某船變頻器故障原因分析

陳 明，陳 靜，孫 迪，覃登羅

（1. 海裝駐廣州地區第一軍事代表室， 廣州 510715；2. 廣州海關技術中心，廣州 511457；3.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

1 前言

交流電力推進系統是當今船舶電力推進的主流，其形式多種多樣。某船采用兩套“交-直-交變頻器+交流同步電機”型式的交流推進系統，變頻器在這種推進系統中起到電力轉動力的橋梁作用，是該電力推進系統的關鍵設備，一旦發生故障將使船舶失去動力。因此，如何排查并解決變頻器故障，是保障該型式推進系統正常工作的重要課題。本文闡述某船電力推進系統中的變頻器在某次故障中的解決過程。

2 故障現象

某船變頻器的主電路采用交-直-交拓撲結構，輸入為2組三相690 V 50 Hz交流電，經過不控整流變換為直流電，再經過逆變及輸出濾波轉化為負載所需的三相交流電。圖1所示為其逆變電路，由6組（A1、B1、C1、A2、B2、C2） 12個IGBT組成。

圖1 變頻器主電路圖

該船的電力推進系統在航行試驗過程中，在進行雙機進三工況轉換至雙機進一工況試驗時：在雙機進一工況運行幾分鐘后，左推進變頻器發生異響，逆變柜下部發生聲響并從通風口處冒出黑煙，變頻器故障停機，主推進系統斷路器跳閘；在進行單軸進三航行工況試驗時，右推進變頻器逆變柜中部先后發生聲響，從通風口處冒出黑煙，變頻器故障停機，主推進系統斷路器跳閘。

故障發生后，聯合設備廠家進行了故障確認：

（1）故障前運行參數（表1）

表1 故障前運行參數

（2）故障信息

推進集控臺記錄了故障停機時先后發生的故障及報警信息：

① 左變頻器：推進斷路器異常；控制器硬件保護；逆變單元C2故障；主開關故障。

② 右變頻器：控制器硬件保護；逆變單元B1、B2、A2故障；控制電源故障和水冷單元故障。

③ 上述左變頻器的故障信息表明：左推進斷路器電流過大造成過流跳閘保護；而右推進斷路器正常分斷，無過流現象發生。

（3）故障損壞元件

將變頻器拆解，損壞的元件如下：

① 左變頻器：C2相IGBT損壞，部分直流支撐電容殼體破損變形，緩沖電容端受損嚴重，與緩沖電容相連接的直流母排端子燒熔；C相疊層母排損壞；其它相元件無異常，控制硬件及軟件狀態無異常。

② 右變頻器：A2相IGBT驅動接口板掉出；B1、B2相共用逆變母排和A1、A2相共用逆變母排受損；其它相元件無異常，控制硬件及軟件狀態無異常。

3 故障原因分析

由于兩臺變頻器均發生了IGBT直通故障，因此對IGBT直通故障進行故障樹分析，如圖2所示。

圖2 IGBT直通故障的故障樹

根據IGBT器件采購情況合格，故原因1可排除；

根據IGBT驅動器具備互鎖功能，設置了橋臂控制死區時間，具備防IGBT上下管直通功能，故原因2可排除；

根據集控室推進屏儀表顯示的數據，故障前后電網電壓保持在690 V左右，電網諧波也在合理范圍之內，故原因3可排除；

根據該系統已在多條船上應用，未出現過IGBT直通故障的問題，使用情況良好，故原因4可排除；

若導電雜質搭接在直流正負端子之間，會形成短路電弧，電弧熄滅瞬間會產生過電壓，將并聯在正負端子間的IGBT過電壓擊穿直通，從而導致IGBT故障損壞。

通過以上分析，可將故障原因定位在導電雜質搭接在直流正負端子之間，引起IGBT直通故障。

（1）左變頻器原因分析

① 現場拆解發現：C2相緩沖電容的C－E管腳有燒熔現象，但緩沖電容內部的電容及串聯的二極管完好，說明故障瞬間短路電流流經緩沖電容的外部管腳，沒有流經緩沖電容的內部電容，據此可判斷故障瞬間緩沖電容外部管腳之間存在短路現象；C2相逆變組件支撐電容受損變形，表明發生了短時間的大電流放電，短時間內積聚的過高熱量導致支撐電容殼體變形；C2相IGBT外殼輕微破損，表明短路能量并未大量釋放在IGBT模塊內部；

② 從斷路器的故障信息可以判斷：故障時變壓器輸入側發生了過流，引起斷路器跳閘；控制器硬件保護，表明內部直流側有過電壓發生；C相逆變單元中疊層母排與C2相IGBT連接的端子處燒蝕嚴重，表明該處發生了短路，并伴隨有大能量的放電；

③ 在設備運行過程中，由于設備內部風路的攪動及船體的晃動，使在故障前瞬間柜內存在的導電雜質搭接在C2相緩沖電容的管腳處，導致緩沖電容管腳短路；短路故障首先發生在IGBT模塊外部與疊層母排相鄰的部位，短路后引起百毫秒級的較長時間短路放電，在緩沖電容管腳間產生電弧，大電流導致進線斷路器主動保護跳閘，進線側能量輸入切斷，使流經緩沖電容管腳間的能量迅速減小；當支撐電容放電能量不足以維持電弧時，電滅熄滅，電弧熄滅瞬間，在緩沖電容管腳間產生高電壓，將C2相IGBT過電壓擊穿直通，支撐電容剩余放電能量流經IGBT模塊內部，導致C2相IGBT過熱爆裂；在推進系統接線后，未按照變頻器保護措施執行，且試驗前未開展相應的檢查以及清潔工作，導電雜質進入變頻器內部，導電雜質搭接在直流正負端子間形成短路電弧之后產生過電壓，過電壓將并聯在正負端子間的IGBT擊穿，IGBT直通，引發IGBT損壞。

（2）右變頻器原因分析

① 現場拆解發現：B1相IGBT受損很嚴重，表明故障過程中有大電流流經IGBT模塊內部，短時間積聚的高能量致使IGBT爆炸損壞；A2相IGBT驅動脫落，受損沒有B1相嚴重，表明故障過程中流經A2相IGBTr能量比B1相IGBT小；B2相IGBT幾乎無損傷，但IGBT內部參數異常，表明故障時沒有大能量流經B2相的IGBT；

② 從故障信息分析：控制器硬件保護，表明內部直流側有過電壓發生；B1相IGBT內部有嚴重燒蝕，同時與其相連的直流母排端子被燒熔，表明IGBT燒毀部位處在故障瞬間發生短路，短路電流在很短時間內流過IGBT與母排連接端子處，短時間內積聚很大熱量，引發B1相IGBT爆炸；B1相IGBT爆炸引起上方A2相IGBT驅動接口板脫落，從而進一步引發A2相IGBT損壞；由于B2相IGBT與B1相IGBT通過同一個疊層母排與主電路相連，B1相IGBT爆炸引起B2相IGBT損壞；

③ 在電推設備運行運行過程中，設備內部風路及船體搖擺，使得柜內導電雜質搭接在B1相IGBT直流正負端子處造成電路短路，短路瞬間在B1相IGBT直流端子間產生大能量電弧，將導電雜質燒熔，增加了直流端子的電氣間隙，電弧熄滅；熄滅瞬間在短路點間產生高電壓，將B1相IGBT擊穿直通，交流進線側輸入能量和支撐電容儲存的能量疊加全部通過IGBT內部釋放，導致B1相爆炸損壞，爆炸的沖擊波引起正上方A2相IGBT驅動板脫落，使其無法控制A2相IGBT的正常導通和關斷，門極處于失控狀態，門極產生靜電累積到一定程度使得IGBT導通，直流側的剩余能量會流經A2相IGBT，使其損壞；B1相IGBT直流端產生的弧電壓通過疊層母排串擾至B2相IGBT直流端子處，導致B2相IGBT損壞。

4 故障處理措施

在故障原因分析基礎上，采取下列對應的糾正措施：

（1）更換損壞的逆變組件；徹底清潔其它組件以及主回路元件，特別是IGBT表面以及相關接線；對所有接插件以及接線端子進行緊固并檢查確認；對恢復后的變頻器整機進行靜態檢查、狀態檢查，并按照靜態上電流程進行確認，做好相應記錄；

（2）進一步修訂完善《綜合電力推進系統設備保護施工工藝》，做好電推設備的保護及清潔工作，及時督促并積極配合廠家對電推設備接線、保養、清潔情況進行全面檢查，確保試驗安全、順利；

（3）整改完成后，分別開展了單軸、雙軸的各類工況試驗，試驗結果滿足試驗大綱及試驗冊要求。

5 結論

排除了變頻器故障，恢復了動力，說明本文分析方法和處理過程是正確的。

電氣設備的日常保養是保證其正常工作的重要環節，任何疏忽都有可能使設備發生故障，造成嚴重后果。