朱寶峰

（中電建甘肅能源崇信發(fā)電有限公司，甘肅 平?jīng)?744200）

0 引言

高壓變頻器在超臨界火電機(jī)組主要輔機(jī)中的應(yīng)用越來越廣泛，其對(duì)降低火電機(jī)組廠用電率的貢獻(xiàn)非常明顯。尤其是當(dāng)前火電機(jī)組普遍處于深度調(diào)峰運(yùn)行方式下時(shí)，主要輔機(jī)采用變頻運(yùn)行方式有調(diào)節(jié)迅速、節(jié)能顯著等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因此研究影響變頻輔機(jī)運(yùn)行可靠性的相關(guān)因素，避免因變頻器故障造成輔機(jī)RB 甚至機(jī)組非停顯得尤為重要。

采用水冷方式的高壓變頻器會(huì)配置獨(dú)立的閉式水冷卻系統(tǒng)。冷卻水用于對(duì)功率單元中IGBT 等發(fā)熱元件的冷卻，部分高壓變頻器的移相變壓器繞組也采用水冷方式。由于采用去離子水（除鹽水）進(jìn)行閉式循環(huán)，因此冷卻水的水質(zhì)、流量、水位等工質(zhì)參數(shù)也成了影響高壓變頻器可靠運(yùn)行的因素之一。部分高壓變頻器控制邏輯中也將冷卻水系統(tǒng)參數(shù)異常納入變頻器報(bào)警、跳閘保護(hù)條件中。

水冷高壓變頻器除了自身重故障引起變頻輔機(jī)跳閘外，其冷卻水系統(tǒng)、高壓連接電纜等附屬設(shè)備的故障也會(huì)造成同樣的后果，而單臺(tái)變頻輔機(jī)故障跳閘后如果因電氣保護(hù)、熱控邏輯不完善，也會(huì)造成事故進(jìn)一步擴(kuò)大，以至電氣母線失壓或跳閘、運(yùn)行參數(shù)失穩(wěn)造成熱工保護(hù)動(dòng)作等。因此該文將從以下三個(gè)方面進(jìn)行分析。

1 高壓變頻器自身故障分析及防范措施

1.1 水冷高壓變頻器結(jié)構(gòu)組成及故障統(tǒng)計(jì)

水冷高壓變頻器一般由變壓器、功率單元、閉式冷卻水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。高壓變頻器自身故障主要體現(xiàn)在功率單元故障、控制板件或UPS 故障等。功率單元故障情況一般有熔斷器故障、驅(qū)動(dòng)故障、單元過熱、單元過壓、光纖故障等。功率單元的原理圖如圖1 所示。功率單元輸入電源端R、S、T 接變壓器二次側(cè)，三相二極管全橋整流為直流環(huán)節(jié)供電，直流母線上的電壓提供給由IGBT 組成的H 橋逆變電路。功率單元通過光纖接收信號(hào)，采用空間矢量正弦波脈寬調(diào)制（SVPWM）方式，控制IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出單相脈寬調(diào)制波形。每個(gè)功率單元內(nèi)有獨(dú)立的一塊控制板和一塊驅(qū)動(dòng)板，控制板通過光纖與控制器通信，驅(qū)動(dòng)板主要用于驅(qū)動(dòng)IGBT。

從圖1 中可以看出，每個(gè)功率單元就是一個(gè)單獨(dú)的整流逆變電路，構(gòu)成功率單元的元器件有很多，每個(gè)元器件都有可能成為一個(gè)故障點(diǎn)，任何一個(gè)出現(xiàn)問題都將導(dǎo)致該單元出現(xiàn)故障。由于元器件的質(zhì)量參差不齊、電流耐受能力不同，個(gè)別元器件的穩(wěn)定性并不能很好地滿足變負(fù)荷運(yùn)行的需要，無法使變頻器穩(wěn)定地處于長期運(yùn)行的狀態(tài)，也容易導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。通過某電廠8 臺(tái)水冷高壓變頻器實(shí)際故障統(tǒng)計(jì)來看，在14 次變頻器故障中，有7 次是因功率單元故障引起的。如表1 所示。

表1 某電廠近年來輔機(jī)高壓變頻器故障統(tǒng)計(jì)表

圖1 功率單元原理圖

1.2 水冷高壓變頻器故障分析

該文對(duì)7 次水冷方式變頻器功率單元故障和6 次空冷方式變頻器功率單元故障原因進(jìn)行分析，基本為IGBT 故障引起短路造成單元過壓/驅(qū)動(dòng)故障/熔斷器故障等，故障較輕時(shí)，具有單元旁路的功能變頻器可以在旁路故障單元繼續(xù)運(yùn)行，但同時(shí)會(huì)造成變頻器的輸出電流、電壓有一定的不平衡性，諧波也會(huì)變大，其他功率單元的負(fù)載也會(huì)增大，不利于變頻器長期運(yùn)行。但故障較重時(shí)，如發(fā)生“單元過壓”等故障則無法旁路，造成變頻器直接跳閘。此時(shí)不僅故障元件本身損壞，還會(huì)造成熔斷器、電容器等其他元器件一同損壞，并有一定概率損傷IGBT 的驅(qū)動(dòng)板，因此在更換維修時(shí)應(yīng)一并檢查更換。

根據(jù)對(duì)功率單元故障情況及控制單元報(bào)警記錄統(tǒng)計(jì)來看，水冷變頻器沒有發(fā)生過因“單元過熱”造成的跳閘[1]。一般來說，閉式冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)符合要求，冷卻水系統(tǒng)正常運(yùn)行，沒有發(fā)生冷卻水泵出口流量低或開式冷卻水故障造成閉冷水水溫升高等問題，其對(duì)IGBT 等發(fā)熱元件的冷卻均可滿足滿負(fù)荷運(yùn)行的要求。因此基本避免了水冷變頻器IGBT因過熱劣化產(chǎn)生故障的問題。

從上述功率單元故障后的現(xiàn)場勘查痕跡來看，基本為IGBT 內(nèi)部擊穿、炸裂等情況居多，可以認(rèn)為多數(shù)情況的故障均是由于IGBT 自身質(zhì)量不佳、大電流能力耐受不足造成。由于IGBT 為集成化元器件，建議采取加強(qiáng)其性能檢測、備件儲(chǔ)存，儲(chǔ)備備用功率單元的防范措施，來保證故障情況下可以及時(shí)維修或替換，恢復(fù)功率單元投入運(yùn)行，防止輔機(jī)長期停運(yùn)失備，影響安全生產(chǎn)。同時(shí)，如果功率單元故障旁路運(yùn)行[4]，變頻器每相串聯(lián)單元數(shù)量減少，額定輸出電壓和額定容量都將降低，在停運(yùn)更換功率單元之前，一定要限制頻率（上限）運(yùn)行，防止其他功率單元過載。

控制板件故障[1]在變頻器整體故障統(tǒng)計(jì)中占比并不高，高壓變頻器室的運(yùn)行環(huán)境一般均能滿足GB/T 34123 的要求，其冗余配置的工業(yè)空調(diào)可以抵消變頻器功率單元、移相變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行造成的溫升，因此控制板件因運(yùn)行環(huán)境不佳（如高溫、潮濕等）產(chǎn)生故障的概率較小。由于各類控制板與控制器、功率單元之間一般采用光纖通信，表1 中統(tǒng)計(jì)的3 起控制板件故障中有2 起通是由通信板或通信插件故障引起的?？刂瓢骞收陷^為明顯時(shí)，基本在板件元器件上能夠找到故障點(diǎn)，如果為瞬時(shí)故障或間歇性故障，建議采用排除法更換備用板件以查找故障原因。如某臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行中報(bào)“變頻器過流”跳閘，經(jīng)就地檢查發(fā)現(xiàn)變頻器控制面板輸入電壓、輸入電流有大幅度跳變現(xiàn)象，檢查發(fā)現(xiàn)變頻器“信號(hào)板”IC4 集成塊有擊穿痕跡，判斷為信號(hào)板故障造成。

而UPS 故障原因也以UPS 老化居多。部分品牌控制系統(tǒng)采用UPS 防止電源切換時(shí)PLC 重啟，這也使UPS 故障成為影響變頻器可靠運(yùn)行的重要因素之一。對(duì)上述故障采取的防范措施如下：一方面應(yīng)加強(qiáng)停運(yùn)期間控制板件、UPS 的檢測、維護(hù)及性能試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。如在檢修期間應(yīng)對(duì)UPS 的電壓穩(wěn)定度、頻率穩(wěn)定度、波形失真度進(jìn)行檢測，對(duì)備用電源切換時(shí)間小于5ms、外部電源失去情況下不小于30min 的連續(xù)供電時(shí)間、最大負(fù)荷下保證30%的容量裕量等性能指標(biāo)進(jìn)行測試，以確保UPS 可靠投入運(yùn)行；另一方面對(duì)控制板件、UPS 的壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估，根據(jù)故障情況及時(shí)進(jìn)行預(yù)防性更換，必要時(shí)縮短預(yù)防性更換周期，如2～3 年。某些品牌的UPS 具有自動(dòng)定期充放電試驗(yàn)功能，即在正常運(yùn)行時(shí)，UPS 自動(dòng)切換至內(nèi)置電池接待負(fù)荷，一旦測試不滿足要求則發(fā)出報(bào)警并切回旁路運(yùn)行，實(shí)際證明該UPS 在切換至旁路過程中時(shí)間超過5ms，無法避免PLC 等控制器重啟的問題，造成變頻器誤停運(yùn)。因此必須禁止該功能定期啟動(dòng)或不采用具有此項(xiàng)功能的UPS。

2 高壓變頻器附屬設(shè)備故障分析及防范措施

2.1 變頻器冷卻水系統(tǒng)故障分析

從表1 中來看，高壓變頻器附屬設(shè)備故障主要集中在冷卻水系統(tǒng)和一次電纜上。冷卻水系統(tǒng)一般由循環(huán)泵、換熱器、補(bǔ)水箱、濾網(wǎng)、離子交換器、水溫調(diào)節(jié)閥、循環(huán)水管路以及熱工測點(diǎn)組成。冷卻水系統(tǒng)采用流量、液位、溫度、壓力、電導(dǎo)率等熱工測點(diǎn)實(shí)現(xiàn)冷卻水系統(tǒng)的自動(dòng)控制及運(yùn)行，而對(duì)會(huì)造成變頻器保護(hù)聯(lián)鎖動(dòng)作出口的熱工測點(diǎn)，必須熟知其組成邏輯及儀表工作原理，加強(qiáng)儀表定期檢驗(yàn)、維護(hù)，并在檢修及消缺過程中做好安全措施。如某次檢修人員處理給水泵變頻器冷卻水補(bǔ)水箱磁翻板液位計(jì)花屏?xí)r，在沒有解除液位低保護(hù)前誤使用磁鐵對(duì)液位計(jì)翻板進(jìn)行調(diào)整，造成補(bǔ)水箱液位低開關(guān)信號(hào)閉合，出現(xiàn)“水箱液位低”保護(hù)動(dòng)作，造成變頻器在運(yùn)行中跳閘。

對(duì)變頻器冷卻冷水水質(zhì)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，在冷卻水電導(dǎo)率到達(dá)報(bào)警值以前更換去離子罐樹脂。定期監(jiān)測水中銅離子含量和冷卻水pH 值以符合變頻器制造商對(duì)冷卻水質(zhì)的要求，避免加劇銅離子腐蝕。同時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)補(bǔ)水頻次，及時(shí)檢查功率單元有無漏水情況[3]。實(shí)際運(yùn)維情況證明，個(gè)別功率單元冷卻水銅管T 型接頭處因銅腐蝕產(chǎn)生漏電，因此運(yùn)行5 年以上的水冷變頻器應(yīng)加強(qiáng)該情況的監(jiān)測與檢查。

2.2 變頻器冷卻水系統(tǒng)故障防范措施

對(duì)冷卻水系統(tǒng)熱工儀表及測量裝置應(yīng)進(jìn)行選型分析，采用性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定的產(chǎn)品。并在變頻器停運(yùn)檢修時(shí)進(jìn)行綜合校驗(yàn)和傳動(dòng)試驗(yàn)，確保儀表測量準(zhǔn)確、動(dòng)作可靠。

對(duì)用于熱工保護(hù)的測點(diǎn)應(yīng)防止采用單信號(hào)。對(duì)采用單信號(hào)的熱工保護(hù)，應(yīng)設(shè)法增加測點(diǎn)或增設(shè)相關(guān)聯(lián)的可靠判據(jù)，防止單信號(hào)測點(diǎn)故障造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

根據(jù)冷卻水電導(dǎo)率上升趨勢(shì)，提前更換去離子罐樹脂。更換前應(yīng)使用除鹽水對(duì)樹脂充分沖洗，去除樹脂表面雜質(zhì)。待沖洗水水質(zhì)電導(dǎo)率降至0.1us/cm 及以下時(shí)，可進(jìn)行更換。防止更換新樹脂后發(fā)生電導(dǎo)率突升造成保護(hù)動(dòng)作的情況。

對(duì)進(jìn)入換熱器的開式冷卻水（冷源水）濾網(wǎng)定期清洗，加強(qiáng)冷源水流量監(jiān)視，防止因?yàn)V網(wǎng)堵塞造成冷卻效果下降，使閉式水溫升高的異常情況發(fā)生。

對(duì)冷卻水系統(tǒng)流量、壓力、液位等保護(hù)測點(diǎn)進(jìn)行檢修或消缺時(shí)，應(yīng)退出相應(yīng)的保護(hù)或聯(lián)鎖條件，無法退出保護(hù)及聯(lián)鎖的，應(yīng)將輔機(jī)停運(yùn)或退出運(yùn)行后，再進(jìn)行檢修作業(yè)。

2.3 變頻器一次電纜故障分析及防范措施

一次電纜故障多發(fā)于電纜終端接頭部位。新改造的變頻器或運(yùn)行年限較長的變頻器均應(yīng)加強(qiáng)一次電纜的檢查與預(yù)防性試驗(yàn)。表1 中3 次電纜故障引起的變頻器跳閘均為電纜終端接頭在制作時(shí)未按照工藝要求進(jìn)行，使該處絕緣逐漸劣化造成擊穿，引起開關(guān)零序保護(hù)動(dòng)作。如某臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻器至電機(jī)電纜終端制作過程未按照安裝說明書進(jìn)行操作，應(yīng)力管安裝位置錯(cuò)誤，使電場分散不足，半導(dǎo)體層斷口處電應(yīng)力過于集中，在運(yùn)行中絕緣逐步劣化，在引風(fēng)機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)的沖擊下絕緣擊穿發(fā)生接地。雖然DL/T 5161.5-2018《電氣裝置安裝工程質(zhì)量檢驗(yàn)及評(píng)定規(guī)程 第5 部分：電纜線路施工質(zhì)量檢驗(yàn)》中已取消電纜終端接頭制作30%旁站檢查驗(yàn)收的規(guī)定，但在實(shí)際技改項(xiàng)目中還應(yīng)予以重視和恢復(fù)。并對(duì)該項(xiàng)目設(shè)置主控驗(yàn)收（H）點(diǎn)，以確保電纜終端制作工藝滿足要求。

3 變頻輔機(jī)熱工保護(hù)聯(lián)鎖問題分析

變頻輔機(jī)跳閘后一般會(huì)觸發(fā)相應(yīng)輔機(jī)聯(lián)鎖啟動(dòng)或跳閘[2]，如相關(guān)聯(lián)鎖邏輯不完善、相關(guān)參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，極易將故障擴(kuò)大，甚至造成機(jī)組非停事件。如某電廠一次風(fēng)機(jī)變頻器故障造成一次風(fēng)量低導(dǎo)致低保護(hù)動(dòng)作，觸發(fā)鍋爐主燃料跳閘（MFT）。除功率單元故障造成變頻器跳閘外，未設(shè)計(jì)一次風(fēng)機(jī)變頻器自動(dòng)切工頻邏輯和一次風(fēng)機(jī)RB 邏輯也是鍋爐MFT的主要原因。

鍋爐軸流風(fēng)機(jī)如送、引風(fēng)機(jī)采用高壓變頻器時(shí)，一般會(huì)保留兩種自動(dòng)調(diào)節(jié)方式，一種為變頻調(diào)節(jié)，另一種為工頻方式采用原有的動(dòng)（靜）葉調(diào)節(jié)。當(dāng)變頻器故障輔機(jī)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行時(shí)，應(yīng)注意動(dòng)（靜）葉自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)邏輯無擾切換及動(dòng)靜葉執(zhí)行的巡回檢查。

在自動(dòng)調(diào)節(jié)邏輯切換方面，應(yīng)考慮異常狀態(tài)下兩種自動(dòng)控制邏輯的無擾切換。如某引風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行過程中“變頻運(yùn)行”信號(hào)誤丟失，造成變頻器頻率指令歸零，出口電動(dòng)門聯(lián)動(dòng)關(guān)閉，導(dǎo)致變頻器停運(yùn)指令發(fā)出（變頻器實(shí)際無故障）。后該風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)工頻啟動(dòng)運(yùn)行，而為防止搶風(fēng)，另一臺(tái)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)靜葉調(diào)節(jié)時(shí)，由于無擾切換邏輯有誤，因此靜葉自動(dòng)指令下降，對(duì)系統(tǒng)造成一定擾動(dòng)。針對(duì)以上問題，應(yīng)制定以下防范措施：對(duì)“變頻運(yùn)行”信號(hào)的質(zhì)量判斷增加關(guān)聯(lián)判據(jù)（如變頻器電流等）或增加開關(guān)量信號(hào)數(shù)量；將加強(qiáng)質(zhì)量判斷后的“變頻運(yùn)行”信號(hào)引入自動(dòng)調(diào)節(jié)器“切手動(dòng)”邏輯判斷中。同時(shí)引入其他聯(lián)鎖邏輯中，如停運(yùn)信號(hào)判斷等。還應(yīng)對(duì)兩種自動(dòng)調(diào)節(jié)器無擾切換邏輯進(jìn)行核查，由于兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)采用接受公共指令控制，當(dāng)一臺(tái)引風(fēng)機(jī)跳閘后，在選用靜葉調(diào)節(jié)器投入自動(dòng)時(shí)，應(yīng)在公共指令計(jì)算中及時(shí)對(duì)單臺(tái)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償，防止指令錯(cuò)誤造成靜葉自動(dòng)調(diào)節(jié)器投入后執(zhí)行器誤關(guān)。

在全國眾多執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障案例中，風(fēng)機(jī)動(dòng)（靜）葉執(zhí)行器連桿/拐臂脫落造成機(jī)組非停的事件不在少數(shù)。特別是風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)后，其工頻模式下的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及控制邏輯容易成為被忽視的對(duì)象。如某機(jī)組A 變頻引風(fēng)機(jī)事故跳閘，機(jī)組快速降負(fù)荷運(yùn)行，整個(gè)煙風(fēng)系統(tǒng)對(duì)B 引風(fēng)機(jī)形成較大的短期沖擊，B 變頻引風(fēng)機(jī)出、入口壓力發(fā)生較大變化，煙道中產(chǎn)生了較大的沖擊氣流作用在B 引風(fēng)機(jī)靜葉擋板上。但由于靜葉執(zhí)行器處于手動(dòng)控制，指令恒定，相當(dāng)于電動(dòng)執(zhí)行器此時(shí)是在限制擋板正向或反向運(yùn)動(dòng)，因此內(nèi)部靜葉擋板在變工況沖擊下形成了交替作用力。作用力產(chǎn)生抖動(dòng)通過連桿傳遞至減速機(jī)曲柄和電動(dòng)執(zhí)行器，造成減速機(jī)曲柄發(fā)生移位至傳動(dòng)軸末端位置后脫開，使靜葉擋板連桿失去支撐逐漸關(guān)閉，對(duì)機(jī)組運(yùn)行造成極大擾動(dòng)。針對(duì)該類問題，可制定的防范措施如下：對(duì)執(zhí)行器減速機(jī)傳動(dòng)軸端部加裝擋板，對(duì)曲柄位移產(chǎn)生止推作用。對(duì)不能加裝擋板的，應(yīng)定期對(duì)連接件鎖緊螺母、銷子進(jìn)行檢查，必要時(shí)維修更換，尤其是單臺(tái)風(fēng)機(jī)跳閘后，應(yīng)增加運(yùn)行設(shè)備的巡檢頻次，加大關(guān)鍵部位設(shè)備的狀態(tài)檢查力度。

4 結(jié)語

高壓變頻器在火電輔機(jī)中應(yīng)用得越來越廣泛，在獲得顯著的節(jié)能效益的同時(shí)，采用高壓變頻器的輔機(jī)故障概率明顯提高，加強(qiáng)高壓變頻器的設(shè)備管理與維護(hù)，提高其運(yùn)行可靠性顯得尤為重要。根據(jù)該文的研究分析，在應(yīng)對(duì)高壓變頻器故障，保證機(jī)組可靠運(yùn)行方面的措施可總結(jié)如下。

在高壓變頻器投入前的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試階段，應(yīng)對(duì)變頻器送出的“運(yùn)行”、“停運(yùn)”信號(hào)進(jìn)行冗余配置，提高DCS系統(tǒng)對(duì)輔機(jī)狀態(tài)信號(hào)的判斷質(zhì)量；在施工階段對(duì)變頻器一次電纜終端制作設(shè)置主控點(diǎn)（H點(diǎn)），實(shí)行過程旁站驗(yàn)收，確保其按工藝要求制作。

在水冷高壓變頻器日常運(yùn)行中，應(yīng)加強(qiáng)冷卻水系統(tǒng)的水質(zhì)及相關(guān)保護(hù)測點(diǎn)的監(jiān)測與維護(hù)，保證被冷卻元件的工作壽命。同時(shí)做好控制板件、UPS 的定期檢測與維護(hù)，必要時(shí)縮短其預(yù)防性更換周期。對(duì)功率單元的IGBT、整流模塊、電容器及IGBT 驅(qū)動(dòng)板加強(qiáng)檢測，并做好材料備件和備用功率單元儲(chǔ)備，及時(shí)更換故障功率單元，避免輔機(jī)處于失備或減出力運(yùn)行的狀態(tài)。

應(yīng)完善變頻輔機(jī)DCS 控制邏輯。保證高壓變頻器跳閘觸發(fā)機(jī)組RB 時(shí)不會(huì)造成故障擴(kuò)大。尤其是運(yùn)用在鍋爐送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)注意動(dòng)（靜）葉調(diào)節(jié)自動(dòng)與變頻自動(dòng)的無擾切換，注意動(dòng)（靜）葉調(diào)節(jié)執(zhí)行器聯(lián)鎖動(dòng)作以及執(zhí)行器連桿、拐臂的檢查維護(hù)。