海上平臺電潛泵變頻柜故障原因及處理

鄭建峰

摘要：電潛泵變頻柜在避臺返回后重啟的過程中發生多起IGBT擊穿的事故，變頻柜整流模塊在合閘上電備機時，短到幾秒長則十幾秒之內，變頻柜內部發出劇烈的爆炸聲，隨即回路電源開關跳閘。文章對海上平臺電潛泵變頻柜故障原因及處理措施進行了探討。

關鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管；IGBT；擊穿（炸機）；海上平臺；電潛泵；變頻柜 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN733 文章編號：1009-2374（2016）17-0148-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.072

1 IGBT擊穿故障原因分析

2013年在避臺風回到平臺恢復生產時，南海某A平臺B-22H和B-11H各有一整流模塊在送電時內部炸機，當時廠家ABB人員隨即從B-03H變頻柜拆下一個整流模塊恢復B-22H變頻柜；另拆了一個模塊到B-11H變頻柜，再次送電時又炸機，另外一臺原先未損壞的模塊又出現了炸機。相隔不久，同時建造投產的姊妹B平臺也出現了6臺變頻柜炸機故障，同年11月4日，B平臺在臺風“羅莎”過后，復臺時候又發生兩臺變頻柜故障停機，分別是B20井和14井變頻柜，其中B20井變頻柜是整流側IGBT短路故障，B14井變頻柜是K13接觸器無法吸合故障，同一時段A平臺也有2臺變頻柜出現IGBT短路故障。平臺變頻柜連續發生模塊擊穿故障，而且問題是發生在避臺風回來的時候，模塊擊穿故障引起ABB廠方高度重視，指派其售后服務工程師現場檢查并提供調查處理報告。

1.1 IGBT擊穿原因廠家認為與受潮有關

電潛泵變頻柜在平臺陸地建造期間安裝時正好處于南方的梅雨季節，曾有一段時間不能進行驅潮工作，環境濕度較大。在設備投產前，雖然進行了長時間除濕和除塵工作，變頻柜表面的水跡已經干了，但是受潮后會在一定時間內影響變頻柜性能。雖經全面檢查和絕緣測試均達到了使用要求，在運行了一段時間，有一部分變頻柜在避臺后恢復生產重啟時出現IGBT擊穿，廠方售后工程師配合平臺電氣師重新檢查了全部變頻柜，發現受潮問題也只是個案，不能代表所有設備情況一樣，受潮并不是IGBT擊穿的主要原因。

1.2 設備上電后啟動整流前暖機驅潮工作未做好

廠家認為設備上電后啟動整流前暖機驅潮工作未做好，為此平臺電氣師按要求進行了全面檢查和整改

工作：

1.2.1 變頻柜上電前先抽出變頻柜整流及逆變模塊，檢查變頻柜交直流主回路相間、相對、二次回路對地絕緣有無問題。

1.2.2 用萬用表測量整流模塊及逆變模塊輸入輸出各極有無接地，測試合格后將整流模塊及逆變模塊重新安裝好。

1.2.3 確保在電機電纜與逆變模塊輸出端子U2、V2、W2斷開的情況下，用耐壓測試儀在電機繞組、電機電纜與保護地之間施加國家標準規定的直流電壓，絕緣電阻應符合國標準規定要求阻值。

1.2.4 用耐壓測試儀在直流母排正負極母線、交流母排相間以及交直流母線對地間施加國家標準規定的直流電壓，絕緣電阻符合國家標準規定要求阻值。

1.2.5 按照運行措施和規范的要求，檢查柜體應無明顯的凝露和潮濕的現象，如果環境潮濕，必須采取強通風措施，在運行前必須先啟動逆變模塊風機運行30分鐘進行驅潮。

1.3 要求變頻柜空間加熱器電源必須連續工作

廠方要求變頻柜空間加熱器電源必須連續工作不能有中斷，為此平臺電氣師為每一臺變頻柜電加熱器重新敷設了由不間斷電源（UPS）供電的電纜，同時在避臺期間因空調無法運行，為達到調控濕度要求，安裝了三臺除濕機進行連續工作。

平臺電氣根據廠家的調研報告進行了一系列的整改工作，但是變頻柜擊穿故障并未停止。2013年11月27日，避臺返回恢復生產時又發生三組變頻柜發生同樣的IGBT模塊擊穿故障，同時B平臺也有兩臺變頻柜IGBT模塊短路擊穿故障。初步的原因分析并不明朗，故障的頻繁出現引起了各級領導和工程師的高度重視，也得到了ABB廠家的技術支持，廠家再次安排傳動方面專家進行現場調查和取證返廠進行分析研究。

2 IGBT擊穿故障根本原因分析

按照變頻柜廠方專家要求，重新進行全面檢查，并更換為未投產井同等功率變頻柜的相同模塊（屬于同一批次），進行現場重復啟動運行測試。記錄各項參數、運行曲線、故障時間點等方面展開。著重檢測分析短路故障發生上電啟動整流模塊的起始時間段，在廠方專家現場的幾次上電、啟動、運行測試過程中，再次發生了兩臺變頻柜IGBT模塊擊穿故障，由于是親身經歷廠方專家對自身產品性能的認識有了重新思考，也驗證平臺方電氣師的判斷——IGBT發生擊穿故障有一個共同特點，就是在變頻柜上電啟動整流部分的前幾秒鐘內發生的。如果躲過去這個啟動擊穿時間節點，那就可以連續運轉至停機是不會擊穿的，如果在啟動整流模塊時間點與這個時間節點重合，即發生擊穿故障并伴有一聲巨響。為分析擊穿的根本原因，廠家立即將損壞的模塊及尚未發生問題的兩組模塊帶回廠實驗室進行分析研究，并記錄下所有產品的批次代碼及產地等信息，再次分析IGBT擊穿故障，尋找問題的根本原因。

2.1 查閱隨機資料分析

2.1.1 AGDR（驅動板）提供觸發信號去控制IGBT的導通和關斷，AGDR從AINT接收的電壓及控制信號經過各種電路轉換成控制IGBT導通關斷的觸發信號，如果中間任何元件故障造成觸發信號丟失，則AINT接收不到反饋信號，RDCU會給出模塊短路故障，有時候觸發信號沒有完全丟失，但信號不正常，一般會報出模塊電流不平衡故障。

2.1.2 故障的AGDR板返回分析（送檢的IGBT驅動板），首先檢查外觀有沒有元器件損壞：如果有，直接檢測損壞的元器件，再根據原理圖檢查有無其他元器件損壞，最后上電運行測試；如果沒有，需要先上電測試，用示波器觀察電路各部分的波形，發現有問題的部分再根據原理圖進一步檢查

2.2 廠家試驗報告分析

下面是AGDR板上有關陶瓷電容電路（C213～C216）部分的簡單結構，這一部分目前發現的有四種損壞的情況：

2.2.1 C213或C214損壞，內部結構損壞導致電容變成一個電阻特性，即在+15V和GND之間加了一個電阻，造成IGBT的驅動波形向下偏移，直接影響了IGBT的正常導通和關斷。

2.2.2 同樣C215或C216損壞，造成了IGBT的驅動波形向上偏移，也會影響了IGBT的正常導通和關斷。

2.2.3 如果C213或C214其中一個損壞，同時C215或C216也有一個損壞，這樣在整流的+15V和-8V之間直接形成了一個通路，電流會變大，同時會造成整流二極管V201和V221燒壞。

2.2.4 外觀檢查時有時會發現一個電阻R203燒壞，原因是C213或C214損壞后，在這個電阻上產生了大約2V左右的壓降，電阻參數是功率0.25W，阻值10Ω，容易造成這個電阻燒壞。

2.3 根據相關技術資料分析

2.3.1 變頻柜快熔保險的熔斷時間應該在20毫秒級，對IGBT也是一個過載保護。

2.3.2 變頻柜的輸出電流大，也會延長IGBT管的關斷時間，導致直通。

2.3.3 驅動不足也即驅動電壓偏低，容易使IGBT管進入放大狀態，IGBT管的功耗大幅增加，IGBT管將迅速燒毀。

2.3.4 IGBT發生擎住效應后，漏極電流過大造成了過高的功耗，最后導致器件的損壞。

2.3.5 IGBT具有極高的輸入阻抗，容易造成靜電擊穿，故在存放和測試時應采取防靜電措施。

2.3.6 在并行連接的逆變單元模塊中，傳動檢測到逆變單元中過高的輸出電流不平衡。這可能是由于外部故障（接地故障、電機故障、電纜故障等）或內部故障（損壞的逆變器部件）引起。

2.3.7 變頻柜硬件故障（APBU/NPBU）板——檢查并聯整流器的分配單元板。

2.3.8 直流電容器容量變化——可在傳動上電但未調制時檢測直流電壓是否穩定。

2.3.9 控制盤柜型號與傳動應用程序的版本不兼容——檢查其型號與程序的版本。

2.3.10 不正確的整流/逆變器型號——比較傳動單元的額定銘牌與軟件中的參數配置。

3 故障處理和防范措施

第一，廠家免費為平臺更換存在設計缺陷的同一批次全部IGBT模塊共500多塊（整流和逆變）。

第二，改進變頻柜冷卻風機運行控制模式，更改兩個平臺共55組變頻柜內部接線，上電時立即啟動冷卻風機為內部熱備機條件，干燥一段時間后再啟動主回路。

第三，變頻柜內部電加熱器電源改為由平臺不間斷電源UPS專門供電，停機時連續自動加熱驅潮，電潛泵開關間（VFD）安裝除濕機，其電源供給也使用不間斷電源。

第四，制定詳細的海上維護保養技術措施和注意事項：定期做維護保養使設備長期穩定運行；在沒有斷開變頻柜外部電纜連接的情況下，不要對外部電纜進行絕緣測試；當再次連接電機電纜時，應檢查相序是否正確；逆變模塊的中間回路使用了多個電解電容。這些電容的使用壽命至少有90000小時，實際壽命取決于傳動單元的運行時間、負荷及環境溫度。通過降低環境溫度可以延長電容器的壽命。

4 結語

經過變頻柜廠家和平臺電氣師的反復調查和分析研究，查出變頻柜接連發生故障的根本原因是該批次IGBT模塊存在設計上的缺陷，不適合海上環境下使用。廠家免費更換此批次IGBT模塊，并和平臺電氣采取了一系列的防范措施，返臺或平時啟動變頻柜再未出現過IGBT模塊短路的炸機情況，變頻柜運行一切正常。

參考文獻

[1] 李麗.電工與電子技術[M].北京：石油工業出版社，2007.

[2] 浣喜明，姚為正.電力電子技術[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] ABB變頻柜傳動單元圖紙資料和設備交付時設備隨機文件[S].

（責任編輯：秦遜玉）