海上平臺中壓變頻器重故障原因分析及預防

丁德勝

[摘? ? 要]某海上平臺油氣外輸系統(tǒng)中壓電機驅動系統(tǒng)選用了施耐德公司生產的中壓變頻調速驅動。中壓變頻器從2015年投運后基本沒有發(fā)生過重故障事件，但從2019年底開始陸續(xù)出現(xiàn)重故障停機事件，導致平臺混輸泵關停，從而導致油田生產關停，嚴重影響了油田的正常安全生產。文章對中壓變頻器系統(tǒng)的結構、工作原理、重故障原因分析及預防措施等進行了介紹，提出了通過定期維護降低中壓變頻器的故障率，以提高油田油氣外輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證油田的正常生產。

[關鍵詞]油氣混輸;中壓變頻器;重故障;預防

[中圖分類號]TM921.51 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）07–0–03

Cause Analysis and Prevention of Heavy Failure of?Medium Voltage Inverter on Offshore Platform

Ding De-sheng

[Abstract]The medium voltage motor drive system of an offshore platform oil and gas transportation system uses the medium voltage variable frequency drive produced by Schneider. Since the medium voltage inverter was put into operation in 2015， there has been basically no serious fault incident， but since the end of 2019， serious fault shutdown incidents have occurred successively， which caused the shutdown of the platform mixing pump， which led to the shutdown of oilfield production and seriously affected the normal operation of the oilfield. Safe Production. The basic structure， principle， cause analysis and preventive measures of major faults of the medium voltage inverter system are introduced. Regular maintenance reduces the failure rate of the medium voltage inverter， improves the stability of the oil field oil and gas transmission system， and ensures the normal production of the oil field.

[Keywords]oil-gas mixed transportation; medium voltage frequency converter; serious fault; prevention

1 ATV1200系列中壓變頻調速系統(tǒng)的結構及工作原理

1.1 變頻調速器系統(tǒng)的結構

ATV1200系列中壓變頻調速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)技術解決器件耐壓問題，多級串聯(lián)PWM信號移相后疊加，減少了輸出側諧波、降低輸出電壓的dV/dT;通過電流多重化技術減少對電網(wǎng)反饋的諧波，減小對電網(wǎng)的諧波污染;主控制器采用數(shù)字信號處理器、可編程門陣列為核心，配合數(shù)據(jù)采集單元、單元控制器和光纖通信回路以及可編程邏輯控制器（PLC）構成控制系統(tǒng)。

ATV1200系列中壓變頻調速系統(tǒng)分成必選組件及可選組件。必選組件如圖1所示。標準配置組件如下。

（1）變壓器柜。裝有移相整流變壓器，為各個功率單元提供交流輸入電壓。

（2）功率柜。裝有模塊化設計的多個功率單元級聯(lián)式的逆變主回路，向電機提供逆變后的可調電壓。

（3）控制柜。裝有主控部件，控制變頻調速系統(tǒng)的工作并處理采集獲得的數(shù)據(jù)，具備人機界面各類數(shù)據(jù)通信接口和現(xiàn)場控制系統(tǒng)接口功能。

1.2 變頻調速系統(tǒng)的工作原理

ATV1200系列中壓變頻調速系統(tǒng)的結構如圖2所示，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6.3 kV系列有18個功率單元，每6個功率單元串聯(lián)構成一相（圖中每相只畫了5個功率單元）;圖2為6.3 kV系列變頻器的典型結構圖。

輸入側由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組。根據(jù)電壓等級和單元串聯(lián)級數(shù)，一般由24、30、36、48、54脈沖系列等構成多級移相疊加的整流方式，可以大大改善網(wǎng)側的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側功率因數(shù)接近1。無需任何功率因數(shù)補償、諧波抑制裝置。

另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術。

每個功率單元結構上完全一致，可以互換（備件種類單一），其電路結構示意見圖3，為基本的交—直—交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制。

參見圖2和圖3，輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dV/dT小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于普通電機。

2 重故障原因分析

混輸泵A/B泵中壓變頻器從2015年投運至2019年底，期間沒有出現(xiàn)過變頻器重故障事件，一直運行較穩(wěn)定。但從2019年底A/B泵中壓變頻器陸續(xù)出現(xiàn)重故障停機事件，查看報警記錄均為“驅動故障/光纖故障”，更換相應的報警功率單元，故障消除，變頻器能正常運行。因此可以確定均為功率單元故障導致變頻器報“重故障”。變頻器功率單元故障的可能原因如下。

（1）用戶現(xiàn)場電網(wǎng)質量（包括電壓波動、電網(wǎng)諧波;負載波動：重載啟動、甩負載等）可能導致電網(wǎng)電壓、電流突變等情況。

（2）用戶現(xiàn)場環(huán)境存在濾網(wǎng)堵塞、風道不暢等散熱異常情況，導致設備環(huán)境溫度過高，導致功率單元電子元器件故障損壞。

（3）變頻器在停機、待機后設備受潮，導致功率單元上電子元器件受潮腐蝕損壞。

（4）功率單元電氣元器件自然老化及自身質量問題。

根據(jù)故障的可能原因逐一進行排查：

（1）對電網(wǎng)質量進行排查。使用專用測量儀器對電網(wǎng)電壓進行監(jiān)測檢測，電網(wǎng)電壓比較穩(wěn)定、電網(wǎng)諧波在允許的范圍內。同時甩開電機負載對變頻器進行空載測試，檢測功率單元的輸入及不同頻率下的輸出電壓，均正常。因此可以排除電網(wǎng)質量的問題。

（2）中壓變頻器安裝在平臺中層主配電間內，配電間內安裝有4臺10P的分體空調，使室內溫度常年保持在28℃左右，濕度常年保持在26%左右，不存在變頻器停機、待機環(huán)境潮濕設備受潮腐蝕問題。

（3）對變頻器通風散熱系統(tǒng)進行排查，變壓器柜及功率模塊柜的散熱風機均正常，但是發(fā)現(xiàn)功率柜的進風口濾網(wǎng)積塵較多，造成濾網(wǎng)堵塞，從而使功率柜通風散熱差，導致內部環(huán)境溫度過高，功率單元長時間處于高溫下運行，加速了內部電氣元器件的老化，從而縮短電氣元器件的使用壽命。檢修人員隨即對臟堵濾網(wǎng)進行了清潔，但是在濾網(wǎng)清潔后變頻器仍有重故障停機事件。由于電氣元器件的老化是不可逆現(xiàn)象，改善運行環(huán)境只能做到減緩失效發(fā)生的速度，無法避免故障的再次發(fā)生，這也解釋了為什么在清潔進風口濾網(wǎng)后，變頻器還是發(fā)生了重故障停機事件。如需徹底解決變頻器重故障事件的再次發(fā)生，需要整體更換功率單元或對內部的單元控制板、驅動板進行更換。

3 故障預防措施

從現(xiàn)場使用情況及詢問其他兄弟油田使用情況來看，施耐德ATV1200系列中壓變頻器的故障率還是比較低的，很多故障是可以通過采取一定的措施來進行預防的。

3.1 人員培訓及注意事項

（1）ATV1200系列中壓變頻器是一種技術含量較高的產品，需要對維護人員進行專業(yè)的培訓工作。預防出現(xiàn)誤操作導致設備損壞和人員傷亡事件。

（2）檢測電機及動力電纜絕緣時，需要把動力電纜和變頻器斷開連接后再測量電機或動力電纜的絕緣，否則絕緣設備的高壓會損壞變頻器。

（3）定期檢查變頻器的接地情況，對損壞或松動的接地線要及時進行修復或緊固。

（4）變頻器維護前需要斷開主電源并隔離上鎖，至少需要等待5min，待直流回路電容器充分放電后才能進行作業(yè)。

（5）變頻器調試完成后已對相關參數(shù)進行設定，在運行中不能隨意改變變頻器的設定參數(shù)，如因故障檢修等原因需改變參數(shù)設定時，需要專業(yè)技術人員來完成。

3.2 定期維護保養(yǎng)

3.2.1 變頻器積塵處理及進風口濾網(wǎng)清潔

中壓變頻器對溫度、濕度、粉塵的要求相對較高，需要根據(jù)變頻器的實際運行狀況做好變頻器的積塵處理。變頻器的絕緣間隙允許有少量干燥的塵埃，但必須避免導電性塵埃的出現(xiàn)。在變頻器維護過程中，可以選擇潔凈、干燥的布擦拭柜子的所有表面。并定期把功率單元模塊進行拆卸，使用潔凈電器清潔器對內部電路板及元器件進行深度清潔。

變頻器各柜體的濾網(wǎng)應每半個月左右清潔一次，保證功率單元的良好通風與散熱。此時間可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境情況做適當調整。

3.2.2 更換功率單元的電容板

由于電容使用壽命都有一定周期，廠家建議運行6～8年左右需要對功率單元內部電容板進行更換。油田故障功率單元模塊送回廠家進行維修檢測時，發(fā)現(xiàn)電容板電容值都有不同程度的下降，需要做好年度維修計劃更換電容板。

3.2.3 冷卻風扇的維護及更換

對于空冷型變頻器需要定期對柜體冷卻風扇進行維護保養(yǎng)，對于可維護的風機根據(jù)相關規(guī)范定期更換風機的軸承，對于免維護的風機根據(jù)維護手冊及相關規(guī)范定期更換新風機，從而保證變頻器的穩(wěn)定可靠運行。

4 結束語

油田混輸泵變頻器發(fā)生重故障停機事件后，能快速查找出故障點，并采取有效的措施進行處理，是提高設備運行效率的關鍵，更重要的是保證油田的正常安全生產，減少停產損失。這對變頻器維護人員提出了更高的要求，因此需要加強變頻器維護人員的培訓，讓他們掌握中壓變頻器的工作原理、結構及維護檢修過程中的注意事項。此外還需要為變頻器創(chuàng)造良好的運行環(huán)境，避免變頻器在高溫、高濕度及粉塵聚集的環(huán)境下運行，保證變頻器穩(wěn)定高效的運行。

參考文獻

[1] 仲明振，趙相賓高壓變頻器應用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.