提高高壓變頻器運行可靠性的研究

鐘國亮 胡 波 黃春偉

（1.廣州華潤熱電有限公司，廣東 廣州 511455；2.廣州智光電氣股份有限公司，廣東 廣州 510700）

1 概述

某電廠投產(chǎn)以來綜合廠用電率一直偏高，據(jù)統(tǒng)計綜合廠用電率達8.19%，一定程度上影響到電廠的經(jīng)濟效益。為響應國家“節(jié)能降耗”的號召，提高設備自動化水平，降低廠用電率，提高機組的經(jīng)濟運行水平,該電廠在2009～2010年期間對凝結水泵、一次風機、引風機及增壓風機進行了變頻改造。使用國內(nèi)一線品牌ZINVERT 系列高壓變頻器，對應的型號分別為：A6H-1250/06Y、A5H-1600/06Y、A7H-3750/06Y、A7H-2800/06Y，其中凝結水泵變頻器配置了自動旁路柜，在凝結水泵變頻器故障時能自動切工頻運行。其余風機變頻器配置了隔離刀閘柜，風機變頻器故障時需手動切換至工頻運行。該電廠為2×300MW 燃煤熱電聯(lián)供機組，單臺一次風機運行時只能帶160MW 左右的負荷，單臺引風機運行時只能帶200MW 左右的負荷，風機的突然停運甚至可能造成機組停運。隨著電改的深入，電廠發(fā)電負荷管控更加嚴苛，未來負荷“日清日結”，對燃煤發(fā)電企業(yè)來說將是一個巨大的挑戰(zhàn)，如何提高高壓變頻器運行的可靠性就顯得尤為重要。

2 變頻器散熱系統(tǒng)核算及優(yōu)化

為節(jié)約電能，提高高壓變頻器改造效益，將變頻器功率單元柜與移相變壓器隔開在不同的房間，功率單元柜與控制柜為室內(nèi)空調(diào)循環(huán)冷卻，移相變壓器和旁路刀閘柜為強制風冷，移相變房間墻體開孔設墻體濾網(wǎng)進風，柜頂設有風道，風機將柜內(nèi)熱風吹至室外。移相變壓器為H 級絕緣，能長期耐受較高溫度運行，對環(huán)境溫度要求不高。利用此特性，移相變壓器采用室外強制通風方式，能降低高壓變頻器冷卻所需的耗能，相比移相變室內(nèi)空調(diào)循環(huán)冷卻方式，能節(jié)省更多的空調(diào)耗能，經(jīng)濟性更好。

2.1 功率單元柜房間散熱系統(tǒng)核算

變頻器功率器件損耗，如SGCT、IGBT、IGCT 等，在設備運行時因為高頻開關切換，以及導通壓降等，會產(chǎn)生低通損耗與開關損耗，可以達到電動機功率的2%左右[1]。為此，對現(xiàn)有功率單元柜房間散熱系統(tǒng)進行了必要的核算，核算情況見表一。

變頻器為大量電子元器件的集成設備，其中功率單元柜與控制柜對環(huán)境溫度要求較高。變頻器廠家要求變頻器需運行在-5～45℃、濕度20～95%之間，一般應控制環(huán)境溫度在40℃內(nèi)。從表一可看出，#2、#3 變頻器室功率單元柜房間總制冷量雖小于房間總發(fā)熱量，因變頻器并不是長時間滿功率運行，房間年度最高溫度都能滿足變頻器運行對環(huán)境溫度的要求。#1 增壓風機功率單元柜房間總制冷量雖大于房間總發(fā)熱量，可房間年度最高溫度36℃偏高，因空調(diào)運行多年，制冷性能下降較快，有必要對房間空調(diào)進行更新?lián)Q代。

2.2 房間溫度監(jiān)視

在變頻器室每個房間顯眼的地方放置溫濕度計，方便巡檢時查看；在功率單元柜房間設置在線溫度測點，信號遠傳至集控DCS，房間溫度實時監(jiān)控，并設有溫度報警值，空調(diào)出現(xiàn)故障或房間溫度過高時能及時發(fā)現(xiàn)并處理。

2.3 電氣回路優(yōu)化

高壓變頻器所有散熱風機原設計共用一個電源開關，若其中一臺散熱風機故障將導致電源開關跳閘，所有散熱風機停運，從而導致變頻器過熱故障跳閘。對每臺柜頂散熱風機回路進行優(yōu)化，增加獨立控制的電源空開，一臺散熱風機故障不影響其它散熱風機正常運行，且處理單臺風機故障變頻器可不停運處理。

3 變頻器啟停管理

（1）加強變頻器定值管理，合理設置變頻器加速、減速時間，避免變頻器過流、過壓報警。根據(jù)負荷的不同，變頻器加速時間設定在70～120s，減速時間設定在70～300s。變頻器停運時應按照先降低變頻器輸出頻率至最小再延時斷開進線斷路器的順序進行操作，禁止直接在運行狀態(tài)拉開進線斷路器進行停運操作（故障處理除外）[2]。變頻器運行狀態(tài)下直接斷開進線斷路器，會對變頻器造成較大的沖擊，影響變頻器電子元器件壽命。故應對運行人員加強操作培訓，修改運行規(guī)程有關變頻器運維的內(nèi)容。

（2）變頻器停運后，及時開啟移相變房間的除濕機，功率單元柜房間可將部分空調(diào)關閉，部分空調(diào)設置為除濕模式，視天氣潮濕情況及停運時間長短判斷（一般停運48h以上），將停運的變頻器進風口墻體濾網(wǎng)、室外出口風道用塑料布包好，減小濕氣進入，防止變頻器停運后受潮。

表一：變頻器散熱系統(tǒng)核算表

（3）大容量高壓電動機，如增壓風機、引風機的縱差保護應在變頻運行時退出，工頻旁路時投入。

（4）當負載能夠帶動電機旋轉時，變頻器啟動前應將電機轉軸采取機械制動。如2017 年10 月10 日#2 增壓風機運行引起2B 引風機變頻器失速報警，造成功率單元C1過壓、直流電容警告，從而引起功率單元直流電壓保護重故障頻發(fā)，因故障時間短且恢復快，未達到定值延時，故變頻器并未因重故障而跳閘。失速時變頻器將被鎖住，頻率已不能調(diào)節(jié)，此時需停運變頻器，將電機轉軸采取機械制動后再重新啟動變頻器。

（5）長時間停用的變頻器啟動前或更換長期備用的功率單元備品時，應先進行預充電。高壓變頻器在不啟動的前提下可整體進行上高壓電充電，功率單元備品可直接施加400V 低壓電源進行預充電，防止功率單元內(nèi)電容因突然啟動時的充電電流過大而造成損壞[3]。對變頻器預充電10min 以上再啟動變頻器運行，能有效地減少變頻器啟動過程故障。

4 日常維護及檢修

變頻器保持適宜的溫濕度、潔凈度，對其日常維護及檢修到位，是變頻器正常運行的基本保證。

（1）變頻器每天至少巡檢兩次，檢查周圍環(huán)境的溫濕度，空調(diào)運行正常且風口朝上不對變頻器直吹避免設備受潮氧化，最好在空調(diào)出風口處加裝擋風罩進行隔離；設備無異常的振動、噪聲和氣味；檢查控制器面板的LED 和LCD 顯示是否正常，LCD 顯示有無報警信息，最近有無事件記錄需處理；移相變溫控器顯示是否正常及超溫；經(jīng)常使用1張A4 紙檢查變壓器柜、功率單元柜進風口風量，看紙張是否能被過濾網(wǎng)牢牢吸住，如有問題應及時排除[4]。

（2）濾網(wǎng)應定期清洗更換，濾網(wǎng)在回裝之前應保證徹底晾干，以免造成設備生銹或影響柜內(nèi)絕緣性能，根據(jù)粉塵情況制定清洗周期。在空調(diào)入風口加裝3M 空氣凈化濾網(wǎng)并定期更換，可降低功率單元柜房間的粉塵含量。

（3）每季度進行變頻器紅外熱成像工作并做好記錄，能較為及時的發(fā)現(xiàn)設備過熱點或隱患。

（4）功率單元易出現(xiàn)故障，每種類型變頻器最少備一件功率單元備件，同時適當采購散熱風扇、繼電器等備件，當變頻器出現(xiàn)故障時能及時恢復運行。變頻器各備件應存放在恒溫恒溫倉庫，確保備件完好無損。

（5）盡管定期清洗了濾網(wǎng)，因變頻器對室外抽風散熱形成了負壓，粉塵不可避免的進入柜體內(nèi)，建議每半年最少一次停電清灰檢查，螺栓緊固，絕緣子清掃，按預試規(guī)程周期和內(nèi)容要求進行嚴格的試驗。對系統(tǒng)輸入端進行電氣絕緣檢測試驗時，應將整流變壓器的鐵心和所有二次出線短接并接地后進行；對系統(tǒng)輸出端進行電氣絕緣檢測試驗時，輸出電纜不得接入單元輸出，否則將造成功率逆變系統(tǒng)損壞[5]。考慮每次機組大小修承接的單位不一樣，試驗人員技術水平也有高低，為避免試驗人員誤操作損壞變頻器，每次檢修前應對試驗人員進行詳細的交底。

（6）變頻器檢修后應上電進行調(diào)試，調(diào)試項目有①小電壓試驗：移相變高壓側接入400V 電壓，將控制器頻率調(diào)整到50HZ，測量各功率單元輸出電壓是否一致、平衡，電壓一般為36V 左右，試驗時需注意安全，防止高壓觸電；②模擬故障重啟：高壓開關或刀閘斷開，模擬待機運行，拔一根光纖迅速恢復，報故障停機，瞬時恢復（5s 內(nèi)故障恢復）；③模擬試運行：可驗證控制系統(tǒng)及散熱風扇運行是否正常；④充放電試驗：上高壓充電，5min 后斷高壓，查看單元直流電壓下降緩慢，各電壓值無明顯偏差，直到電壓降低至能打開柜門為止，下降時間應超過10min 以上，此試驗能驗證電容的好壞；⑤控制電源切換試驗：上高壓，檢查UPS 狀態(tài)正常，測量UPS 輸出電壓正常，斷外供380V電源，觀察控制器顯示屏無閃爍，散熱風扇運行正常，送外供380V 電源，自動切回此電源，觀察控制器顯示屏無閃爍，風扇運行正常，此試驗可間接驗證UPS 的狀況及固態(tài)繼電器的好壞；⑥單元旁路試驗：可驗證單元旁路功能是否正常。當某個單元故障時，同時將與其不同相的同級其它兩個單元輸出旁路短接，而其它級的功率單元仍輸出，保證系統(tǒng)在一定的帶載能力下維持負載的持續(xù)運行，從而大大增加了系統(tǒng)的可靠性。其中③⑤⑥為檢修后必做試驗項目，其它為選做項目。

5 預防性更換及維保升級

通過模擬實驗提出了UPS 改進措施：將原來廠家設計選型的上海科華的后備式 UPS 更換為山特的在線式UPS，查閱圖紙將電氣原理圖中不重要的負荷改接至其他電源，保證 UPS 負載的可靠性。建議在機組大、小修期間，對UPS 進行充放電試驗，要求帶載輸出時間 > 5 分鐘，定期預防性更換UPS，建議更換周期為3～4 年左右[6]。

風扇、板件等定期預防性更換，建議風扇運行時間大于35000 小時或4～5 年進行更換，控制器電源板、PWB 二次電源板、信號預處理板、模擬板等更換周期為4～5 年。

2016 年對#2 機組引風機高壓變頻器進行了全面維保，42 臺功率單元返廠檢測，更換旁路接觸器，測試單元體旁路功能，對功率單元電解電容進行檢測，內(nèi)部其他元器件檢測，對性能存在嚴重下降的予以更換，對單元體進行深度清灰、清潔，減小灰塵對內(nèi)部器件散熱、絕緣等方面的影響，延長單元體的使用壽命；板件預防性更換，升級主板程序；對功率柜、變壓器柜、旁路柜內(nèi)外進行全面清潔清灰，對系統(tǒng)內(nèi)部一次電纜、二次布線及連接進行檢查，對布線進行優(yōu)化調(diào)整，對絕緣薄弱處進行加強處理；對變頻系統(tǒng)進行相關性能測試，控制電源切換試驗、單元體旁路試驗、空載試驗、滿載試驗等。經(jīng)廠家全面維保，#2 機組引風機變頻器運行可靠性有所提高。

功率單元最易發(fā)生故障，約占變頻器發(fā)生故障的80%，現(xiàn)有變頻器已運行10 年，隨著電子元器件的老化，設備壽命周期的接近，盡管變頻器維護到位，但變頻器故障率還是有逐年增加的趨勢，有計劃的對功率單元和控制系統(tǒng)升級換代或變頻器整體改造，有利于機組的穩(wěn)定性。

6 結論

通過對高壓變頻器歷年來出現(xiàn)的故障進行分析，總結多年變頻器運維經(jīng)驗，提出了多項有效的措施，從而提高了變頻器運行的可靠性，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的節(jié)能效益。