觸發機組RB 時不會造成故障擴大。尤其是運用在鍋爐送風機、一次風機及引風機時，應注意動（靜）葉調節自動與變頻自動的無擾切換，注意動（靜）葉調節執行器聯鎖動作以及執行器連桿、拐臂的檢查維護。