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        某船變頻器故障原因分析

        2022-07-09 09:07:02覃登羅
        廣東造船 2022年3期
        關(guān)鍵詞:母排直通管腳

        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)過不控整流變換為直流電,再經(jīng)過逆變及輸出濾波轉(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)斷路器電流過大造成過流跳閘保護(hù);而右推進(jìn)斷路器正常分?jǐn)?,無過流現(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;其它相元件無異常,控制硬件及軟件狀態(tài)無異常。

        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;其它相元件無異常,控制硬件及軟件狀態(tài)無異常。

        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)行故障樹分析,如圖2所示。

        圖2 IGBT直通故障的故障樹

        根據(jù)IGBT器件采購情況合格,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IGBT直通故障的問題,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)生過電壓,將并聯(lián)在正負(fù)端子間的IGBT過電壓擊穿直通,從而導(dǎo)致IGBT故障損壞。

        通過以上分析,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,說明故障瞬間短路電流流經(jīng)緩沖電容的外部管腳,沒有流經(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)線斷路器主動(dòng)保護(hù)跳閘,進(jìn)線側(cè)能量輸入切斷,使流經(jīng)緩沖電容管腳間的能量迅速減??;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過熱爆裂;在推進(jìn)系統(tǒng)接線后,未按照變頻器保護(hù)措施執(zhí)行,且試驗(yàn)前未開展相應(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)生過電壓,過電壓將并聯(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受損很嚴(yán)重,表明故障過程中有大電流流經(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,受損沒有B1相嚴(yán)重,表明故障過程中流經(jīng)A2相IGBTr能量比B1相IGBT??;B2相IGBT幾乎無損傷,但I(xiàn)GBT內(nèi)部參數(shù)異常,表明故障時(shí)沒有大能量流經(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)線側(cè)輸入能量和支撐電容儲(chǔ)存的能量疊加全部通過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,使其無法控制A2相IGBT的正常導(dǎo)通和關(guān)斷,門極處于失控狀態(tài),門極產(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;對(duì)所有接插件以及接線端子進(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)督促并積極配合廠家對(duì)電推設(shè)備接線、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,分別開展了單軸、雙軸的各類工況試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果滿足試驗(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,說明本文分析方法和處理過程是正確的。

        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。

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