一起高壓變頻器故障跳閘引發(fā)的思考

劉 杰

（山西京玉發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 037000）

0 引言

高壓變頻調(diào)速技術(shù)具備突出的調(diào)速、啟動和制動性能，較高的功率因數(shù)和較好的節(jié)能效果，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。發(fā)電廠對高壓變頻設(shè)備的可靠性要求非常高，要求設(shè)備故障后能夠迅速排除故障，恢復(fù)運(yùn)行，但變頻器自身故障往往不容易排查，導(dǎo)致故障處理時間較長，對發(fā)電廠連續(xù)生產(chǎn)有一定的影響。

1 故障變頻器基本情況

某發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)4 號漿液循環(huán)泵使用6 kV高壓變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速功能。變頻器型號為廣州智光電氣股份有限公司生產(chǎn)的ZINVERT-A5H-10000/06B，額定容量1 000 kVA，額定輸入電壓6 kV，漿液循環(huán)泵電機(jī)功率810 kW。變頻器電源取自電廠6 kV 母線電源段。6 kV 電源開關(guān)處配置1 套北京四方公司生產(chǎn)的CSC-237A 數(shù)字電動機(jī)保護(hù)裝置，保護(hù)裝置設(shè)置變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行2 套定值，分別保護(hù)電機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)下6 kV 電源開關(guān)至變頻器內(nèi)移相變壓器之間的故障和電機(jī)工頻運(yùn)行狀態(tài)下6 kV 電源開關(guān)至電機(jī)之間的故障。變頻器輸出側(cè)配置1 套北京四方公司生產(chǎn)的CSC-236B 數(shù)字電動機(jī)變頻保護(hù)裝置，此套保護(hù)在變頻器變頻運(yùn)行時投入，工頻運(yùn)行時退出，作用是在電機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)下保護(hù)變頻器輸出端至電機(jī)之間的故障。變頻器保護(hù)由自身保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)。變頻器主接線及保護(hù)裝置配置如圖1 所示。

圖1 某電廠變頻器主接線及保護(hù)裝置配置圖

2 變頻器故障原因分析及處理

變頻器故障前，運(yùn)行電流81 A，頻率45 Hz，其他運(yùn)行參數(shù)均在正常范圍內(nèi)。2019 年11 月10 日13 時43 分變頻器跳閘，跳閘時電流無明顯增長。現(xiàn)場檢修人員進(jìn)入變頻器室發(fā)現(xiàn)變頻器控制面板和指示燈均不亮，CSC-236B 數(shù)字電動機(jī)變頻保護(hù)裝置報“過流保護(hù)”動作，故障電流二次值0.47 A（過流保護(hù)定值0.45 A，0.5 s），同時變頻器室能夠聞到燒糊味道。檢修人員打開變頻器控制柜柜門，看到變頻器外部控制電源開關(guān)QS1在合閘位置，內(nèi)部控制電源開關(guān)QS2 在分閘位置（變頻器有兩路控制電源，外部控制電源為廠用380 V 電源段供電，取W 相220 V，內(nèi)部控制電源為變頻器內(nèi)移相變壓器低壓側(cè)提供380 V 電源，取W 相220 V），用萬用表測試QS1 開關(guān)輸入側(cè)已無電壓，檢查發(fā)現(xiàn)QS1 開關(guān)的上級饋線開關(guān)脫扣跳閘。變頻器兩路控制電源如圖2 所示。

圖2 某電廠變頻器控制電源接線圖

現(xiàn)場檢修人員分析變頻器跳閘的原因一是變頻器出口側(cè)電動機(jī)變頻保護(hù)裝置（CSC-236B） 動作，可能是循環(huán)泵電機(jī)及變頻器至電機(jī)的電纜存在故障。二是變頻器外部控制電源失電，可能是變頻器控制電源故障，但變頻器高壓回路與外部控制電源回路沒有直接聯(lián)系，二者同時故障的概率是極其微小的。這就提出了為什么QS1 開關(guān)在合閘位置而上級開關(guān)卻越級跳閘了，為什么QS2開關(guān)也發(fā)生跳閘的問題。三是變頻器室能聞到燒糊味道，說明變頻室內(nèi)一定有設(shè)備發(fā)生故障。由于變頻器控制電源失電，無法查看控制面板顯示的內(nèi)容，檢修人員一時難以判斷故障是電機(jī)和電纜故障還是變頻器自身故障。

現(xiàn)場檢修人員進(jìn)行商議后，決定先查看變頻器6 kV 電源開關(guān)側(cè)和輸出側(cè)保護(hù)裝置動作記錄。檢查6 kV 電源開關(guān)側(cè)保護(hù)（CSC-237A）無任何故障記錄，只有變頻器輸出側(cè)保護(hù)裝置（CSC-236B） 在2019 年 11 月 10 日 13 時 43 分 45 秒時報“過流保護(hù)”動作。檢查變頻器外部控制電源回路，上級380 V 配電段饋線開關(guān)脫扣跳閘，斷開變頻器控制柜內(nèi)QS1 開關(guān)，用絕緣電阻表測試饋線開關(guān)至QS1開關(guān)之間電纜絕緣，回路對地及相間絕緣正常，查看變頻器圖紙，發(fā)現(xiàn)變頻器控制回路并聯(lián)兩路負(fù)載，一路為變頻器控制電源，另一路為變頻器柜頂散熱風(fēng)機(jī)電源（變頻器柜頂有兩個散熱風(fēng)機(jī)，目的是給變頻器功率模塊散熱）[1]。用絕緣電阻表檢測風(fēng)機(jī)回路絕緣，發(fā)現(xiàn)對地絕緣為零，風(fēng)機(jī)回路有接地故障！拆掉故障風(fēng)機(jī)電源的接線，測試其他回路絕緣均正常。變頻器散熱風(fēng)機(jī)接線如圖3 所示。

恢復(fù)外部控制電源回路供電，變頻器控制面板和指示燈正常顯示。查看變頻器故障記錄，發(fā)現(xiàn) 2019 年 11 月 10 日 13 時 43 分 46 秒變頻器報“高壓未帶電警告”，故障類型為“外部故障信號停機(jī)”，說明變頻器未檢測到自身故障[2]。

圖3 某電廠變頻器散熱風(fēng)機(jī)接線圖

根據(jù)變頻器控制面板顯示信息初步分析判斷，由于變頻器散熱風(fēng)機(jī)接地故障，導(dǎo)致變頻器外部控制電源的上級饋線電源開關(guān)跳閘，變頻器內(nèi)QS1 開關(guān)未跳閘是因為普通空氣開關(guān)不具備接地故障瞬時跳閘功能，上級饋線開關(guān)有單獨(dú)的接地保護(hù)，風(fēng)機(jī)電機(jī)發(fā)生接地故障后越級跳上級開關(guān)。變頻器正常運(yùn)行時，兩路控制電源開關(guān)QS1、QS2均在合閘位置。圖2 中切換繼電器KA70 線圈得電吸合，常開接點(diǎn)閉合，常閉接點(diǎn)打開，用戶380 V 交流電源（外部控制電源） 導(dǎo)通，變頻器控制電源由外部控制電源提供，此電源故障后，切換繼電器KA70 線圈失電釋放，常開接點(diǎn)斷開，常閉接點(diǎn)閉合，系統(tǒng)變壓器電源（內(nèi)部控制電源）導(dǎo)通，變頻器控制電源切換為內(nèi)部控制電源供電。由于控制回路串聯(lián)了UPS 電源裝置，可以使兩路控制電源切換過程中變頻器控制系統(tǒng)不失電，保證變頻器連續(xù)運(yùn)行。

變頻器散熱風(fēng)機(jī)電機(jī)發(fā)生接地故障后，QS1開關(guān)的上級電源開關(guān)跳閘，外部控制電源失電，切換繼電器將變頻器控制電源切換為內(nèi)部控制電源，由于風(fēng)機(jī)回路仍存在接地故障，故障存在一定時間后內(nèi)部控制電源QS2 開關(guān)跳閘（主要是故障一定時間后QS2 開關(guān)過流跳閘），控制電源徹底失電，導(dǎo)致變頻器跳閘，并連跳6 kV 側(cè)電源開關(guān)。變頻器跳閘后，輸出側(cè)電壓則跟著下降，循環(huán)泵電機(jī)惰行，電機(jī)定子電流隨著下降，轉(zhuǎn)子電流逐漸衰減。由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)子逐漸減速，轉(zhuǎn)子電流磁場在定子繞組中產(chǎn)生反向感應(yīng)電勢，形成反饋電壓，致使電動機(jī)呈異步發(fā)電機(jī)狀態(tài)，導(dǎo)致電機(jī)定子電流瞬時達(dá)到了輸出側(cè)保護(hù)裝置（CSC-236B） “過流保護(hù)”的定值，保護(hù)動作，此電流只是短期存在，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子速度降低而很快下降，直至完全消失。輸出側(cè)保護(hù)裝置動作這一故障現(xiàn)象一直在誤導(dǎo)現(xiàn)場檢修人員，增加了故障判斷的難度。

檢修人員檢查散熱風(fēng)機(jī)電機(jī)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)線圈燒損，這就是變頻間有燒糊味道的原因，更換新的風(fēng)機(jī)電機(jī)，測試循環(huán)泵電機(jī)和電纜絕緣正常，變頻器重新啟動，啟動后運(yùn)行參數(shù)正常。

3 變頻器跳閘引發(fā)的思考

通過此次變頻故障跳閘事件，可以看出智光變頻器設(shè)計存在以下缺陷。

第一，變頻器控制電源與散熱風(fēng)機(jī)電源取自同一電源存在較大隱患，散熱風(fēng)機(jī)屬于長期運(yùn)行的轉(zhuǎn)動類設(shè)備，故障概率較大，二者取自同一電源，大大降低了控制電源的供電可靠性。電廠計劃在停機(jī)檢修時將風(fēng)機(jī)電源與控制電源分開，單獨(dú)從廠用配電段取風(fēng)機(jī)電源。建議廠家改進(jìn)設(shè)計，從用戶廠用配電段單獨(dú)取風(fēng)機(jī)電源，使控制電源和風(fēng)機(jī)電源相互獨(dú)立，提高設(shè)備的可靠性。

第二，變頻器控制器采集的外部信號過于簡單，比如此次故障中變頻器只報出“外部故障信號停機(jī)”，而外部控制電源失電不能單獨(dú)報警，給查找和消除故障帶來一定困難，希望廠家能把外部控制電源、內(nèi)部控制電源、風(fēng)機(jī)電源等開關(guān)的輔助接點(diǎn)分別接到變頻器控制器，當(dāng)某個回路發(fā)生故障時，變頻器能直接報出相應(yīng)故障回路，使檢修人員能夠迅速查找和排除故障，盡快恢復(fù)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行。

4 結(jié)束語

發(fā)電廠對設(shè)備可靠性要求較高，設(shè)備故障跳閘后將直接影響生產(chǎn)，尤其是脫硫脫硝等環(huán)保設(shè)備，設(shè)備故障退出運(yùn)行將直接影響環(huán)保指標(biāo)，影響電廠效益和聲譽(yù)，其重要程度不言而喻。近年來，發(fā)電廠為節(jié)能和調(diào)速大量使用變頻調(diào)速設(shè)備，但很多生產(chǎn)廠家將變頻器設(shè)計簡化，不能滿足用戶的可靠性要求。希望變頻器廠家設(shè)計人員能夠和發(fā)電廠技術(shù)人員多交流，不斷改進(jìn)和完善產(chǎn)品，并針對特殊用戶實(shí)現(xiàn)個性化定制服務(wù)，使產(chǎn)品能夠滿足各類用戶的需求。