空分內壓縮變頻氧泵頻繁跳車的一次故障診斷分析

黃華東

摘 要：近幾年隨著工業的快速發展，空分裝置也往大規模方向發展，裝置的穩定性直接影響著下游用氣工藝裝置的可靠性，而內壓縮氧泵在空分裝置中起著關鍵的作用，一旦氧泵跳車，整套空分裝置也將觸發保護跳車，進而對下游工藝裝置造成巨大損失，大量的下游產品將報廢，動輒損失將達成百上千萬。最近國內某一空分裝置發生一起內壓縮變頻氧泵頻繁跳車的事故，文章詳細描述其故障診斷及故障解決的過程，本文鮮活的例子可為相關專業人員提供一些借鑒及幫助。

關鍵詞：內壓縮氧泵；變頻器；主接觸器；缺相保護

中圖分類號：TH452 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）20-0101-02

再可靠的空分裝置也難免會有故障發生的時候，一旦發生故障，作為專業工程師通過第一時間記錄的信息，診斷、分析故障，找出故障原因，進而解決故障，最快時間恢復空分裝置的生產，把損失降到最低，是唯一可選擇的最佳辦法。

1 故障的出現

2015年1月20日15時56分，液氧內壓縮泵A在備用狀態下跳車。經查，跳車動作是變頻器柜的缺相保護引發的。檢查當時和之前的DCS記錄，確定這臺泵是2015年1月20日14時50分起動的，一直作為備用泵運行在1 045 rpm轉速下。從20日15時26分起出現了功率波動，功率從10.5 kW直接波動到20.0 kW后就回到10.5 kW，沒有跳車。在15時56分跳車。20日16時10分再次起動，運行在1 045 rpm轉速下，20日16時56分出現了功率波動，功率從10.5 kW直接波動到25.0 kW，直接跳車。氧泵電機相關功率、電流數據在DCS上均有實時趨勢記錄。

設備跳車后，檢查了變頻器柜、電動機和電纜，未見明顯異常。跳車原因是變頻器缺相保護。因此決定逐一排查此回路中的各個部件。

2 尋找和定位故障源

我們判斷問題可能是：

①變頻器誤報故障。

②變頻器——電纜——電動機回路中確實有缺相故障。

2.1 尋找故障源

首先在征得內壓縮氧泵廠家的同意后，取消變頻器的缺相跳車保護。變頻器調試人員用筆記本電腦監控變頻器。然后起動這臺氧泵。當出現功率波動時，從監控筆記本電腦上讀出了三相電流確實不平衡。同時用鉗形電流表檢測三相電流，也證實了這一點。

以下是本次測試的數據記錄：（測試時間：2015年1月25日9時40分）

①起動后電機工作正常，三相電流平衡，轉速2 175 rpm，功率80.2 kW，測得電流電壓數據如下：

Ia：180 A Ib：180 A Ic：180 A

Uab：294 V Ubc：294 V Uca：294 V

②25日15時10分電機工作異常，三相電流不平衡，轉速2 175 rpm，功率從80.2 kW波動到63 kW，測得電流電壓數據如下：

Ia：12 A Ib：360 A Ic：360 A

Uab：320 V Ubc：270 V Uca：290 V

由此確定回路上確實嚴重的不平衡，足以觸發缺相保護。

2.2 確定故障源的方法

為了確定故障源，現場采取了逐步更換設備的方法。

2.2.1 更換變頻器模塊

2015年1月26日現場首先嘗試更換變頻器的逆變器功率模塊（即變頻器負載側的功率模塊。變頻器還有電源側的功率模塊，即整流模塊，我們認為與這一缺相故障無關）。然后更換了變頻器的控制模塊。這兩次更換后回路表現沒有變化，運行2 h后就出現缺相故障。26日19時起動，內壓縮氧泵工作在2 175 rpm轉速下，20時30分出現功率波動，功率由80.2 kW波動到63 kW，然后一直以63 kW功率運行到27日9時15分停車。

27日11時起動，內壓縮氧泵工作在2 175 rpm轉速下，11時40分就出現功率波動，功率由80.2 kW波動到63 kW，出現功率波動后停車。27日16時40分起動，氧泵工作在2 175 rpm轉速下，17時10分就出現功率波動，功率由80.2 kW波動到63 kW，出現功率波動后停車。

2.2.2 調換輸出電線

2015年1月27日把變頻器輸出到電抗器輸入的三相連接電纜換向。

調整后測試如下：（測試時間：2015年1月27日11時）

①起動后電機工作正常，三相電流平衡，轉速2 175 rpm，功率80.2 kW，測得電流電壓數據如下：

Ia：180 A Ib：180 A Ic：180 A

Uab：294 V Ubc：294 V Uca：294 V

②27日11時40分，電機工作異常，三相電流不平衡，轉速2 175 rpm，功率波動63～80.2 kW，測得電流電壓數據如下：

Ia：360 A Ib：12 A Ic：360 A

Uab：294 V Ubc：320 V Uca：272 V

變頻器輸出故障從A相到B相。而變頻器輸出B相對應的正是先前的A相回路。

以上嘗試基本排除變頻器的嫌疑，問題應在變頻器以下的A相回路上。

2.2.3 電纜檢查

從變頻器柜（即從主接觸器下端口）到內壓縮氧泵電動機使用了兩根變頻專用電纜，其型號是：ZR-BPYJVPP 2-0.6/1 kV

-3x120+3x50；其輔芯（3x50）兩端都接地；其屏蔽層在變頻器柜內單端接地。

電纜主芯兩端分別從變頻器柜和電動機上脫開，進行絕緣測試，結果見表1。

電纜直流電阻測試（電機側用一根細電纜短接電纜兩相，在變頻器側測量電阻），結果見表2。

檢查未發現電纜有異常。

2.2.4 更換電動機

用B套空分同型號氧泵的電動機替換此臺氧泵的電動機更換電機后，初次試運行持續了20 h左右。在測試過程中，氧泵A處于低轉速狀態，轉速：1 045 rpm，功率為10.5 kW。測試過程中出現幾次功率波動，最大的功率波動范圍約為1.5 kW，電機功率由10.5 kW變換到12 kW，再到9 kW，然后恢復到10.5 kW，此過程在2 s以內。其他幾次功率波動只有0.5 kW左右。由于波動現象出現并沒有規律，持續時間很短，現場沒有能獲得在功率波動時的電機三相電流數據。

對比另一臺型號相同的后備氧泵，也處于低轉速狀態，轉速：1 045 rpm，功率為10.5 kW，觀察該泵的運行趨勢，此泵的功率沒有任何波動，功率穩定在10.5 kW左右。

2015年2月27日7時20分起動，一直作為備用泵運行在1 045 rpm轉速下。27日16時30分出現了功率波動，功率從10.5 kW直接波動到31.0 kW后就跳車。2015年2月27日16時49分起動，一直作為備用泵運行在1 045 rpm轉速下。27日17時出現了功率波動，功率從10.5 kW直接波動到29.0 kW后就跳車。

2月28日空分裝置因其他原因跳車，3月1日裝置再次開車，繼續測試內壓縮氧泵A。2015年3月1日20時40分起動內壓縮氧泵A，一直作為備用泵運行在1 045 rpm轉速下。2日0時50分出現了功率波動，功率從10.5 kW直接波動到25.0 kW后跳車。

3月4日再次起動液氧內壓縮泵A，起動后馬上跳車，變頻器控制器面板上顯示缺相故障，連續起動三次都報相同故障，分析缺相的原因，只有可能是由主接觸器導致。現場屏蔽變頻器輸出，DCS工程師配合只閉合變頻柜內的主接觸器，測試主接觸器的性能，測試結果如下：

①主接觸器Aa間的電阻為5.4 K；主接觸器Bb間的電阻為0.3；主接觸器Cc間的電阻為0.3。

②主接觸器AB間的電阻為5.4 K；主接觸器AC間的電阻為5.4 K；主接觸器BC間的電阻為0.3。

根據上述實驗結果，可以判斷變頻器柜主接觸器A相工作不正常。電動機、接觸器、輸出電抗器和變頻器的關系示意圖，如圖1所示。

3月6日供應商的調試工程師到現場指導更換變頻柜內的主接觸器，現場打開更換下來的主接觸器，發現里面有明顯的燒痕跡象，如圖2所示。

2015年3月6日更換完變頻柜內的主接觸器后，15時30分再次起動液氧內壓縮泵A進行測試，一直作為備用泵運行在1 045 rpm轉速下，功率保持在11.0 kW左右，沒有明顯波動。內壓縮氧泵廠家工程師建議在轉速2 175 rpm下進行測試，更有對比性。

2015年3月7日8時30分轉速升到2 175 rpm，功率保持在82.0 kW左右，一直運行正常。根據業主要求，3月11日12時內壓縮氧泵A切換到備用狀態，轉速1 045 rpm，一直運行正常，3月13日11時55分內壓縮氧泵B切換到內壓縮氧泵A，以內壓縮氧泵A為主泵，在轉速3 131 rpm下運行向客戶供氣。

3 結 語

通過逐步分析、測試，最終診斷出故障來自變頻器柜內主接觸器的A相存在故障導致缺相。如同破案人員所采取的抽絲剝繭、層層過濾的方法，也正是專業電氣工程師所需要具備的，只有如此，電氣工程師在遇到故障情況下不慌張，相信通過最終努力能找出故障原因，恢復生產，并把損失降低到最小。

參考文獻：

[1] 李方園.變頻器行業應用實踐[M].北京：中國電力出版社，2012.