天然氣壓縮機組變頻器功率單元故障處理

楊麗茹，劉 清，馬 駿

（1.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司輸氣管理處，四川成都 610213；2.中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，四川成都 610100）

0 引言

高壓變頻調(diào)速裝置（簡稱高壓變頻器）是通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)，利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。隨著離心式天然氣壓縮機組國產(chǎn)化發(fā)展，大功率高壓變頻器作為電機調(diào)速裝置與電機配套，為離心式天然氣壓縮機組提供節(jié)能高效的動力。但實際運用中也時常發(fā)生一些故障，需要在判斷分析故障現(xiàn)象基礎上，不斷完善高壓大功率變頻器的配置和相關配件標準，以達到穩(wěn)定可靠的調(diào)速功能，滿足用戶需要。以TL 站電驅離心式天然氣壓縮機機組投運過程中發(fā)生的兩起變頻器故障為例，在分析處理故障后，提出改進意見并實施，達到有效消除故障、提高運行平穩(wěn)度和可靠性的良好效果。

TL 站共有3 臺壓縮機組，采用電壓源型Innovert10/6-8600ALO 變頻器，前端配置ZTS-9800/10 整流變壓器。通過變頻器內(nèi)整流單元，將三相交流電壓變?yōu)橹绷麟?，通過電容器保持直流電壓穩(wěn)定，直流母線電壓通過IGBT 逆變單元向電機輸出電能。逆變單元采用PWM 逆變控制，達到“交—直—交”變頻，實現(xiàn)不同頻率和電壓的輸出到電機定子繞組，對額定功率8.5 kW、YZKS710-4 型三相異步電機進行調(diào)速。從而帶動離心式壓縮機PlLC405 對天然氣進行壓縮、增壓，達到加壓后上載國家管網(wǎng)的目的。變頻器調(diào)速裝置結構如圖1 所示。

圖1 變頻器調(diào)速裝置結構

1 故障現(xiàn)象

TL 站2 號離心式天然氣壓縮機組2020 年9 月29日11 點39 分，第二次開機帶空載電機啟動時，變頻器功率單元發(fā)生炸裂故障。一個功率單元C2 板底部的4 個IGBT 全部炸裂，底部復合銅排變形。IGBT 模塊引腳端子全部與模塊底部基板脫離，頂部吸收電容位置處類似有短路燒熔痕跡，2個連接吸收電容的導電柱已經(jīng)燒熔，電機還未開始轉動。

1 號離心式天然氣壓縮機組天然氣進氣正常運行24 h 后，停機10 天。2020 年10 月25 日13 點46 分，啟機時高壓變頻單元發(fā)生炸裂停機故障。檢查發(fā)現(xiàn)B2、C2 單元頂部炸裂，B2 單元的一個吸收電容已被炸飛，不見痕跡。

2 故障分析與處理

2.1 確定分析方向

通過查閱報警記錄、了解現(xiàn)場情況、測量等方法分析，采用排除法，排除模塊過溫、電機剩磁電壓高、電阻損壞導致IGBT直通、功率單元濕度高和機械應力損壞等5 種故障原因。

（1）功率單元均在啟動瞬間損壞，可以排除模塊過溫導致?lián)p壞的可能。

（2）變頻器PLC 控制面板日志中沒有出現(xiàn)個別單元母線過壓故障。急停過程中，若電機定子有剩磁電壓，產(chǎn)生很高反電勢，則會造成多個功率單元損壞。因僅有1 個功率單元損壞，可排除電機定子線圈有一定剩磁電壓的可能。

（3）測量故障單元的的電阻，均正常。功率單元控制板電路，硬件上下管互鎖，軟件也有互鎖機制，邏輯信號驅動錯誤概率幾乎沒有?？膳懦C后均壓電阻不良損壞，使得控制邏輯出現(xiàn)混亂導致IGBT 直通的可能。

（4）咨詢現(xiàn)場工作人員得知，柜內(nèi)加熱器和空調(diào)始終打開。柜內(nèi)檢查確認水冷接頭無漏水，散熱器以及母排絕緣良好，柜內(nèi)濕度正常。排除功率單元濕度偏高導致絕緣距離不夠引起打火短路。

（5）根據(jù)工程經(jīng)驗，IGBT 端子受外力影響一般是在運行一段時間后模塊發(fā)熱導致短路爆炸。在啟動過程中模塊為冷態(tài)，基本排除IGBT 端子受機械應力導致內(nèi)部絕緣距離不夠引起短路爆炸的可能。

綜上，確定分析方向為兩點：一是分析底部IGBT 爆炸原因；二是分析吸收電容鼓包炸飛的原因。

2.2 具體分析方法

首先，將IGBT 郵寄回廠家，要求IGBT 廠家提供分析報告。廠家分析報告顯示所有的IGBT 和大多數(shù)的二極管嚴重燒傷，4個樣品都有電弧。廠家結論是電弧來自于CE 端子短路，非IGBT 本身質量問題。

其次，將3 只吸收電容送回廠家進行性能測試和解剖分析。電容器廠家解剖發(fā)現(xiàn)，3 只產(chǎn)品的薄膜均無自愈點，可確認不是耐壓不良導致的失效。確定原因是脈沖電流較大（遠超過額定值），引起端面發(fā)熱，使得薄膜收縮變形，導致膜與噴金層之間接觸不良，產(chǎn)生爬電，最終造成耐壓擊穿失效，確定非電容本身質量問題。

最后，使用示波器現(xiàn)場測試波形。啟動時，示波器顯示峰值電流Ipeak達2500 A。查閱系統(tǒng)配置說明書，發(fā)現(xiàn)此次變頻器功率單元選配的吸收電容參數(shù)中Ipeak為850 A。此次選型配備的吸收電容能承受的尖峰電流值不能滿足現(xiàn)場工況需求。

單脈沖測試波形如圖2 所示，啟動1#機組時，直流電壓2500 V，關斷電流2100 A 情況下，模塊關斷時間約為1 μs。該功率單元設計最大電壓變化率du/dt 為2500 V/μs，在啟動和特殊工況下，電壓變化率最高可達2500 V/μs。該功率單元單個電容容量C 為1 μF，則電容峰值電流Ipeak=C×du/dt，最大可達到2500 A，實際監(jiān)測最大電容峰值電流為2100 A。

圖2 單脈沖測試波形

2.3 故障結論

綜上所述，分析主要原因是特殊情況下或變頻器在啟動工況下流過吸收電容的Ipeak已大于規(guī)格書的相關指標，造成電容失效，引發(fā)功率單元故障。流過吸收電容的Ipeak過大，電容變形，導致絕緣距離縮小產(chǎn)生電弧，進而引起直流母排短路，吸收電容的導電柱熔化。吸收電容耐壓擊穿失效，可能造成模塊沒有吸收，關斷電流過大，引起CE 過壓引弧，導致IGBT 爆炸。

2.4 故障處理及改進措施

重新核算，將功率單元上1 μF 電容全部更換為單個容量為0.5 μF、承受峰值電流1500 A 的電容。在工廠做模擬實驗進行測試，在關斷電流2100 A、尖峰電壓2940 V 情況下，電容吸收尖峰電壓效果良好，可以保證IGBT 和功率單元的安全性和可靠性。電容器經(jīng)過現(xiàn)場安裝試驗，滿足現(xiàn)場工況下的可靠性需求。

調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，盡量降低啟動時電壓變化率du/dt。將隔離變壓器輸入側電壓由10.02 kV 調(diào)整至10 kV，將變頻器啟動過程第1 段加速時間由120 s 調(diào)整至180 s。

考慮到PWM 變頻驅動電機時會產(chǎn)生較高的du/dt，并由此產(chǎn)生軸電流和共模漏電流以及嚴重的電磁干擾。為進一步提升變頻器抗電磁干擾能力，在變頻器輸出端加裝電抗器。質保期內(nèi)，更換電容和增加電抗器均由廠家負責。

3 結束語

在兩起功率單元故障剖析過程中，通過排除法排除5 種故障原因，確定兩個故障原因分析方向。采用返廠解剖分析、示波器現(xiàn)場測試等方法，確定主要原因為特殊情況下或變頻器在啟動工況下流過吸收電容的Ipeak大于規(guī)格書的相關指標，造成電容失效，引發(fā)IGBT 爆炸損壞。更換電容解決故障，提出調(diào)整部分參數(shù)設置和加裝電抗器的改進措施。經(jīng)過半年運行，變頻器系統(tǒng)運行可靠、安全、穩(wěn)定。因此，在離心式天然氣壓縮機組配備大功率變頻器的設計中，應結合現(xiàn)場工況選擇配置參數(shù)適應的各種元器件。在天然氣壓縮機組運行故障處理中，應重視排除法及示波器現(xiàn)場測試法等分析方法。