海上平臺(tái)透平發(fā)電機(jī)柴油高壓泵變頻器電容燒毀故障分析和警示

陳永強(qiáng)

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津300457)

0 引 言

透平發(fā)電機(jī)是利用機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出的裝置，是海上油田主要的電力來源。啟動(dòng)馬達(dá)是通過電驅(qū)動(dòng)的，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，用來啟動(dòng)發(fā)動(dòng)的馬達(dá)，為透平發(fā)電機(jī)啟動(dòng)期間提供運(yùn)轉(zhuǎn)至自持轉(zhuǎn)速的動(dòng)力，是透平發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件。某海上平臺(tái)運(yùn)行的A、B、C、D、F 透平發(fā)電機(jī)機(jī)組出現(xiàn)高壓泵變頻器報(bào)警及燒毀故障，影響平臺(tái)系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性及安全，故而需對(duì)該平臺(tái)透平發(fā)電機(jī)A、B、C、D、F 機(jī)組故障進(jìn)行深入分析，尋找故障原因?yàn)榻鉀Q，保證海上平臺(tái)供電安全和穩(wěn)定。

1 故障現(xiàn)象

某平臺(tái)透平發(fā)電機(jī)F 機(jī)組燃油啟動(dòng)測試過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速10%時(shí)，在線運(yùn)行的透平A、B、D 機(jī)組和備用透平C 機(jī)組LCP 報(bào)警AL_UF 2 220 fault，技術(shù)人員確認(rèn)報(bào)警并進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位時(shí)，發(fā)現(xiàn)MCC 間透平A、B、C、D、F 機(jī)組柴油高壓變頻泵VFD 報(bào)警over voltage，其中透平A、B、C、D 機(jī)組柴油高壓變頻泵VFD 出現(xiàn)冒煙狀況，立即將所有柴油泵VFD 380 V 的開關(guān)電源切斷。另，同一段母排有4 路負(fù)載開關(guān)報(bào)接地故障跳閘。透平A、B、D 運(yùn)行在gas 模式下，切斷高壓變頻泵VFD 電源未引起機(jī)組關(guān)斷。透平F 機(jī)停機(jī)，MCC 間檢查輔機(jī)設(shè)備控制開關(guān)，透平F 機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)VFD 報(bào)警over current。懷疑啟動(dòng)馬達(dá)存在大電流現(xiàn)象，現(xiàn)場檢查啟動(dòng)馬達(dá)接線，啟動(dòng)馬達(dá)電源接線箱打開發(fā)現(xiàn)2 號(hào)啟動(dòng)馬達(dá)電纜單相絕緣擊破對(duì)地放電。

柴油變頻泵VFD 燒毀后，現(xiàn)場對(duì)透平A、B、C、D 機(jī)柴油變頻泵VFD 進(jìn)行拆檢，拆檢過程中均發(fā)現(xiàn)其中一塊電路板上的4 個(gè)電容(1 500μF，400 V)已經(jīng)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(duì)上述事件的原因初步分析有以下結(jié)論：海上平臺(tái)低壓配電采用的是中性點(diǎn)不接地三相三線系統(tǒng)，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于不構(gòu)成回路，所以流過故障點(diǎn)的是由對(duì)地電容形成的容性電流，數(shù)值很小，而整個(gè)系統(tǒng)的中性點(diǎn)對(duì)地電壓發(fā)生偏移，不接地相的對(duì)地電壓也會(huì)升高，接近或等于線電壓380 V。當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)故障點(diǎn)產(chǎn)生間歇性電弧時(shí)，在一定條件下，產(chǎn)生串聯(lián)諧振過電壓，其值可達(dá)相電壓的2.5～3 倍。根據(jù)現(xiàn)場啟動(dòng)馬達(dá)電源接線盒端蓋上兩處電擊痕跡判斷，現(xiàn)場發(fā)生間歇性電弧放電，產(chǎn)生瞬間高電壓，該高電壓在整個(gè)系統(tǒng)中會(huì)在絕緣薄弱點(diǎn)進(jìn)行擊穿。透平啟動(dòng)馬達(dá)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(tǒng)，產(chǎn)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(shí)超過400 V并被擊穿。

2.2 深度分析

以上分析有幾個(gè)地方被忽視：

①以現(xiàn)場啟動(dòng)馬達(dá)電源接線盒端蓋上2 處電擊痕跡判斷，現(xiàn)場發(fā)生間歇性電弧放電是不錯(cuò)，但這并非是電力系統(tǒng)直接接地，中間還隔著變頻器，不會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生那么大的影響，造成母排電壓劇烈波動(dòng)。

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

③同一段母排有4 路負(fù)載開關(guān)報(bào)接地故障跳閘，這4 路設(shè)備沒有出現(xiàn)接地為何同時(shí)報(bào)接地故障跳閘，母排電壓波動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生負(fù)載開關(guān)接地故障跳閘。

④透平F 機(jī)2 號(hào)啟動(dòng)馬達(dá)電纜單相絕緣會(huì)如此快的被擊穿(透平F 機(jī)還處于調(diào)試階段，啟動(dòng)次數(shù)很少)，因此排除這個(gè)可能性。

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

從以上5 點(diǎn)分析，初步分析的結(jié)論是不能成立的，通過透平歷史記錄來看也驗(yàn)證了這個(gè)質(zhì)疑。從表1 可以看出，透平A 啟動(dòng)變頻器VFD430 和柴油高壓變頻器VFD443 同處LC 段400 V 盤，在故障發(fā)生前后都處于未運(yùn)行狀態(tài)，但柴油高壓變頻器VFD443 的DC 母線出現(xiàn)了劇烈的電壓波動(dòng)，波動(dòng)幅度超過200 V，最高超過800 V，持續(xù)2 min，柴油高壓變頻器電容就是在這段時(shí)間被擊穿的。

表1 透平A機(jī)變頻器數(shù)據(jù)記錄Tab.1 Data recording of converter of turbine A machine

而此時(shí)透平A 啟動(dòng)變頻器VFD430 的DC 母線沒有出現(xiàn)劇烈的電壓波動(dòng)，波動(dòng)幅度僅約20 V。在其他透平的啟動(dòng)變頻器和柴油高壓變頻器也出現(xiàn)了相同的現(xiàn)象。

上述現(xiàn)象先不論原因，可以得出的結(jié)論是LC 段400 V 盤沒有出現(xiàn)較大的電壓波動(dòng)。而柴油高壓變頻器VFD 電容(1 500μF，400 V)也確實(shí)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(gè)方面：①逆變器直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高dv/dt 的共模電壓，并由此產(chǎn)生軸承電流和共模漏電流以及嚴(yán)重的電磁干擾(EMI)。特別是變頻器輸出到電動(dòng)機(jī)電纜不規(guī)范(如未使用帶屏蔽層的電纜或電纜過長)會(huì)加劇共模電壓時(shí)，由于電纜中分布參數(shù)的影響，會(huì)在電機(jī)端產(chǎn)生電壓反射現(xiàn)象，從而在電機(jī)端產(chǎn)生2 倍以上的過電壓，導(dǎo)致絕緣失效；②變頻器輸出的共模電壓在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上感應(yīng)軸電流，使電機(jī)軸承在短期內(nèi)損壞(圖1)。

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

現(xiàn)場透平F 的啟動(dòng)馬達(dá)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(nèi)。

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

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，MOVs 和共模電容接地時(shí)，能夠傳導(dǎo)高頻共模電壓(零序電壓)和漏電流至變頻器DC 母線，會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)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(jié)論及警示

經(jīng)檢查透平A、B、C、D 機(jī)柴油高壓變頻泵VFD的共模電容接地跳線均未摘除。

結(jié)合上述分析可以確定故障的原因：在透平F的啟動(dòng)馬達(dá)變頻器運(yùn)行中，啟動(dòng)馬達(dá)接線端產(chǎn)生了較高的共模電壓(零序電壓)，由于使用的電纜不規(guī)范、電纜較長及啟動(dòng)馬達(dá)接線質(zhì)量等原因，共模電壓將電纜接頭的絕緣擊穿，導(dǎo)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(dǎo)高頻接地故障電壓和接地故障電流，導(dǎo)致變頻器內(nèi)部直流母線過壓，接地故障時(shí)間持續(xù)了2 min，使電容損壞。

因此結(jié)合我們?nèi)粘５暮Ｉ舷到y(tǒng)的維護(hù)、安裝及檢修，應(yīng)當(dāng)更多地注意海上平臺(tái)供電系統(tǒng)的特殊性，及設(shè)備在特殊供電系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)的情況，以防止類似設(shè)備問題發(fā)生，以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性及設(shè)備的安全性，降低設(shè)備的故障率。