天然氣壓縮機(jī)組變頻器功率單元故障處理

楊麗茹，劉 清，馬 駿

（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司輸氣管理處，四川成都 610213；2.中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司成都?jí)嚎s機(jī)分公司，四川成都 610100）

0 引言

高壓變頻調(diào)速裝置（簡(jiǎn)稱高壓變頻器）是通過(guò)器件串聯(lián)或單元串聯(lián)，利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。隨著離心式天然氣壓縮機(jī)組國(guó)產(chǎn)化發(fā)展，大功率高壓變頻器作為電機(jī)調(diào)速裝置與電機(jī)配套，為離心式天然氣壓縮機(jī)組提供節(jié)能高效的動(dòng)力。但實(shí)際運(yùn)用中也時(shí)常發(fā)生一些故障，需要在判斷分析故障現(xiàn)象基礎(chǔ)上，不斷完善高壓大功率變頻器的配置和相關(guān)配件標(biāo)準(zhǔn)，以達(dá)到穩(wěn)定可靠的調(diào)速功能，滿足用戶需要。以TL 站電驅(qū)離心式天然氣壓縮機(jī)機(jī)組投運(yùn)過(guò)程中發(fā)生的兩起變頻器故障為例，在分析處理故障后，提出改進(jìn)意見并實(shí)施，達(dá)到有效消除故障、提高運(yùn)行平穩(wěn)度和可靠性的良好效果。

TL 站共有3 臺(tái)壓縮機(jī)組，采用電壓源型Innovert10/6-8600ALO 變頻器，前端配置ZTS-9800/10 整流變壓器。通過(guò)變頻器內(nèi)整流單元，將三相交流電壓變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^(guò)電容器保持直流電壓穩(wěn)定，直流母線電壓通過(guò)IGBT 逆變單元向電機(jī)輸出電能。逆變單元采用PWM 逆變控制，達(dá)到“交—直—交”變頻，實(shí)現(xiàn)不同頻率和電壓的輸出到電機(jī)定子繞組，對(duì)額定功率8.5 kW、YZKS710-4 型三相異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。從而帶動(dòng)離心式壓縮機(jī)PlLC405 對(duì)天然氣進(jìn)行壓縮、增壓，達(dá)到加壓后上載國(guó)家管網(wǎng)的目的。變頻器調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 變頻器調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)

1 故障現(xiàn)象

TL 站2 號(hào)離心式天然氣壓縮機(jī)組2020 年9 月29日11 點(diǎn)39 分，第二次開機(jī)帶空載電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，變頻器功率單元發(fā)生炸裂故障。一個(gè)功率單元C2 板底部的4 個(gè)IGBT 全部炸裂，底部復(fù)合銅排變形。IGBT 模塊引腳端子全部與模塊底部基板脫離，頂部吸收電容位置處類似有短路燒熔痕跡，2個(gè)連接吸收電容的導(dǎo)電柱已經(jīng)燒熔，電機(jī)還未開始轉(zhuǎn)動(dòng)。

1 號(hào)離心式天然氣壓縮機(jī)組天然氣進(jìn)氣正常運(yùn)行24 h 后，停機(jī)10 天。2020 年10 月25 日13 點(diǎn)46 分，啟機(jī)時(shí)高壓變頻單元發(fā)生炸裂停機(jī)故障。檢查發(fā)現(xiàn)B2、C2 單元頂部炸裂，B2 單元的一個(gè)吸收電容已被炸飛，不見痕跡。

2 故障分析與處理

2.1 確定分析方向

通過(guò)查閱報(bào)警記錄、了解現(xiàn)場(chǎng)情況、測(cè)量等方法分析，采用排除法，排除模塊過(guò)溫、電機(jī)剩磁電壓高、電阻損壞導(dǎo)致IGBT直通、功率單元濕度高和機(jī)械應(yīng)力損壞等5 種故障原因。

（1）功率單元均在啟動(dòng)瞬間損壞，可以排除模塊過(guò)溫導(dǎo)致?lián)p壞的可能。

（2）變頻器PLC 控制面板日志中沒有出現(xiàn)個(gè)別單元母線過(guò)壓故障。急停過(guò)程中，若電機(jī)定子有剩磁電壓，產(chǎn)生很高反電勢(shì)，則會(huì)造成多個(gè)功率單元損壞。因僅有1 個(gè)功率單元損壞，可排除電機(jī)定子線圈有一定剩磁電壓的可能。

（3）測(cè)量故障單元的的電阻，均正常。功率單元控制板電路，硬件上下管互鎖，軟件也有互鎖機(jī)制，邏輯信號(hào)驅(qū)動(dòng)錯(cuò)誤概率幾乎沒有。可排除停機(jī)后均壓電阻不良損壞，使得控制邏輯出現(xiàn)混亂導(dǎo)致IGBT 直通的可能。

（4）咨詢現(xiàn)場(chǎng)工作人員得知，柜內(nèi)加熱器和空調(diào)始終打開。柜內(nèi)檢查確認(rèn)水冷接頭無(wú)漏水，散熱器以及母排絕緣良好，柜內(nèi)濕度正常。排除功率單元濕度偏高導(dǎo)致絕緣距離不夠引起打火短路。

（5）根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，IGBT 端子受外力影響一般是在運(yùn)行一段時(shí)間后模塊發(fā)熱導(dǎo)致短路爆炸。在啟動(dòng)過(guò)程中模塊為冷態(tài)，基本排除IGBT 端子受機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致內(nèi)部絕緣距離不夠引起短路爆炸的可能。

綜上，確定分析方向?yàn)閮牲c(diǎn)：一是分析底部IGBT 爆炸原因；二是分析吸收電容鼓包炸飛的原因。

2.2 具體分析方法

首先，將IGBT 郵寄回廠家，要求IGBT 廠家提供分析報(bào)告。廠家分析報(bào)告顯示所有的IGBT 和大多數(shù)的二極管嚴(yán)重?zé)齻?個(gè)樣品都有電弧。廠家結(jié)論是電弧來(lái)自于CE 端子短路，非IGBT 本身質(zhì)量問題。

其次，將3 只吸收電容送回廠家進(jìn)行性能測(cè)試和解剖分析。電容器廠家解剖發(fā)現(xiàn)，3 只產(chǎn)品的薄膜均無(wú)自愈點(diǎn)，可確認(rèn)不是耐壓不良導(dǎo)致的失效。確定原因是脈沖電流較大（遠(yuǎn)超過(guò)額定值），引起端面發(fā)熱，使得薄膜收縮變形，導(dǎo)致膜與噴金層之間接觸不良，產(chǎn)生爬電，最終造成耐壓擊穿失效，確定非電容本身質(zhì)量問題。

最后，使用示波器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試波形。啟動(dòng)時(shí)，示波器顯示峰值電流Ipeak達(dá)2500 A。查閱系統(tǒng)配置說(shuō)明書，發(fā)現(xiàn)此次變頻器功率單元選配的吸收電容參數(shù)中Ipeak為850 A。此次選型配備的吸收電容能承受的尖峰電流值不能滿足現(xiàn)場(chǎng)工況需求。

單脈沖測(cè)試波形如圖2 所示，啟動(dòng)1#機(jī)組時(shí)，直流電壓2500 V，關(guān)斷電流2100 A 情況下，模塊關(guān)斷時(shí)間約為1 μs。該功率單元設(shè)計(jì)最大電壓變化率du/dt 為2500 V/μs，在啟動(dòng)和特殊工況下，電壓變化率最高可達(dá)2500 V/μs。該功率單元單個(gè)電容容量C 為1 μF，則電容峰值電流Ipeak=C×du/dt，最大可達(dá)到2500 A，實(shí)際監(jiān)測(cè)最大電容峰值電流為2100 A。

圖2 單脈沖測(cè)試波形

2.3 故障結(jié)論

綜上所述，分析主要原因是特殊情況下或變頻器在啟動(dòng)工況下流過(guò)吸收電容的Ipeak已大于規(guī)格書的相關(guān)指標(biāo)，造成電容失效，引發(fā)功率單元故障。流過(guò)吸收電容的Ipeak過(guò)大，電容變形，導(dǎo)致絕緣距離縮小產(chǎn)生電弧，進(jìn)而引起直流母排短路，吸收電容的導(dǎo)電柱熔化。吸收電容耐壓擊穿失效，可能造成模塊沒有吸收，關(guān)斷電流過(guò)大，引起CE 過(guò)壓引弧，導(dǎo)致IGBT 爆炸。

2.4 故障處理及改進(jìn)措施

重新核算，將功率單元上1 μF 電容全部更換為單個(gè)容量為0.5 μF、承受峰值電流1500 A 的電容。在工廠做模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，在關(guān)斷電流2100 A、尖峰電壓2940 V 情況下，電容吸收尖峰電壓效果良好，可以保證IGBT 和功率單元的安全性和可靠性。電容器經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝試驗(yàn)，滿足現(xiàn)場(chǎng)工況下的可靠性需求。

調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，盡量降低啟動(dòng)時(shí)電壓變化率du/dt。將隔離變壓器輸入側(cè)電壓由10.02 kV 調(diào)整至10 kV，將變頻器啟動(dòng)過(guò)程第1 段加速時(shí)間由120 s 調(diào)整至180 s。

考慮到PWM 變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的du/dt，并由此產(chǎn)生軸電流和共模漏電流以及嚴(yán)重的電磁干擾。為進(jìn)一步提升變頻器抗電磁干擾能力，在變頻器輸出端加裝電抗器。質(zhì)保期內(nèi)，更換電容和增加電抗器均由廠家負(fù)責(zé)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在兩起功率單元故障剖析過(guò)程中，通過(guò)排除法排除5 種故障原因，確定兩個(gè)故障原因分析方向。采用返廠解剖分析、示波器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等方法，確定主要原因?yàn)樘厥馇闆r下或變頻器在啟動(dòng)工況下流過(guò)吸收電容的Ipeak大于規(guī)格書的相關(guān)指標(biāo)，造成電容失效，引發(fā)IGBT 爆炸損壞。更換電容解決故障，提出調(diào)整部分參數(shù)設(shè)置和加裝電抗器的改進(jìn)措施。經(jīng)過(guò)半年運(yùn)行，變頻器系統(tǒng)運(yùn)行可靠、安全、穩(wěn)定。因此，在離心式天然氣壓縮機(jī)組配備大功率變頻器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況選擇配置參數(shù)適應(yīng)的各種元器件。在天然氣壓縮機(jī)組運(yùn)行故障處理中，應(yīng)重視排除法及示波器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法等分析方法。