某船變頻器故障原因分析

陳 明，陳 靜，孫 迪，覃登羅

（1. 海裝駐廣州地區(qū)第一軍事代表室， 廣州 510715；2. 廣州海關(guān)技術(shù)中心，廣州 511457；3.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

1 前言

交流電力推進(jìn)系統(tǒng)是當(dāng)今船舶電力推進(jìn)的主流，其形式多種多樣。某船采用兩套“交-直-交變頻器+交流同步電機(jī)”型式的交流推進(jìn)系統(tǒng)，變頻器在這種推進(jìn)系統(tǒng)中起到電力轉(zhuǎn)動(dòng)力的橋梁作用，是該電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，一旦發(fā)生故障將使船舶失去動(dòng)力。因此，如何排查并解決變頻器故障，是保障該型式推進(jìn)系統(tǒng)正常工作的重要課題。本文闡述某船電力推進(jìn)系統(tǒng)中的變頻器在某次故障中的解決過(guò)程。

2 故障現(xiàn)象

某船變頻器的主電路采用交-直-交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入為2組三相690 V 50 Hz交流電，經(jīng)過(guò)不控整流變換為直流電，再經(jīng)過(guò)逆變及輸出濾波轉(zhuǎn)化為負(fù)載所需的三相交流電。圖1所示為其逆變電路，由6組（A1、B1、C1、A2、B2、C2） 12個(gè)IGBT組成。

圖1 變頻器主電路圖

該船的電力推進(jìn)系統(tǒng)在航行試驗(yàn)過(guò)程中，在進(jìn)行雙機(jī)進(jìn)三工況轉(zhuǎn)換至雙機(jī)進(jìn)一工況試驗(yàn)時(shí)：在雙機(jī)進(jìn)一工況運(yùn)行幾分鐘后，左推進(jìn)變頻器發(fā)生異響，逆變柜下部發(fā)生聲響并從通風(fēng)口處冒出黑煙，變頻器故障停機(jī)，主推進(jìn)系統(tǒng)斷路器跳閘；在進(jìn)行單軸進(jìn)三航行工況試驗(yàn)時(shí)，右推進(jìn)變頻器逆變柜中部先后發(fā)生聲響，從通風(fēng)口處冒出黑煙，變頻器故障停機(jī)，主推進(jìn)系統(tǒng)斷路器跳閘。

故障發(fā)生后，聯(lián)合設(shè)備廠(chǎng)家進(jìn)行了故障確認(rèn)：

（1）故障前運(yùn)行參數(shù)（表1）

表1 故障前運(yùn)行參數(shù)

（2）故障信息

推進(jìn)集控臺(tái)記錄了故障停機(jī)時(shí)先后發(fā)生的故障及報(bào)警信息：

① 左變頻器：推進(jìn)斷路器異常；控制器硬件保護(hù)；逆變單元C2故障；主開(kāi)關(guān)故障。

② 右變頻器：控制器硬件保護(hù)；逆變單元B1、B2、A2故障；控制電源故障和水冷單元故障。

③ 上述左變頻器的故障信息表明：左推進(jìn)斷路器電流過(guò)大造成過(guò)流跳閘保護(hù)；而右推進(jìn)斷路器正常分?jǐn)?，無(wú)過(guò)流現(xiàn)象發(fā)生。

（3）故障損壞元件

將變頻器拆解，損壞的元件如下：

① 左變頻器：C2相IGBT損壞，部分直流支撐電容殼體破損變形，緩沖電容端受損嚴(yán)重，與緩沖電容相連接的直流母排端子燒熔；C相疊層母排損壞；其它相元件無(wú)異常，控制硬件及軟件狀態(tài)無(wú)異常。

② 右變頻器：A2相IGBT驅(qū)動(dòng)接口板掉出；B1、B2相共用逆變母排和A1、A2相共用逆變母排受損；其它相元件無(wú)異常，控制硬件及軟件狀態(tài)無(wú)異常。

3 故障原因分析

由于兩臺(tái)變頻器均發(fā)生了IGBT直通故障，因此對(duì)IGBT直通故障進(jìn)行故障樹(shù)分析，如圖2所示。

圖2 IGBT直通故障的故障樹(shù)

根據(jù)IGBT器件采購(gòu)情況合格，故原因1可排除；

根據(jù)IGBT驅(qū)動(dòng)器具備互鎖功能，設(shè)置了橋臂控制死區(qū)時(shí)間，具備防IGBT上下管直通功能，故原因2可排除；

根據(jù)集控室推進(jìn)屏儀表顯示的數(shù)據(jù)，故障前后電網(wǎng)電壓保持在690 V左右，電網(wǎng)諧波也在合理范圍之內(nèi)，故原因3可排除；

根據(jù)該系統(tǒng)已在多條船上應(yīng)用，未出現(xiàn)過(guò)IGBT直通故障的問(wèn)題，使用情況良好，故原因4可排除；

若導(dǎo)電雜質(zhì)搭接在直流正負(fù)端子之間，會(huì)形成短路電弧，電弧熄滅瞬間會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，將并聯(lián)在正負(fù)端子間的IGBT過(guò)電壓擊穿直通，從而導(dǎo)致IGBT故障損壞。

通過(guò)以上分析，可將故障原因定位在導(dǎo)電雜質(zhì)搭接在直流正負(fù)端子之間，引起IGBT直通故障。

（1）左變頻器原因分析

① 現(xiàn)場(chǎng)拆解發(fā)現(xiàn)：C2相緩沖電容的C－E管腳有燒熔現(xiàn)象，但緩沖電容內(nèi)部的電容及串聯(lián)的二極管完好，說(shuō)明故障瞬間短路電流流經(jīng)緩沖電容的外部管腳，沒(méi)有流經(jīng)緩沖電容的內(nèi)部電容，據(jù)此可判斷故障瞬間緩沖電容外部管腳之間存在短路現(xiàn)象；C2相逆變組件支撐電容受損變形，表明發(fā)生了短時(shí)間的大電流放電，短時(shí)間內(nèi)積聚的過(guò)高熱量導(dǎo)致支撐電容殼體變形；C2相IGBT外殼輕微破損，表明短路能量并未大量釋放在IGBT模塊內(nèi)部；

② 從斷路器的故障信息可以判斷：故障時(shí)變壓器輸入側(cè)發(fā)生了過(guò)流，引起斷路器跳閘；控制器硬件保護(hù)，表明內(nèi)部直流側(cè)有過(guò)電壓發(fā)生；C相逆變單元中疊層母排與C2相IGBT連接的端子處燒蝕嚴(yán)重，表明該處發(fā)生了短路，并伴隨有大能量的放電；

③ 在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，由于設(shè)備內(nèi)部風(fēng)路的攪動(dòng)及船體的晃動(dòng)，使在故障前瞬間柜內(nèi)存在的導(dǎo)電雜質(zhì)搭接在C2相緩沖電容的管腳處，導(dǎo)致緩沖電容管腳短路；短路故障首先發(fā)生在IGBT模塊外部與疊層母排相鄰的部位，短路后引起百毫秒級(jí)的較長(zhǎng)時(shí)間短路放電，在緩沖電容管腳間產(chǎn)生電弧，大電流導(dǎo)致進(jìn)線(xiàn)斷路器主動(dòng)保護(hù)跳閘，進(jìn)線(xiàn)側(cè)能量輸入切斷，使流經(jīng)緩沖電容管腳間的能量迅速減小；當(dāng)支撐電容放電能量不足以維持電弧時(shí)，電滅熄滅，電弧熄滅瞬間，在緩沖電容管腳間產(chǎn)生高電壓，將C2相IGBT過(guò)電壓擊穿直通，支撐電容剩余放電能量流經(jīng)IGBT模塊內(nèi)部，導(dǎo)致C2相IGBT過(guò)熱爆裂；在推進(jìn)系統(tǒng)接線(xiàn)后，未按照變頻器保護(hù)措施執(zhí)行，且試驗(yàn)前未開(kāi)展相應(yīng)的檢查以及清潔工作，導(dǎo)電雜質(zhì)進(jìn)入變頻器內(nèi)部，導(dǎo)電雜質(zhì)搭接在直流正負(fù)端子間形成短路電弧之后產(chǎn)生過(guò)電壓，過(guò)電壓將并聯(lián)在正負(fù)端子間的IGBT擊穿，IGBT直通，引發(fā)IGBT損壞。

（2）右變頻器原因分析

① 現(xiàn)場(chǎng)拆解發(fā)現(xiàn)：B1相IGBT受損很?chē)?yán)重，表明故障過(guò)程中有大電流流經(jīng)IGBT模塊內(nèi)部，短時(shí)間積聚的高能量致使IGBT爆炸損壞；A2相IGBT驅(qū)動(dòng)脫落，受損沒(méi)有B1相嚴(yán)重，表明故障過(guò)程中流經(jīng)A2相IGBTr能量比B1相IGBT小；B2相IGBT幾乎無(wú)損傷，但I(xiàn)GBT內(nèi)部參數(shù)異常，表明故障時(shí)沒(méi)有大能量流經(jīng)B2相的IGBT；

② 從故障信息分析：控制器硬件保護(hù)，表明內(nèi)部直流側(cè)有過(guò)電壓發(fā)生；B1相IGBT內(nèi)部有嚴(yán)重?zé)g，同時(shí)與其相連的直流母排端子被燒熔，表明IGBT燒毀部位處在故障瞬間發(fā)生短路，短路電流在很短時(shí)間內(nèi)流過(guò)IGBT與母排連接端子處，短時(shí)間內(nèi)積聚很大熱量，引發(fā)B1相IGBT爆炸；B1相IGBT爆炸引起上方A2相IGBT驅(qū)動(dòng)接口板脫落，從而進(jìn)一步引發(fā)A2相IGBT損壞；由于B2相IGBT與B1相IGBT通過(guò)同一個(gè)疊層母排與主電路相連，B1相IGBT爆炸引起B(yǎng)2相IGBT損壞；

③ 在電推設(shè)備運(yùn)行運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備內(nèi)部風(fēng)路及船體搖擺，使得柜內(nèi)導(dǎo)電雜質(zhì)搭接在B1相IGBT直流正負(fù)端子處造成電路短路，短路瞬間在B1相IGBT直流端子間產(chǎn)生大能量電弧，將導(dǎo)電雜質(zhì)燒熔，增加了直流端子的電氣間隙，電弧熄滅；熄滅瞬間在短路點(diǎn)間產(chǎn)生高電壓，將B1相IGBT擊穿直通，交流進(jìn)線(xiàn)側(cè)輸入能量和支撐電容儲(chǔ)存的能量疊加全部通過(guò)IGBT內(nèi)部釋放，導(dǎo)致B1相爆炸損壞，爆炸的沖擊波引起正上方A2相IGBT驅(qū)動(dòng)板脫落，使其無(wú)法控制A2相IGBT的正常導(dǎo)通和關(guān)斷，門(mén)極處于失控狀態(tài)，門(mén)極產(chǎn)生靜電累積到一定程度使得IGBT導(dǎo)通，直流側(cè)的剩余能量會(huì)流經(jīng)A2相IGBT，使其損壞；B1相IGBT直流端產(chǎn)生的弧電壓通過(guò)疊層母排串?dāng)_至B2相IGBT直流端子處，導(dǎo)致B2相IGBT損壞。

4 故障處理措施

在故障原因分析基礎(chǔ)上，采取下列對(duì)應(yīng)的糾正措施：

（1）更換損壞的逆變組件；徹底清潔其它組件以及主回路元件，特別是IGBT表面以及相關(guān)接線(xiàn)；對(duì)所有接插件以及接線(xiàn)端子進(jìn)行緊固并檢查確認(rèn)；對(duì)恢復(fù)后的變頻器整機(jī)進(jìn)行靜態(tài)檢查、狀態(tài)檢查，并按照靜態(tài)上電流程進(jìn)行確認(rèn)，做好相應(yīng)記錄；

（2）進(jìn)一步修訂完善《綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備保護(hù)施工工藝》，做好電推設(shè)備的保護(hù)及清潔工作，及時(shí)督促并積極配合廠(chǎng)家對(duì)電推設(shè)備接線(xiàn)、保養(yǎng)、清潔情況進(jìn)行全面檢查，確保試驗(yàn)安全、順利；

（3）整改完成后，分別開(kāi)展了單軸、雙軸的各類(lèi)工況試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足試驗(yàn)大綱及試驗(yàn)冊(cè)要求。

5 結(jié)論

排除了變頻器故障，恢復(fù)了動(dòng)力，說(shuō)明本文分析方法和處理過(guò)程是正確的。

電氣設(shè)備的日常保養(yǎng)是保證其正常工作的重要環(huán)節(jié)，任何疏忽都有可能使設(shè)備發(fā)生故障，造成嚴(yán)重后果。