提高高壓變頻系統運行可靠性的探討

鄔榮敏

（浙江浙能能源技術有限公司，杭州 310052）

火力發電廠的風機、泵類設備通過采用高壓變頻技術來實現節能降耗運行是目前各發電廠進行技術改造的主流技術手段。但在高壓變頻技術改造完成后的運行過程中，也多次發生變頻器本身故障或運行維護經驗不足導致變頻裝置退出運行，造成機組降負荷甚至停爐、停機事故，直接影響電廠的安全指標和經濟效益。本文通過對浙能集團所屬各電廠高壓變頻運行故障的統計分析，提出了改進措施和建議。

1 高壓變頻器應用概況

目前浙能集團所屬各發電廠高壓變頻技術改造的范圍主要集中在凝結水泵、一次風機、引風機、脫硫增壓風機等重要輔機設備，截至2010年底，高壓變頻器的應用已超過60臺，變頻使用總容量達到108.61 MW。從變頻設備選用情況看，高壓變頻器主要選用原裝進口或國內組裝生產的國際知名品牌，具體情況如下：西門子羅賓康24臺，美國羅克韋爾（AB）13臺，日立22臺（東方日立15臺，日本日立7臺），上海安川3臺，東芝三菱2臺，利德華福1臺。

2 高壓變頻器故障統計分析

根據對集團系統內發電廠高壓變頻器缺陷故障情況的調研、統計以及對高壓變頻故障的專題分析研究，得到高壓變頻器運行過程中故障缺陷分類統計，見表1（統計時間為2002年1月至2010年6月底）。

從表1看，高壓變頻器元器件的缺陷和故障主要集中在控制板卡、功率單元及其附件和電源模塊，是造成高壓變頻故障及停運的主要因素。而運行環境，特別是溫度和灰塵對高壓變頻器的電力電子設備及控制系統正常運行也有較大的影響，有待進一步改進。合理設置保護控制參數有利于減少高壓變頻器誤停機，提高運行穩定性；UPS及隔離變壓器等附屬設備的故障缺陷隨著技術改造和設計優化而逐步得到完善和解決。

表1 高壓變頻器故障缺陷分類統計

3 提高高壓變頻系統運行可靠性的措施

3.1 設備選型

從功率單元器件數量及結構、功率單元特點、諧波含量、功率因素和效率等指標看，電流型高壓變頻器由于采用高壓SGCT（一種高壓大功率元件），器件數量少，結構相對簡潔；電壓型高壓變頻器采用低壓IGBT（絕緣柵雙極晶體管）元件多級串聯，元器件數量多，結構比較復雜，但低壓功率單元元器件技術更加成熟。電壓型高壓變頻器采用多電平串聯技術，在脈沖和電平等級的數量上要大大多于電流型，輸出波形質量更優，從而得到更高的功率因素和效率。從某電廠正在運行的電流型和電壓型高壓變頻器各抽取1臺做電能質量測試，從檢測結果看，電壓型高壓變頻器在測試期間的電壓總諧波畸變率（THD）為1.26%，諧波電壓因數（HVF）最大不超過1%，滿足國標要求。而電流型高壓變頻器在測試期間變頻輸出電壓的THD最大為9.3%，HVF最大為3.991%，在各種工況下的變頻器輸出側電壓諧波指標均超過國標規定值。從諧波含量的性能指標看，電壓型高壓變頻器要明顯優于電流型高壓變頻器。而電流型高壓變頻器的獨特優點是能量反饋及四象限運行，在發電廠風機及泵類設備中并不需要。因此，從設備選型上看，電壓型高壓變頻器在電廠具有更好的應用前景。

3.2 核心元器件

高壓變頻器的核心元器件主要是控制板卡、功率單元及附件。控制板卡包括了單元控制板（CCB）、系統接口板以及用戶接口板和驅動控制板。通過對運行故障案例的檢查、測試和分析，發現核心元器件故障的主要原因有以下幾點：

（1）核心元器件本身的質量性能不穩定或電子控制通信回路故障。如單元控制板上的檢測回路故障、控制板卡上光電耦合器質量不穩定導致的變頻故障、用戶接口板通信故障、功率單元SGCT功率管特性異常、可控硅共接電阻燒損等。

（2）運行環境不良造成元器件運行故障。如主控單元與可控硅觸發驅動板之間的光纖接口積灰嚴重，導致光纖通道衰耗過大，通信出現異常；調制板上芯片針腳和跳線處有積灰，使針腳和跳線短路，引發軟件錯誤。

（3）保養和維護措施不規范引起元器件故障。如應先打開控制電源使變頻器通風驅潮，否則共接電阻等元件容易因受潮而燒壞；應定期對功率單元柜的所有螺栓進行緊固以防接線松動，避免元件接觸不良而造成控制系統誤判。

高壓變頻器主要核心元器件的產品質量對高壓變頻設備可靠穩定運行影響較大，產品的穩定性還需要進一步提高。西門子羅賓康的單元控制板在多個電廠投運后先后出現了故障，更換備板后恢復正常，部分故障板拿回總部檢測卻遲遲沒有結果；羅克韋爾AB變頻器也在投運一段時間后因功率單元及附件故障而多次出現離線和在線故障，導致設備停運。變頻設備核心元件產品成熟穩定性的提高依賴于電力電子技術的不斷發展和廠家制造工藝的不斷提高，與此同時，良好的運行環境和規范的檢修維護及備品備件管理也有助于提高設備運行的穩定性。

3.3 附屬設備

高壓變頻器的主要附屬設備包括電源模塊、冷卻風扇、自帶不停電電源UPS和變壓器。

3.3.1 UPS

變頻器自帶的UPS可靠性相對較差，曾發生溫度過高、風扇損壞、電池失效等故障，增加了設備的故障點。目前各電廠已逐步取消和拆除了自帶UPS，將變頻器控制電源接自機組UPS或機組保安段，消除了故障點，也提高了控制電源的可靠性。

3.3.2 電源模塊

電源模塊也是故障率較高的部件，從現場分析和處理情況看，故障原因大多是溫度過高和風扇故障，且主要發生在羅克韋爾的高壓變頻器上。改進措施有以下幾方面：

（1）合理設計電源柜的通風散熱，特別是電源模塊的通風散熱及防塵，保證電源模塊有良好的運行環境，提高電源運行的穩定性。

（2）高壓變頻器廠家應選擇產品質量和工藝更穩定可靠的電源模塊。

（3）從運行維護角度出發，運行維護人員應加強對變頻柜運行溫度和濕度的監控，加強電源模塊風扇維護和定期檢查，提高設備可靠性。

（4）根據運行情況對電源模塊進行定期更換。

3.3.3 冷卻風扇

冷卻風扇有一定的使用壽命，要定期更換，但實際上有很多冷卻風扇未到使用壽命就已損壞。因此在設備運行檢查過程中要重點關注冷卻風扇，通過聽、摸來判斷冷卻風扇是否正常。

冷卻風扇故障停運后，變頻器將立刻停運跳機，廠家如此設計的目的是保護高壓變頻器的元器件，防止風扇停運后散熱不暢引起溫度升高對元器件造成損害。但這一措施卻大大降低了變頻器的運行可靠性，因為變頻柜內溫度并不會突變，個別冷卻風扇的故障停運不會造成柜內溫度的大幅上升，且冷卻風扇故障停運報警后，現場完全有條件和時間進行快速故障處理或負荷轉移，可以避免因引風機等主要輔機突然停運造成的機組甩負荷。

由此可見，對冷卻風扇的檢查和健康評估、發現故障及時更換非常必要。雖然日本日立建議冷卻風扇2年進行更換，但不同廠家冷卻風扇的產品質量差距較大，如西門子羅賓康及東方日立的產品均已運行多年，情況仍良好。因此建議：平時檢查時要多注意觀察冷卻風扇是否有發熱、聲音異常等情況，檢修期間檢測冷卻風扇三相電流是否平衡等，對故障率較高的冷卻風扇應考慮重新選擇設備生產廠家。

3.3.4 隔離變壓器

從調研情況看，隔離變壓器的故障主要由相間短路引起，具體原因為干式變壓器繞組末端引出線是從繞組底部貼著本相的繞組向上出線，在引出部位承受相電壓，但未對絕緣做加強處理，且引出線沒有合適的固定部位，只是在引出部位用扎帶將其綁扎在繞組的第一層線餅上，引出線與線餅接觸處局部發熱，導致絕緣劣化甚至擊穿。通過隔離變壓器外殼改造、引出線和線餅間加強絕緣和增強通風散熱能力等措施后，隔離變壓器運行情況得到改善。隨著產品的改進和產品性能可靠性的提高，目前該類故障已基本消除，但仍需加強對隔離變壓器的巡視和維護管理。

3.4 廠用電電壓波動

廠用電電壓波動的情況包括6kV（或10kV）電源的瞬間閃變、工作電源切備用電源（慢切）及母線上電動機成組或最大1臺電動機自啟動時造成的電壓波動。各高壓變頻器對廠用電電壓波動的適應性目前都是通過選配保護瞬停再啟動功能來實現的。保護瞬停再啟動的設置為（65%～75%）Un，延時2 s。電壓值設置過高容易導致頻繁啟動瞬停功能，如某廠電壓值設為80%Un，而該廠電源母線上的大容量輔機較多，啟動時母線電壓容易出現波動，同時該廠處于系統末端，容易因外部線路故障引起電壓波動，因此該廠的高壓變頻投運后出現了11臺次的變頻瞬停。從時間設置上來說，廠用電切換和區間外故障保護動作到返回不會超過2 s，輸入電源的擾動時間一般也很短，延時2 s的設置具有一定的抗干擾能力。

3.5 控制保護參數的合理設置

在分析過程中發現有些故障是由于控制參數和保護定值的設置不合理所致。如某廠引風機電機返廠大修后部分技術參數出現變更，而變頻裝置技術參數設置未隨之進行調整，使變頻運行控制出現偏差。如參數設置表中的額定功率，在矢量控制中用來計算轉矩電流、滿載功率因數，額定轉速用來計算轉差率，額定電壓用來計算電機的額定磁通，滿載電流用來計算電機的輸出阻抗等，這些技術參數是否準確都將影響變頻控制的匹配和準確性。

在西門子羅賓康的過負荷選擇參數設置中，由于變頻器是通過建立電機熱模型再估算電機的溫度來判讀的，共有3種選擇：一是恒值（恒定負載），即直接通過電機電流來判斷，設置在額定電流的110%及120%報警；二是直接反時限，估算溫度的110%時一級報警，120%時二級報警，延時設定為60 s。三是速度降額反時限，即根據電機廠家提供的速度曲線來估算。電廠的風機、水泵類設備一般采用第二種即直接反時限。因此，正確理解參數含義、合理設置參數有助于提高變頻運行控制和穩定。

3.6 運行環境的改進

根據對電廠高壓變頻器運行環境的調查和評估，發現運行環境對高壓變頻器可靠運行的影響比較大，其中溫度、濕度、粉塵、振動等環境因素會對高壓變頻器電力電子元件穩定運行和正常使用壽命產生較大的影響。高壓變頻器目前的運行環境主要有采用空調制冷的全封閉環境和采用風道將熱量排到室外的半封閉式環境。半封閉式環境施工簡單、費用低、散熱效果好，但維護工作量大（需定期清洗濾網），運行穩定性依賴于所處大環境，適用于環境較好、粉塵少的場合。而全封閉環境由于室內外空氣不直接流通，可確保室內環境清潔，但空調運行費用高，空調的可靠性會影響變頻器的穩定運行。

高壓變頻器大多安裝在輔機附近，灰塵較多。灰塵進入變頻柜內會導致絕緣下降或電子元器件擊穿。灰塵堵塞濾網造成變頻柜散熱效果差，在板卡上積灰容易導致功率模塊過熱失效損壞和出現軟件錯誤。從電力電子設備的運行可靠性考慮，全封閉運行環境要優于半封閉運行環境。在環境設計上要考慮通風散熱容量及冗余備用，還要考慮防塵防潮措施，建議將變頻柜內的溫度、濕度等信號送DCS監控，并設定報警點，以加強對柜內溫度和濕度的監控；在外部環境灰塵較多的地方，還應加強對空調室外機的清灰維護。建議新建電廠或改造過程中盡量采用全封閉運行環境。

3.7 運行檢修維護規范的制定

在調研中發現，各廠對高壓變頻系統的檢修工藝卡和檢修維護規范（包括有些重要的元器件如電解電容的檢測和更換周期等）還在制定和摸索中，各電廠的高壓變頻運行經驗差距較大，運行維護管理人員對高壓變頻設備的熟悉和掌握程度有待進一步提高。因此應加快制定高壓變頻設備日常維護措施、停機保養以及定期檢修項目的檢修工藝卡和檢修規范，這將有利于吸取前期的運行經驗和教訓，通過不斷總結經驗和完善措施來提高運行維護的管理水平。

4 進一步的探討和建議

通過對集團公司內發電企業高壓變頻系統應用情況的調研、故障情況的統計分析，以及對運行環境的研究評估，提出了一些意見和建議，以下問題還需作深入探討：

（1）高壓變頻器的檢修工藝卡及運行維護規程的討論修訂，可根據不同品牌分別編寫，以規范和指導高壓變頻器的日常運行和定期檢修維護，使運行檢修工作標準化、規范化，提高設備可靠性。

（2）與相關設備廠家溝通，探討定期檢修維護時對有關板卡、元器件的檢查測試方法。在目前無專用工裝設備檢測板卡的情況下，現場只能通過板卡互換的方法來判斷其好壞。

（3）國內部分高壓變頻器設備廠家經過多年的發展和對引進技術的消化吸收，產品日趨成熟穩定，可靠性也大幅提高，在國內其他電廠已有很多的應用業績。便捷的技術交流和探討、快速備品備件提供和周到的售后服務及投資成本的相對經濟等是國內設備廠家的優勢，設備國產化也是我國設備制造和技術進步的必然發展趨勢。因此建議加強對國產高壓變頻器研發、技術特點及具體應用情況的調研，為下一步的設備國產化做好準備。

（4）加強系統內外電廠高壓變頻運行故障情況的統計匯總分析，促進經驗共享和技術交流，制定反措，避免類似問題的重復發生，提高設備運行可靠性。

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