關于壓氣站壓縮機GM150變頻器外部故障的研究與分析

卓麟 姜歡笑

（1． 中石化川氣東送天然氣管道有限公司 2．中國石化集團上海工程有限公司）

0 引言

某管道目前采用的都是電壓源型的電驅壓縮機，利用中壓變頻器為高壓電機供電，驅動離心壓縮機對管道天然氣加壓，實現天然氣逐級輸送。該管道采用的電壓源型的變頻器有高壓級聯結構的變頻器，有鉗位二極管結構的高壓三電平變頻器，有DTC直接轉矩控制的五電平電壓源型變頻器，而前兩者變頻器主要使用空間矢量控制。目前該管道采用的中性點鉗位三電平電壓源型變壓器是西門子的SINAMICS GM150水冷IGBT型三電平變頻器。

SINAMICS GM150變頻器的整流側是獨立整流，所有的IGBT功率板共用一個直流母線排，其上級就是24脈波整流，24脈波整流由24個不可控的整流二極管組成。當SINAMICS GM150變頻器發生外部故障時，有很多原因都可以觸發該故障，例如移相變壓器的瓦斯故障、10kV開關柜故障、阻尼柜故障等。但其中一個外部故障，介于移相變壓器4個副邊繞組與變頻器整流側之間，當該故障發生時，變頻器系統難以判別故障是發生在移相變壓器那一側，還是變頻器整流這一側，故很容易造成現場故障情況誤判。在深入研究變頻器系統直流母線電壓波形的基礎之上，可以在測試情況下較快發現變頻器外部故障的問題所在。

1 實際案例分析

1.1 某壓氣站現場情況分析

該管道某壓氣站在走壓縮機啟機程序過程中，當到第八步主電機啟動步驟時，在約10s時間后，壓縮機UCP站控機上直接顯示壓縮機組“XA/COMMON TRIP”故障跳車報警，電機未能啟動，電機轉速也未有任何變化，如圖1所示。同時，變電站1號主變差動保護啟動，壓縮機生產機組變頻器發生失電跨越現象，電機轉速在5s內由1255rpm降至1130rpm后，又繼續升速運行。在電機轉速升速前，10kV的I段諧波濾波退出運行，1號空壓機停運，壓縮機變頻器的10kV中壓開關柜顯示電流速斷保護報警。

壓氣站現場工作人員及時拍下變頻器急停按鈕之后，對壓縮機變頻器10kV中壓開關柜進行下電，同時對變頻器阻尼柜進行開柜檢查，發現阻尼柜LV2相的一處阻尼電阻斷裂，部分阻尼電阻存在變色現象，部分瓷瓶也存在變色現象，初步判斷是阻尼柜內出現了過流現象，并引起10kV開關柜REX521綜保裝置進行了速斷保護，也引起了變電站1號主變差動保護啟動。

針對變頻器阻尼柜出現過流現象的問題，有如下可能的原因：①系統一次側未出現短路點，壓縮機組在啟動主電機的過程中，阻尼柜的斷路器未按啟機時序邏輯進行合閘，使得勵磁涌流在短時間內積聚阻尼電阻，造成阻尼柜內阻尼電阻電流過大；②系統一次側出現了短路點，要在整個系統中，一段一段的去排查短路點所在的位置，并進行相應的電氣試驗驗證。

1.2 某壓氣站案例試驗波形分析

在對壓縮機變頻驅動系統一次設備的電氣預防性試驗檢查中，試驗結果并未發現問題。在對壓縮機變頻驅動系統進行的開關聯鎖合閘試驗、預充壓及開關聯鎖合閘試驗中，當10kV開關柜斷路器合閘2.2s后，阻尼柜斷路器能夠正常合閘，證明變頻器到中壓開關柜與阻尼柜斷路器的合閘邏輯控制正常，排除了啟機時變頻器阻尼柜斷路器合閘失敗導致過流的問題。

在110kV變電所的北京四方系統的保護錄波中，根據壓縮機啟機故障時，110kV線路與10kV線路的保護啟動錄波來看，在壓縮機啟機故障發生的一瞬間，壓縮機變頻驅動系統阻尼柜處產生的故障電流為I=1.6A×(600/1)×(110kV/10kV)=10560 A，瞬時故障電流較大，已經遠超過10kV開關REX521綜合保護裝置的2.8In的速斷電流保護的過流限值，如圖2所示。

在拆除壓縮機阻尼柜斷路器的出線銅母排，同時用高壓熱縮管保護，確認保護措施合格后，測試10kV開關柜到變頻器阻尼柜斷路器之間的邏輯鏈路，并將測試的10kV電流速斷保護設定為0.1In、1.0In、1.6In、2.8In，相應電流速斷保護動作試驗合格后，進行壓縮機GM150變頻器的直流母線電壓波形的正半波和負半波測試，測試結果如圖3所示。

GM150變頻器的直流母線電壓波形的正半波和負半波測試結果顯示，在對變頻器進行直流母線電壓的500V預充壓試驗中，查看全波形圖，發現直流母線電壓波形圖存在不對稱性，底部波形圖存在一定傾向角度的畸變，波形傾斜且不對稱的原因是部分直流母線電壓的負半波在充壓時，存在電壓泄放現象，而造成變頻器直流側母線電壓負半波切斜的情況，很有可能是變頻器整流二極管單元某處被擊穿，導致電壓預充壓時，一開始又沒有直流母線電容的電壓支持作用，所以導致系統一開始預充壓時，電壓就開始泄放。故立即對GM150變頻器的整流側的24個整流二極管進行排查。在對變頻器整流側24個整流二極管的測試過程中，同時對24個整流二極管的通斷進行測量，也用VC890對整流二極管的極性進行測量，在不拆除整流二極管的安裝結構時，測量結果為正常情況為正向電壓為0.281V，反向電壓為2.401V，在測完24個整流二極管時，發現變頻器直流母線側A11處整流二極管（V3）被擊穿，而A12處整流二極管（V3）反向電壓為2.307V，反向電壓偏低，如圖4所示。

2 案例后續處理分析

2.1 案例排查結論分析

根據以上結果，如遇類似壓縮機故障，可以對某壓氣站的壓縮機故障問題，先進行理論層面的詳細分析，然后通過各項試驗來驗證上述理論中各項事實細節，同時對壓縮機阻尼柜、移相變壓器及其連接電纜的預防性試驗進行復核，并對電壓縮機驅系統的二次控制邏輯進行一一測試，來驗證以投產標準的多項測試中可能出現的故障原因線索。

在壓縮機變頻器預充壓測試、IGBT觸發測試和直流半波測試等測試中，若再次發生外部故障，而無其他現象，例如此次案例，就可以發現變頻器直流母線半波測試的負極半波在充壓初始存在泄壓現象，同時在錄波圖中呈現出一條與正常波形不同的壓升斜線。根據這個壓升斜線的理論指示位置，最終查明GM150變頻器整流側，A11模塊的V3整流二極管被擊穿，A12模塊的V3整流二極管有瑕疵。在更換被擊穿的整流二極管后，同時利用拼裝阻尼柜進行試驗，并修復該故障，該壓縮機現場成功進行了電機升速試驗，機組以975rpm轉速穩定運行20min，逐步升速至1050r/min，最終升速至1450r/min。從而實現了拼裝阻尼柜和全新阻尼柜的壓縮機升速試驗，壓縮機變頻驅動系統的運行均正常。

在拼裝阻尼柜和全新阻尼柜的投產標準測試項目的測試中，測試包括投產標準的測試、機組性能極限性能測試，并重載平穩運行超過48h，運行功率5500kW，電機轉速1400r/min。本次壓縮機現場問題處理中，通過電氣試驗合格的拼裝阻尼柜，不僅電氣預防性試驗合格，同時多次升速極限試驗也能證明，拼裝阻尼柜完全可以正常使用，目前按相關規定暫時只作為壓縮機機組的應急使用。

2.2 案例排查啟示

在今后的壓縮機啟機過程中，通過此次案例分析，可做好以下工作：①對于中壓開關柜發生速斷保護動作問題時，往往是由于存在對地放電或相間短路產生的，要找到故障原因點，待故障排查后才能進行送電測試：②在開展壓縮機變頻器的日常檢查維護時，對變頻器的整流二極管通斷情況要進行測量，發現二極管的正向和反向電壓異常時及時進行處理；③要加強壓氣站變頻器的專業知識的培訓學習和維修經驗積累，遇到類似問題時，能及時找到故障原因點，準確快速的排除故障。

3 結束語

綜上所述，天然氣長輸管道作為國家能源的大動脈，保證天然氣長輸管道的安全穩定運行是社會和企業的一項重要責任，如何實現壓氣站壓縮機不明故障的快速排查，需要做很多相關壓縮機檢維修技術的相關研究，從而才能保障壓縮機故障快速維修的技術可行性，這對于天然氣長輸管道的壓縮機故障的疑難雜癥問題提供了一個新的解決途徑。對于西門子GM150變頻器、國產變頻器本身邏輯結構的故障盲點，以及在失電跨越等方面的故障盲點，急需更詳實的重點研究，來取得壓縮機檢修修技術的階段性突破，為壓縮機進口變頻器和國產變頻器的重難點故障的快速解決奠定堅實的基礎。