高壓變頻系統(tǒng)劣化分析及治理方法

郎貴明，田文樹，李 燕

(1.河北省滄州華潤熱電有限公司，河北省滄州市渤海西路6號 061001；2.國網(wǎng)石家莊供電公司，河北省石家莊市紅旗大街路66號 050000；3.河北水利電力學院電氣工程學院，河北省滄州市重慶路1號 061001)

隨著電力行業(yè)改革的不斷發(fā)展與深化，電力企業(yè)逐步由生產(chǎn)型向經(jīng)營型轉(zhuǎn)變；加之近些年來煤價高企、節(jié)能減排壓力增大，迫使電力企業(yè)由高耗能企業(yè)向節(jié)約型企業(yè)發(fā)展，因此高壓變頻系統(tǒng)在電力企業(yè)得以大量應(yīng)用[1]。高壓變頻系統(tǒng)的構(gòu)成除移向變、刀閘、風扇、母排、構(gòu)架、線纜外，其余大部分為電子器件，其中大量板件如控制電源板、主控板、信號模擬板、二次電源板，尤其是功率模塊驅(qū)動板受變頻系統(tǒng)所在位置溫度、粉塵、濕度及板件上電容等元件的壽命影響較大。功率模塊驅(qū)動板數(shù)量較多，又是核心元件，一旦發(fā)生故障，會導致輔機停運。隨著高壓變頻系統(tǒng)運行時間的逐年增加，其元器件劣化故障導致的重要輔機跳閘成爆發(fā)式增長，嚴重影響著發(fā)電機組的安全及穩(wěn)定運行[2-3]。

1 高壓變頻系統(tǒng)劣化周期分析

某項目公司積極響應(yīng)節(jié)能減排要求，自2009年9月對1A/1B凝結(jié)水泵電機實施變頻(一拖二)節(jié)能改造以來，逐步完成了#1機組1A/1B一次風機電機、1A/1B凝結(jié)水泵(一拖二)電機、1C凝結(jié)水泵電機，#2機組2A/2B一次風機電機、2A/2B凝結(jié)水泵(一拖二)電機、2C凝結(jié)水泵電機變頻節(jié)能改造，至2014年7月全廠4臺一次風機、6臺凝結(jié)水泵全部改造完成。重要輔機變頻改造的完成，對電機使用效率的提高、廠用電率的降低、節(jié)能減排的效果明顯。配置與投運時間見表1所示。

表1 高壓變頻系統(tǒng)配置表

續(xù)表

自2014年2月6日起，現(xiàn)役8臺高壓變頻器頻繁出現(xiàn)因功率模塊故障導致的變頻器PLC急停出口，一次風機、凝結(jié)水泵跳閘，致使機組被迫降負荷，一次風機、凝結(jié)水泵失備。至2016年底，因功率模塊故障導致凝結(jié)水泵電機跳閘7次，導致一次風機跳閘機組被迫降負荷2次(一但機組控制出現(xiàn)問題，將導致發(fā)電機組停運)，直接及間接經(jīng)濟損失共計42.64萬元。就該項目公司而言，功率模塊故障導致變頻系統(tǒng)故障停運是其根本原因，需要首先考慮并加以治理，見表2。

表2 高壓變頻系統(tǒng)故障匯總表

1.1 凝結(jié)水泵高壓變頻系統(tǒng)功率模塊劣化分析

項目公司#1機組1A/1B凝結(jié)水泵電機(1拖2)、#2機組2A/2B凝結(jié)水泵電機(1拖2)高壓變頻系統(tǒng)共2臺，采用三相五級設(shè)計，每臺15個功率模塊，共計30個700/060II型功率模塊。以15個功率模塊為一組，參照項目公司凝結(jié)水泵變頻系統(tǒng)功故障出現(xiàn)情況，可以看出其穩(wěn)定周期，見圖1。

由圖1可以看出：

(1)在項目公司凝泵高壓變頻系統(tǒng)運行環(huán)境優(yōu)良(設(shè)有獨立變頻器室、獨立空調(diào)；每月定期更換防塵濾網(wǎng)；每年定期對變頻系統(tǒng)進行除塵與控制回路檢查)、運行期間負載未出現(xiàn)嚴重過流、不平衡、電動機繞組對地短路組內(nèi)部短路、負載機械卡澀等情況下，若不考慮凝結(jié)水泵變頻系統(tǒng)700/060II型功率模塊制造質(zhì)量因素，該型號功率模塊可無故障穩(wěn)定運行4年。

(2)該型號功率模塊穩(wěn)定運行4年后，開始出現(xiàn)故障損壞現(xiàn)象并呈上升趨勢。1A/1B凝泵變頻15個功率模塊較2A/2B凝泵變頻15個功率模塊投運時間早，出現(xiàn)故障時間亦較早且兩組模塊損壞累計值趨勢相差不大，可判斷凝結(jié)水泵變頻系統(tǒng)功率模塊穩(wěn)定運行4年后模塊內(nèi)部易損件會逐步出現(xiàn)劣化損壞。

(3)前4年可不必考慮功率模塊劣化損壞情況，考慮到功率模塊較多且內(nèi)部元器件生產(chǎn)質(zhì)量問題，若確保兩套高壓變頻系統(tǒng)穩(wěn)定運行可購買一個功率模塊做備用；1C/2C凝結(jié)水泵運行時間較短，暫無需考慮模塊劣化問題，保留一塊備件即可。

以項目公司兩套凝結(jié)水泵高壓變頻器功率模塊(共計30塊)為基數(shù)，參照項目公司凝結(jié)水泵高壓變頻系統(tǒng)功率模塊故障出現(xiàn)情況，針對每年損壞模塊數(shù)量進行劣化分析及初步預測如圖2所示。

圖1 凝結(jié)水泵電機變頻系統(tǒng)穩(wěn)定周期趨勢圖

圖2 凝結(jié)水泵電機變頻系統(tǒng)劣化趨勢圖Fig.2 Deterioration trend diagram of frequency conversion system of condensate pump motor

由圖2可以看出：

(1)改造前該型號功率模塊實際運行6年半，第5年開始出現(xiàn)模塊故障損壞情況實際損壞2塊，第6年損壞3塊，第7年(到目前為止已運行6年5個月實際損壞2塊，由于下半年度過夏季溫度、濕度較高，模塊損壞概率較上半年大，保守估計下半年損壞2塊)估測損壞4塊，那么可看出項目公司該型號模塊每年損壞數(shù)量呈線性關(guān)系(黑色包絡(luò)線)?？晒罍y第8年會損壞5塊、第9年6塊或以上(不考慮更換維修件或備件情況，按照模塊整體劣化情況，應(yīng)高于6塊)。

(2)項目公司模塊運行前4年無故障發(fā)生，可稱為第1階段(穩(wěn)定運行階段)；從第5年開始模塊內(nèi)部易損件開始損壞如電源板、脈沖板可稱為第二階段(易損件線性損壞階段)；第三階段模塊內(nèi)部除易損件劣化損壞以外，模塊硬件如功率單元IGBT、電容出現(xiàn)劣化損壞過程將與第二階段故障線性增長出現(xiàn)疊加，可判斷模塊年度損壞數(shù)量上并不是線性的，而是一個非線性曲線增長過程(綠色曲線)可稱之為第三階段(故障爆發(fā)性增長階段)。項目公司功率模塊劣化過程正處于第二階段末期，即將步入第3個階段，從項目公司安全性、經(jīng)濟性考量是不能接受的。

(3)從凝結(jié)水泵電機變頻系統(tǒng)劣化趨勢來看，廠家將模塊壽命定為6年處于第2階段，對于用戶來說若在第二階段更換功率模塊，可有效避免因功率模塊故障造成的高壓變頻系統(tǒng)調(diào)停，但投入較大，且其他劣化電子元器件并不能得到有效治理。

1.2 一次風機高壓變頻系統(tǒng)功率模塊劣化分析

項目公司1A/1B一次風機、2A/2B一次風機高壓變頻系統(tǒng)共4臺，三相五級設(shè)計共計60個功率模塊。由于項目一次風機高壓變頻系統(tǒng)投運時間較晚，目前只出現(xiàn)過兩次跳閘現(xiàn)象，亦全部為功率模塊故障導致。高壓變頻系統(tǒng)功率模塊原理是一致的(逆變、濾波、整流)，由于原理一致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也大致相同(電源板、控制板、脈沖板、功率單元、電容等)。由于國內(nèi)各廠家生產(chǎn)功率模塊配組的元件器件型號、批次不同會造成模塊使用壽命略有不同，但從項目公司目前出現(xiàn)的故障情況來看，其劣化趨勢是相同的，那么同樣符合劣化的三個階段。

1A/1B一次風機、2A/2B一次風機功率模塊已進入易損件線性損壞階段，考慮到一次風機系統(tǒng)重要性與機組穩(wěn)定性，也應(yīng)及時對1A/1B一次風機、2A/2B一次風機高壓變頻系統(tǒng)制定有效、可行的定治理方案，確保一次風機系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

2 高壓變頻系統(tǒng)劣化治理

2.1 劣化治理方案優(yōu)選

項目公司每臺機組配置兩臺一次風機、三臺凝結(jié)水泵以保持發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行，一次風機或凝結(jié)水泵的突然跳停對鍋爐穩(wěn)燃造及除氧器凝補水造成巨大威脅，從設(shè)備可靠性、投資與回報出發(fā)，綜合考慮技術(shù)功能可否實現(xiàn)與實際應(yīng)用情況，對五套方案分析如下。

方案一：功率模塊內(nèi)部易損件更換。即對功率模塊內(nèi)部易損件進行更換。該方案投入最低，但局限性較大，改造后高壓變頻系統(tǒng)雖能解決現(xiàn)有故障，但長遠來講，變頻系統(tǒng)電子元件劣化情況無法得到根本改善。

方案二：工頻自動旁路功能的實現(xiàn)。新建擴建火電企業(yè)高壓變頻系統(tǒng)配置旁路功能較為合適，可整體增加系統(tǒng)可靠性，但對于項目公司高壓變頻系統(tǒng)現(xiàn)狀而言，仍需對高壓變頻器劣化情況進行治理。

方案三：功率模塊全工況旁路功能的實現(xiàn)。項目公司一次風機與凝泵高壓變頻系統(tǒng)配置的功率模塊不具備全工況旁路功能，其對功率模塊通訊故障、驅(qū)動板故障、模塊電源單元故障無法旁路。與變頻系統(tǒng)廠家研發(fā)人員、技術(shù)人員進行了交流，是否可對功率模塊內(nèi)旁路功能板件或旁路接觸器控制板件與功率模塊分離，實現(xiàn)集中控制以降低故障率。經(jīng)研發(fā)人員討論，綜合考慮控制方式的實現(xiàn)以及改進后存在的不可控風險，不能實現(xiàn)對功率模塊旁路功能的改進。

方案四：中性點漂移技術(shù)在一次風機系統(tǒng)中的實現(xiàn)。西門子高壓變頻系統(tǒng)具有獨立功率模塊旁路功能，功率模塊旁路系統(tǒng)包括每個功率單元一個旁路接觸器(接觸器電源獨立取主控系統(tǒng)電源)、一個接觸器控制板以及主控系統(tǒng)與接觸器控制板之間的光纖連接，完全實現(xiàn)旁路功能與功率模塊的全部分離。一但功率單元發(fā)生故障并被旁路，系統(tǒng)控制自動進行補償(中性點漂移為羅賓康專利技術(shù))以保證電機電壓平衡。以一臺一次風機電機(功率1 400 kW)為例，若使用西門子高壓變頻系統(tǒng)成本估算約為120萬元，安全性最高，從性價比來看投資太大。

方案五：整體更換變頻系統(tǒng)易損件并對系統(tǒng)檢測、升級。對高壓變頻系統(tǒng)功率模塊驅(qū)動板進行更換；對功率模塊內(nèi)部整流橋回路、晶閘管回路、IGBT回路、電容回路進行測試，對性能存在異常的元件予以更換；對高壓變頻系統(tǒng)控制器電源板、模擬板、信號預處理板、二次電源板進行預防性更換，原電路板件做現(xiàn)場應(yīng)急備件使用；升級現(xiàn)有主控程序，增強系統(tǒng)軟件抗干擾能力和系統(tǒng)兼容性；檢查UPS及柜頂風機性能，對超壽命部件進行更換。

綜上，治理方案五可最大程度消除因高壓變頻系統(tǒng)長期運行電子元器件劣化導致的故障現(xiàn)象，且劣化元件更換后對變頻系統(tǒng)整體進行測試與性能試驗、更換超壽命部件、升級控制系統(tǒng)，性價比高，能夠最大程度確保變頻系統(tǒng)可靠性。

2.2 劣化治理步序

(1)拆除功率模塊，更換功率模塊驅(qū)動板，將更換完驅(qū)動板后的功率模塊返廠檢測。

(2)檢測及更換變頻系統(tǒng)UPS、散熱風機、控制器電源板、二次電源板、模擬板、信號預處理板。

(3)對變頻器系統(tǒng)清灰、外觀檢查、接線緊固，做移相變壓器耐壓及直阻試驗。

(4)模塊返廠后，對其內(nèi)部進行清理，對單元內(nèi)部整流橋回路、晶閘管回路、IGBT回路、電容回路、旁路回路進行測試；對性能存在異常的元件予以更換；對整體單元進行相關(guān)性能測試、老化試驗、空載試驗、滿載試驗等出廠試驗，并出具試驗報告。

(5)待功率模塊返回后，恢復高壓變頻系統(tǒng)內(nèi)部所有接線，升級主控程序，對設(shè)備進行低壓調(diào)試及單元功能測試。

(6)單體調(diào)試完成后，進行外部輸入及輸出信號傳動，確?；芈方泳€及模擬量信號正確。

(7)對變頻系統(tǒng)做高壓帶載調(diào)試。

(8)投運觀察，確保高壓變頻系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

3 治理后的運行效果

該項目公司現(xiàn)役8臺高壓變頻系統(tǒng)在運行6年后相繼進行了劣化治理，現(xiàn)運行已滿2年，未出現(xiàn)因功率模塊故障導致的高壓變頻系統(tǒng)跳閘情況，亦未出現(xiàn)因其他電子元件劣化而導致的變頻系統(tǒng)故障現(xiàn)象，各項運行參數(shù)良好，達到了預期的治理效果。

4 結(jié)束語

文中以某發(fā)電企業(yè)高壓變頻系統(tǒng)故障情況為例，較為詳細的闡述了該企業(yè)高壓變頻系統(tǒng)的劣化趨勢，并依據(jù)實際情況優(yōu)選了治理方案，同時，對該治理方案實際操作步序進行了的描述。該案例較好的把握了變頻系統(tǒng)的劣化周期，在原有變頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上精準發(fā)力，最大程度的保留了耐受部件，提高了原有部件的利用率、縮短了治理時間，性價比較高。該方案的成功實施為運行時間較長且高壓變頻系統(tǒng)故障頻發(fā)的火電企業(yè)提供了一套簡單、有效的治理方法，具有較好的借鑒意義。