火電廠高壓變頻器故障分析與探討

摘 要：本文主要闡明火電廠高壓變頻器的節(jié)能原理及對高壓變頻器的特殊要求，并在此基礎(chǔ)上著重分析實際工作中常見故障情況的原因和特殊案例對策探討，以供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：火電廠；高壓變頻器；故障分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.143

1 引言

目前，我國處于經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的重要時期，節(jié)能降耗已成為轉(zhuǎn)型期的工作方向和重點之一。隨著國家節(jié)能降耗工作的進一步推進，高壓變頻器技術(shù)在火電廠大功率輔機電動機上得到了廣泛的應(yīng)用，有效降低了火電廠廠用電率，提高了機組運行水平，如何有效降低火電廠高壓變頻器的故障率對于發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。

2 高壓變頻器的節(jié)能原理

2.1 由三相異步電動機的工作原理可知

n=n0（1-s）=60f/p（1-s） （1）

式（1）中：n為電機的轉(zhuǎn)速（r/min），n0為電機的同步轉(zhuǎn)速，s為電機的轉(zhuǎn)差率，f為電機電流頻率（Hz），p為電機的極對數(shù)。

由于電機的轉(zhuǎn)差率s變化很?。ń涣鳟惒诫姍C額定負(fù)載時，轉(zhuǎn)差率s約為0.015～0.060），且電機的極對數(shù)p為固定值，因此電機的轉(zhuǎn)速n 與電機電流頻率f近似于正比例關(guān)系，所以降低電機電流頻率f就可以降低電機的轉(zhuǎn)速n。

2.2 三相異步電動機定子每相繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢有效值為

E1=4.44Kf1N1Φ （2）

式（2）中：E1為定子繞組感應(yīng)電動勢有效值（V），K為繞組系數(shù)，約等于1，f1為定子繞組感應(yīng)電動勢的頻率（Hz），N1為定子每相繞組匝數(shù)，Φ為旋轉(zhuǎn)磁場的每極磁通（Wb）。

由于三相異步電動機的繞組系數(shù)K和定子每相繞組匝數(shù)N1為固定值，且定子繞組感應(yīng)電動勢的頻率f1等于電機電流頻率f，因此若想保證旋轉(zhuǎn)磁場的每極磁通Φ恒定不變，調(diào)節(jié)電機電流頻率f的同時，還要調(diào)節(jié)電機的電源電壓E1。

2.3 根據(jù)風(fēng)機類負(fù)載的工作特性，在風(fēng)道阻力不變的情況下，根據(jù)相似定理

由P∝n3 得出 P/Pe=（n/ne）3 （3）

式（3）中：P為電機的功率（kW），Pe為電機的額定功率（kW），n為電機的轉(zhuǎn)速（r/min），ne為電機的額定轉(zhuǎn)速（r/min）。

通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速n來改變風(fēng)量，當(dāng)需求風(fēng)量降至額定的一半時，電機的功率P下降至12.5%電機的額定功率Pe，其節(jié)能效果十分顯著。而對于水泵類負(fù)載，當(dāng)管網(wǎng)特性不變，且對水壓沒有要求時，其調(diào)節(jié)情況與風(fēng)機類負(fù)載類似，節(jié)能效益比恒壓供水要顯著得多。

3 火電廠對高壓變頻器的特殊要求

對于火電廠而言，設(shè)備的安全可靠運行是安全生產(chǎn)的重要保障。若火電廠大功率輔機電動機因變頻器故障造成停運，往往會導(dǎo)致發(fā)電機負(fù)荷大幅度下降，甚至造成發(fā)電機停機、鍋爐熄火停運等，從而導(dǎo)致發(fā)電機組非計劃停機，其造成的影響及損失，遠(yuǎn)不是節(jié)能效益可以比較的，因此火電廠對高壓變頻器運行的安全可靠性具有非常高的要求。

3.1 高壓變頻器的工變自動互切

當(dāng)高壓變頻器保護動作或出現(xiàn)嚴(yán)重故障，以及高壓變頻器需要檢修而高壓電機不能停運時，高壓變頻器均可自動完成由變頻運行狀態(tài)切換至工頻運行狀態(tài)，且不影響發(fā)電機組的正常運行；當(dāng)高壓電機在工頻運行狀態(tài)時，若要重新投入變頻，高壓變頻器可自動完成由工頻運行狀態(tài)切換至變頻運行狀態(tài)。

3.2 高壓變頻器功率單元的旁通

當(dāng)高壓變頻器某一個功率單元出現(xiàn)故障且在允許旁通的情況之下，高壓變頻器可以在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)故障功率單元的旁通，并保持輸出電壓波形的完整。

3.3 高壓變頻器瞬時停電再起動

當(dāng)火電廠高壓母線電壓暫降（相同母線上多臺高壓輔機電動機同時啟動、電網(wǎng)電壓波動造成的高壓母線電壓降低等）時，高壓變頻器停止輸出，當(dāng)電源電壓恢復(fù)時（停電時間一般在3～10秒之間），高壓變頻器從檢測到的電機轉(zhuǎn)速開始驅(qū)動電動機回到原來運行的工況。

3.4 高壓變頻器控制電源的冗余配置

為了保證火電廠高壓變頻器的安全可靠運行，其控制電源應(yīng)采用冗余化配置。一方面，高壓變頻器可以配備獨立的UPS裝置，當(dāng)高壓變頻器控制電源失電后，可以由UPS裝置為控制系統(tǒng)供電；另一方面，高壓變頻器可以配備雙路控制電源的切換功能（通常為一路交流、一路直流），當(dāng)一路控制電源失電時，高壓變頻器可以無擾動的切換至另一路控制電源為控制系統(tǒng)供電。

3.5 高壓變頻器的遠(yuǎn)方監(jiān)控

高壓變頻器應(yīng)將自身的開關(guān)量（通常為硬接點，如開關(guān)狀態(tài)、變頻器運行信號、故障信號等）、模擬量（通常為4～20mA量，如給定頻率、運行頻率、變頻運行電流、工頻運行電流等）送至DCS系統(tǒng)進行遠(yuǎn)方監(jiān)控，同時DCS系統(tǒng)的控制命令也送至高壓變頻器，以便于高壓變頻器遠(yuǎn)方監(jiān)視、調(diào)節(jié)、操作及故障分析等。

4 火電廠高壓變頻器常見故障及原因分析

（1）功率單元過壓。主要原因有功率單元輸入電壓偏高、被其它功率單元充電、控制板過壓檢測功能異常、高壓變頻器降速時間設(shè)置過短。

（2）功率單元輸入缺相。主要原因有移相變壓器對應(yīng)繞組異常、熔斷器損壞、控制板檢測線異常、控制板缺相檢測功能異常。

（3）功率單元過熱。主要原因有單元柜散熱風(fēng)機異常、單元柜濾網(wǎng)堵塞、溫度開關(guān)損壞或誤動作、溫度開關(guān)連接線異常、功率單元控制板過熱檢測功能異常。

（4）功率單元驅(qū)動故障。主要原因有IGBT損壞、IGBT短路、驅(qū)動板損壞、驅(qū)動板失電、驅(qū)動板與控制板連接線異常、控制板檢測故障。

（5）高壓變頻器輸出過流。主要原因有電纜絕緣異常、高壓電機絕緣異常或機械異常、負(fù)載存在堵轉(zhuǎn)或機械損傷、高壓變頻器過流參數(shù)設(shè)定異常、移相變壓器波形異常、移相變壓器絕緣異常、霍爾元件損壞、高壓變頻器主板電流檢測異常。

（6）高壓變頻器輸出過載。主要原因有高壓電機堵轉(zhuǎn)或負(fù)載超載運行、高壓電機異常、高壓變頻器過載參數(shù)設(shè)定異常、高壓變頻器輸出電壓波形異常、霍爾元件損壞、高壓變頻器主板電流檢測異常。

（7）高壓變頻器瞬停失敗。主要原因有高壓變頻器輸入變壓器信號異常、輸入變壓器信號連接線異常、主板電壓檢測功能異常、電機自由旋轉(zhuǎn)停機時間過短。

5 火電廠高壓變頻器故障案例分析與探討

（1）2014年2月27日，#6脫硫增壓風(fēng)機變頻器停運切工頻運行。就地檢查變頻器A1、B1、C1三個功率單元均存在不同程度的燒損，其中A1功率單元損壞最為嚴(yán)重，電解電容、輸入熔斷器、整流橋、單元控制板和驅(qū)動板均嚴(yán)重?zé)龘p，B1功率單元輸入熔斷器熔斷、部分元器件被灼傷，C1功率單元控制板、驅(qū)動板被燒損。

原因分析：A1功率單元電解電容有明顯漏液的痕跡，屬于電解電容個體老化原因。當(dāng)變頻器運行時，A1功率單元電解電容損壞，導(dǎo)致輸入熔斷器通過大電流而爆裂，電解液和熔斷器里的導(dǎo)電物質(zhì)飛散， 致使B1、C1功率單元的控制元器件受到不同程度的燒損。

防范措施：更換故障損壞的功率單元，同時對其它功率單元進行修復(fù)檢測；檢測變頻器的全部控制板件、單元柜風(fēng)扇等是否正常，如有問題對其進行更換測試；定期更換功率單元內(nèi)部的電解電容。

（2）2015年4月23日23時，#6脫硫增壓風(fēng)機變頻器報單元柜風(fēng)扇故障（輕故障可繼續(xù)運行），4月24日00時，變頻器報單元旁通運行，隨后報主板重故障，變頻器停運切工頻運行。就地檢查變頻器功率單元柜風(fēng)扇熱偶已動作，查詢故障記錄，判斷為B4功率單元過熱導(dǎo)致主板重故障。

原因分析：拆解功率單元柜風(fēng)扇，其線圈內(nèi)部已燒損，風(fēng)扇停止工作后導(dǎo)致B4功率單元過熱，進而引起主板重故障切工頻。

防范措施：對功率單元柜風(fēng)扇全部進行更換；全面檢查功率單元柜各測溫元件是否正常；變頻運行時檢查風(fēng)機轉(zhuǎn)向是否正確；對變頻器功率單元柜風(fēng)扇進行全面普查，檢查更換記錄，按期更換；定期更換（清洗）功率單元柜濾網(wǎng)，以保證冷卻系統(tǒng)的性能。。

（3）2015年12月14日，8號機C凝結(jié)泵變頻器發(fā)“輕故障”告警信號，現(xiàn)場查看A4功率單元故障指示燈常亮，變頻器反復(fù)旁通運行，當(dāng)運行頻率漲至45Hz準(zhǔn)備進行變切工操作時，變頻器發(fā)重故障告警信號，同時切工頻運行，就地檢查A4功率單元已燒損。

原因分析：變頻器A4功率單元內(nèi)部板件存在異?；虬寮g連接異常，導(dǎo)致A4功率單元四只IGBT關(guān)閉，使變頻器A相其它4個功率單元對A4功率單元進行充電，致使A4功率單元直流過壓，且A4功率單元電容長期處在充放電狀態(tài)，其發(fā)熱量加大。當(dāng)8號機C凝結(jié)泵變頻器升頻準(zhǔn)備進行變切工操作時，其A4功率單元電容電壓進一步升高，漏電流變大最終發(fā)熱燒損。

防范措施：核對變頻器重要元器件的過壓、過流、過熱參數(shù)，確保重要元器件的選配滿足現(xiàn)場的實際需求；對變頻器主回路及所有電氣連接的緊固性進行全面的檢查，并通過試驗檢測功率單元的輸出電壓波形。

6 結(jié)束語

高壓變頻器在火電廠具有較好的應(yīng)用前景，火電廠對高壓變頻器可靠運行的高要求也將促進高壓變頻技術(shù)的不斷完善和發(fā)展。降低火電廠高壓變頻器的故障率，必將為降低廠用電率、提高發(fā)電機組的運行水平提供重要保證。

參考文獻：

[1]鄧星鐘.機電傳動控制（第三版）[M].華中科技大學(xué)出版社.

[2]東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司.DHVECTOL系列變頻器培訓(xùn)教程.

作者簡介：郭?。?982-），男，吉林集安人，本科，工程師，主要從事發(fā)電廠電氣繼電保護極其相關(guān)工作。