火電廠高壓變頻器故障分析與探討

摘 要：本文主要闡明火電廠高壓變頻器的節能原理及對高壓變頻器的特殊要求，并在此基礎上著重分析實際工作中常見故障情況的原因和特殊案例對策探討，以供相關專業技術人員參考。

關鍵詞：火電廠；高壓變頻器；故障分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.143

1 引言

目前，我國處于經濟轉型的重要時期，節能降耗已成為轉型期的工作方向和重點之一。隨著國家節能降耗工作的進一步推進，高壓變頻器技術在火電廠大功率輔機電動機上得到了廣泛的應用，有效降低了火電廠廠用電率，提高了機組運行水平，如何有效降低火電廠高壓變頻器的故障率對于發電機組的安全穩定運行具有十分重要的意義。

2 高壓變頻器的節能原理

2.1 由三相異步電動機的工作原理可知

n=n0（1-s）=60f/p（1-s） （1）

式（1）中：n為電機的轉速（r/min），n0為電機的同步轉速，s為電機的轉差率，f為電機電流頻率（Hz），p為電機的極對數。

由于電機的轉差率s變化很小（交流異步電機額定負載時，轉差率s約為0.015～0.060），且電機的極對數p為固定值，因此電機的轉速n 與電機電流頻率f近似于正比例關系，所以降低電機電流頻率f就可以降低電機的轉速n。

2.2 三相異步電動機定子每相繞組中產生的感應電動勢有效值為

E1=4.44Kf1N1Φ （2）

式（2）中：E1為定子繞組感應電動勢有效值（V），K為繞組系數，約等于1，f1為定子繞組感應電動勢的頻率（Hz），N1為定子每相繞組匝數，Φ為旋轉磁場的每極磁通（Wb）。

由于三相異步電動機的繞組系數K和定子每相繞組匝數N1為固定值，且定子繞組感應電動勢的頻率f1等于電機電流頻率f，因此若想保證旋轉磁場的每極磁通Φ恒定不變，調節電機電流頻率f的同時，還要調節電機的電源電壓E1。

2.3 根據風機類負載的工作特性，在風道阻力不變的情況下，根據相似定理

由P∝n3 得出 P/Pe=（n/ne）3 （3）

式（3）中：P為電機的功率（kW），Pe為電機的額定功率（kW），n為電機的轉速（r/min），ne為電機的額定轉速（r/min）。

通過調節電機的轉速n來改變風量，當需求風量降至額定的一半時，電機的功率P下降至12.5%電機的額定功率Pe，其節能效果十分顯著。而對于水泵類負載，當管網特性不變，且對水壓沒有要求時，其調節情況與風機類負載類似，節能效益比恒壓供水要顯著得多。

3 火電廠對高壓變頻器的特殊要求

對于火電廠而言，設備的安全可靠運行是安全生產的重要保障。若火電廠大功率輔機電動機因變頻器故障造成停運，往往會導致發電機負荷大幅度下降，甚至造成發電機停機、鍋爐熄火停運等，從而導致發電機組非計劃停機，其造成的影響及損失，遠不是節能效益可以比較的，因此火電廠對高壓變頻器運行的安全可靠性具有非常高的要求。

3.1 高壓變頻器的工變自動互切

當高壓變頻器保護動作或出現嚴重故障，以及高壓變頻器需要檢修而高壓電機不能停運時，高壓變頻器均可自動完成由變頻運行狀態切換至工頻運行狀態，且不影響發電機組的正常運行；當高壓電機在工頻運行狀態時，若要重新投入變頻，高壓變頻器可自動完成由工頻運行狀態切換至變頻運行狀態。

3.2 高壓變頻器功率單元的旁通

當高壓變頻器某一個功率單元出現故障且在允許旁通的情況之下，高壓變頻器可以在最短的時間內實現故障功率單元的旁通，并保持輸出電壓波形的完整。

3.3 高壓變頻器瞬時停電再起動

當火電廠高壓母線電壓暫降（相同母線上多臺高壓輔機電動機同時啟動、電網電壓波動造成的高壓母線電壓降低等）時，高壓變頻器停止輸出，當電源電壓恢復時（停電時間一般在3～10秒之間），高壓變頻器從檢測到的電機轉速開始驅動電動機回到原來運行的工況。

3.4 高壓變頻器控制電源的冗余配置

為了保證火電廠高壓變頻器的安全可靠運行，其控制電源應采用冗余化配置。一方面，高壓變頻器可以配備獨立的UPS裝置，當高壓變頻器控制電源失電后，可以由UPS裝置為控制系統供電；另一方面，高壓變頻器可以配備雙路控制電源的切換功能（通常為一路交流、一路直流），當一路控制電源失電時，高壓變頻器可以無擾動的切換至另一路控制電源為控制系統供電。

3.5 高壓變頻器的遠方監控

高壓變頻器應將自身的開關量（通常為硬接點，如開關狀態、變頻器運行信號、故障信號等）、模擬量（通常為4～20mA量，如給定頻率、運行頻率、變頻運行電流、工頻運行電流等）送至DCS系統進行遠方監控，同時DCS系統的控制命令也送至高壓變頻器，以便于高壓變頻器遠方監視、調節、操作及故障分析等。

4 火電廠高壓變頻器常見故障及原因分析

（1）功率單元過壓。主要原因有功率單元輸入電壓偏高、被其它功率單元充電、控制板過壓檢測功能異常、高壓變頻器降速時間設置過短。

（2）功率單元輸入缺相。主要原因有移相變壓器對應繞組異常、熔斷器損壞、控制板檢測線異常、控制板缺相檢測功能異常。

（3）功率單元過熱。主要原因有單元柜散熱風機異常、單元柜濾網堵塞、溫度開關損壞或誤動作、溫度開關連接線異常、功率單元控制板過熱檢測功能異常。

（4）功率單元驅動故障。主要原因有IGBT損壞、IGBT短路、驅動板損壞、驅動板失電、驅動板與控制板連接線異常、控制板檢測故障。

（5）高壓變頻器輸出過流。主要原因有電纜絕緣異常、高壓電機絕緣異常或機械異常、負載存在堵轉或機械損傷、高壓變頻器過流參數設定異常、移相變壓器波形異常、移相變壓器絕緣異常、霍爾元件損壞、高壓變頻器主板電流檢測異常。

（6）高壓變頻器輸出過載。主要原因有高壓電機堵轉或負載超載運行、高壓電機異常、高壓變頻器過載參數設定異常、高壓變頻器輸出電壓波形異常、霍爾元件損壞、高壓變頻器主板電流檢測異常。

（7）高壓變頻器瞬停失敗。主要原因有高壓變頻器輸入變壓器信號異常、輸入變壓器信號連接線異常、主板電壓檢測功能異常、電機自由旋轉停機時間過短。

5 火電廠高壓變頻器故障案例分析與探討

（1）2014年2月27日，#6脫硫增壓風機變頻器停運切工頻運行。就地檢查變頻器A1、B1、C1三個功率單元均存在不同程度的燒損，其中A1功率單元損壞最為嚴重，電解電容、輸入熔斷器、整流橋、單元控制板和驅動板均嚴重燒損，B1功率單元輸入熔斷器熔斷、部分元器件被灼傷，C1功率單元控制板、驅動板被燒損。

原因分析：A1功率單元電解電容有明顯漏液的痕跡，屬于電解電容個體老化原因。當變頻器運行時，A1功率單元電解電容損壞，導致輸入熔斷器通過大電流而爆裂，電解液和熔斷器里的導電物質飛散， 致使B1、C1功率單元的控制元器件受到不同程度的燒損。

防范措施：更換故障損壞的功率單元，同時對其它功率單元進行修復檢測；檢測變頻器的全部控制板件、單元柜風扇等是否正常，如有問題對其進行更換測試；定期更換功率單元內部的電解電容。

（2）2015年4月23日23時，#6脫硫增壓風機變頻器報單元柜風扇故障（輕故障可繼續運行），4月24日00時，變頻器報單元旁通運行，隨后報主板重故障，變頻器停運切工頻運行。就地檢查變頻器功率單元柜風扇熱偶已動作，查詢故障記錄，判斷為B4功率單元過熱導致主板重故障。

原因分析：拆解功率單元柜風扇，其線圈內部已燒損，風扇停止工作后導致B4功率單元過熱，進而引起主板重故障切工頻。

防范措施：對功率單元柜風扇全部進行更換；全面檢查功率單元柜各測溫元件是否正常；變頻運行時檢查風機轉向是否正確；對變頻器功率單元柜風扇進行全面普查，檢查更換記錄，按期更換；定期更換（清洗）功率單元柜濾網，以保證冷卻系統的性能。。

（3）2015年12月14日，8號機C凝結泵變頻器發“輕故障”告警信號，現場查看A4功率單元故障指示燈常亮，變頻器反復旁通運行，當運行頻率漲至45Hz準備進行變切工操作時，變頻器發重故障告警信號，同時切工頻運行，就地檢查A4功率單元已燒損。

原因分析：變頻器A4功率單元內部板件存在異常或板件間連接異常，導致A4功率單元四只IGBT關閉，使變頻器A相其它4個功率單元對A4功率單元進行充電，致使A4功率單元直流過壓，且A4功率單元電容長期處在充放電狀態，其發熱量加大。當8號機C凝結泵變頻器升頻準備進行變切工操作時，其A4功率單元電容電壓進一步升高，漏電流變大最終發熱燒損。

防范措施：核對變頻器重要元器件的過壓、過流、過熱參數，確保重要元器件的選配滿足現場的實際需求；對變頻器主回路及所有電氣連接的緊固性進行全面的檢查，并通過試驗檢測功率單元的輸出電壓波形。

6 結束語

高壓變頻器在火電廠具有較好的應用前景，火電廠對高壓變頻器可靠運行的高要求也將促進高壓變頻技術的不斷完善和發展。降低火電廠高壓變頻器的故障率，必將為降低廠用電率、提高發電機組的運行水平提供重要保證。

參考文獻：

[1]鄧星鐘.機電傳動控制（第三版）[M].華中科技大學出版社.

[2]東方日立（成都）電控設備有限公司.DHVECTOL系列變頻器培訓教程.

作者簡介：郭巍（1982-），男，吉林集安人，本科，工程師，主要從事發電廠電氣繼電保護極其相關工作。