某水電站高頻整流模塊頻繁故障的原因及解決措施

吳桃

摘 要：直流系統(tǒng)是水電站重要的電源之一，其控制母線、合閘母線承載了全站信號、保護、自動裝置、事故照明、應(yīng)急電源及斷路器分合閘等負荷。高頻整流模塊是直流系統(tǒng)的主要元件，其安全穩(wěn)定運行決定了直流系統(tǒng)供電的可靠性。本文分析了某水電站高頻整流模塊損壞的現(xiàn)象，并探討了故障原因，提出了降低高頻整流模塊故障率的可行性措施，以期為降低水電站的運營成本助力。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng);高頻整流模塊;故障

中圖分類號：TV738文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0071-03

Abstract： DC system is one of the important power sources of hydropower station. Its control generatrix and closing generatrix bear the load of signal， protection， automatic device， emergency lighting， emergency power supply and breaker opening and closing. High frequency rectifier module is the key equipment of DC system， its safe and stable operation is an important guarantee to improve the reliability of DC system power supply. This paper analyzed the damage of high-frequency rectifier module in a hydropower station， discussed the fault causes， and put forward feasible measures to reduce the fault rate of high-frequency rectifier module， in order to help reduce the operation cost of hydropower station.

Keywords： DC system;high frequency rectifier module;fault

某裝機720 MW的水電站配有4套220 V直流系統(tǒng)，即公用設(shè)備直流、機組直流、GIS直流、接入設(shè)備直流，每套直流系統(tǒng)都由充電屏、聯(lián)絡(luò)屏、饋電屏、蓄電池組等組成。充電屏采用（N+1）冗余設(shè)計，用備份的方式由高頻整流模塊將交流400 V電壓整定為具有額定電壓的直流電，向蓄電池組進行均充或浮充電，以及向經(jīng)常性負荷提供直流電源[1];當控制負荷、動力負荷需要較大的沖擊電流（如直流電機啟動）時，由整流裝置與蓄電池并列運行供電;當400 V交流市電失電時，由蓄電池組提供應(yīng)急電源;當市電恢復后，整流裝置根據(jù)監(jiān)控裝置自動下發(fā)的開機令運行，并進入正常充電模式。

該水電站使用的某型高頻整流模塊單元，采用兩回380 V交流電源輸入，兩回交流通過雙電源開關(guān)自動切換，互為備用。同時，當某一整流模塊因故退出運行時，該整流裝置仍然滿足負載要求;但當有2個及以上整流模塊故障時，應(yīng)切換該套整流裝置至備用裝置。高頻整流模塊采用自冷和風冷相結(jié)合的散熱方式，每個模塊具有自動控制功能，可根據(jù)設(shè)定模式自主控制和調(diào)整輸入輸出電壓、輸出電流，并發(fā)送保護、報警信號。正常運行過程中，整流單元接受監(jiān)控單元下發(fā)的命令，完成對負載的供電。

該水電站自投運至今，高頻整流模塊頻繁發(fā)生損壞的情況。特別是在蓄電池組核對性放電試驗后，充電屏對蓄電池組進行均充過程中，高頻整流模塊長時間負載大電流，容易導致模塊元器件燒毀。在日常運行過程中，偶而會出現(xiàn)輸出過壓、輸出欠壓、輸出無電流、過溫保護等問題，分析為高頻整流模塊元器件質(zhì)量問題。

1 高頻整流模塊工作原理

高頻整流模塊的首要作用是將交流電源整定成具有恒定電壓的直流電，為蓄電池組充電，并向各種直流設(shè)備供電，是整流裝置的關(guān)鍵性部件。高頻整流模塊的工作原理是首先對交流輸入進行防雷處理和EMI濾波，然后通過整流橋直接對AC220/380 V進行整流和無源PFC（Power Factor Corrector）轉(zhuǎn)換成高壓直流，再通過橋式PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度變調(diào)）電路逆變?yōu)楦哳l交流，經(jīng)高頻變壓器隔離降壓后通過高頻整流濾波成為直流電，最后經(jīng)EMI濾波和防反接保護輸出[2]。工作原理如圖1所示。

2 高頻整流模塊故障現(xiàn)象及原因

2.1 故障現(xiàn)象

故障現(xiàn)象一：上位機系統(tǒng)收到“開關(guān)站直流系統(tǒng)1號充電屏告警”信號，對所在屏柜進行檢查，發(fā)現(xiàn)開關(guān)站直流1號充電屏2號高頻模塊有焦臭味。取下該模塊并將箱殼拆卸后發(fā)現(xiàn)模塊內(nèi)部整潔，無雜物，除燒焦處有明顯元器件損壞現(xiàn)象外，其余各元器件外觀保持良好，無異常。高頻整流模塊1號電容器燒損最為嚴重，同時引起周邊元器件燒損。通過檢查還發(fā)現(xiàn)，板件上其他元器件都正常，旁邊電流互感線圈及電纜接線僅被熏黑，電纜未破損。高頻模塊燒焦處如圖2所示。

故障現(xiàn)象二：機組直流3號充電屏3號高頻模塊運行過程中，監(jiān)控裝置上“模塊過壓輸出”告警，輸出電壓達到250 V并有持續(xù)上升的趨勢，模塊“保護”指示燈點亮，其余模塊正常輸出電壓235 V。3號充電屏作為備用充電裝置，未帶負載運行。起初懷疑是監(jiān)控裝置定值設(shè)定錯誤引起的，經(jīng)查詢參數(shù)，發(fā)現(xiàn)設(shè)置正確，浮充電壓235 V，均充電壓245 V，模塊輸出電壓已超過設(shè)定值。

故障現(xiàn)象三：開關(guān)站直流2號充電屏4號高頻模塊運行過程中，輸出電壓為226 V，模塊“保護”指示燈點亮，其余模塊正常輸出電壓235 V。開關(guān)站直流2號充電屏與蓄電池組并列運行，該充電屏共有5臺高頻模塊，最大輸出電流為150 A，日常負載電流穩(wěn)定、不超過20 A。故障時未進行操作任務(wù)，不存在大負荷拉低電壓的情況。

故障現(xiàn)象四：公用直流1號充電屏正常運行時，2號高頻模塊輸出電流為0 A，無故障告警信號，其余模塊正常輸出負載電流。屏上監(jiān)控裝置與各個高頻模塊通信，根據(jù)負載電流，實現(xiàn)每個模塊均流輸出。查詢輸出電流曲線發(fā)現(xiàn)，故障前后，總輸出電流恒定，故障模塊輸出電流陡降至0 A，其余模塊輸出電流上升，均攤了故障模塊的輸出電流。

故障現(xiàn)象五：機組直流2號充電屏1號高頻模塊運行過程中，監(jiān)控裝置上“模塊故障”信號告警，模塊“保護”指示燈點亮，并進入自鎖模式，輸出電壓、電流分別為220 V、0 A，其余模塊運行正常。檢查發(fā)現(xiàn)，模塊散熱風機停運，外殼溫度較高。

2.2 故障原因分析

對多次出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進行匯總分析，歸納總結(jié)出以下原因。

①參數(shù)設(shè)置錯誤[3]。其一，高頻整流模塊參數(shù)設(shè)置錯誤造成的。高頻整流模塊的通信設(shè)置，通過監(jiān)控板上的8位撥碼開關(guān)來完成與監(jiān)控裝置通信后，為主從關(guān)系，以監(jiān)控裝置為主。模塊菜單可以設(shè)置工作段數(shù)、通信地址、控母電壓、均/浮充電壓、過壓告警點、限流點、模塊型號等。因此，模塊設(shè)置的參數(shù)應(yīng)符合實際運行方式，否則會出現(xiàn)超額、欠額運行的現(xiàn)象。其二，監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)與電流傳感器量程不匹配。監(jiān)控系統(tǒng)作為設(shè)備中測控和管理的核心單元，其作用是：根據(jù)系統(tǒng)各功能模塊的運行方式，預(yù)先進行參數(shù)設(shè)置，并實時監(jiān)測系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，對數(shù)據(jù)進行分析處理或上傳，控制系統(tǒng)安全有效地運行。由于高頻模塊輸出電流是通過安裝在母線上的電流傳感器或電流分流器測值反饋到微機監(jiān)控裝置的，由微機監(jiān)控裝置控制高頻模塊輸出電流，因此傳感器量程標定將直接影響高頻模塊的輸出。

②高頻整流模塊航空插頭接觸不良。模塊輸入、輸出的各種信號都要通過其后面的航空插座連接，若接觸不良或插針斷裂，均會引起模塊異常運行。

③交流輸入電壓波動。直流系統(tǒng)交流電源為機組400 V自用電。自用電中帶有較大功率的油泵、水泵等負載，電機啟動時，母線電壓波動較大，也會引起模塊輸入電壓回路發(fā)生故障。

④室內(nèi)通風不良，高頻模塊散熱效果差。高頻模塊屬于整流型元器件，在運行過程中發(fā)熱量較大，屏柜密閉情況下，降低了散熱效果。此外，高頻模塊風機故障停運亦影響其散熱揮發(fā)。此外，模塊在風機作用下，積灰較嚴重，也不利于其散熱。

⑤高頻模塊可靠性差，元器件易損壞。該批次高頻模塊及模塊內(nèi)電容、電阻等元器件已使用近10年，因此，近期集中出現(xiàn)了問題。為此，將故障模塊退回生產(chǎn)商，責其維修。尤其是抗干擾電容器老化，在高頻模塊故障時帶有66%的負載，抗干擾電容內(nèi)部溫度過高、內(nèi)部壓強超高，從而導致短路，把充電屏的開關(guān)頂跳，并把保護層擊穿，瞬間釋放高溫，把另一個抗干擾電容的保護層燒焦。

3 高頻整流模塊故障解決措施

第一，排查站內(nèi)直流系統(tǒng)監(jiān)控裝置、高頻模塊、電流傳感器、蓄電池組、電流/電壓表等設(shè)備的參數(shù)，保證其符合運行要求。經(jīng)排查，機組、公用、開關(guān)站直流系統(tǒng)監(jiān)控裝置電流變比與電流傳感器變比值不一致，修改后，蓄電池組、母線電流與模塊總輸出電流相等。

第二，排查過程中發(fā)現(xiàn)，其中1臺高頻模塊航空插座插針松動，導致模塊內(nèi)電流采樣回路存在問題，其輸出電流為0 A。為此，可在設(shè)備檢修時，緊固航空插座或更換插座，確保其連接可靠。

第三，為防止雷擊對電壓的沖擊，可在輸入電壓進線處增加防雷器等可靠的避雷設(shè)施。

第四，降低直流屏柜溫度，為模塊穩(wěn)定運行創(chuàng)造良好的環(huán)境。尤其是在夏季，受氣溫影響，加上模塊元器件自身發(fā)熱大，導致直流屏柜溫度高，因此解決其散熱問題成為主要關(guān)注點[4]。若設(shè)備室內(nèi)有空調(diào)，則可將空調(diào)溫度設(shè)置在20 ℃以下，同時可在屏柜左右兩扇門的上下側(cè)分別增加散熱孔，下側(cè)兩孔為進氣孔，上側(cè)兩孔安裝風扇，加強氣流流通性。

第五，長期處于運行狀態(tài)的模塊，其內(nèi)部、風扇罩及防塵網(wǎng)上積灰嚴重。因此，要定期清除灰塵，在提高散熱效果的同時，防止模塊內(nèi)部元器件短路[4]。

第六，針對模塊質(zhì)量不可靠、元件易損壞等問題，若生產(chǎn)商不能維修，則由其提供新模塊進行更換;若能維修，維修完成后，要進行出廠試驗，檢驗其性能是否滿足長期穩(wěn)定運行的要求[5]。

4 結(jié)語

將以上措施付諸實踐后，該水電站高頻整流模塊故障率顯著降低，設(shè)備運行情況穩(wěn)定。尤其是增加屏柜散熱孔、安裝排風扇后，改善了設(shè)備的運行環(huán)境，明顯降低了高頻整流模塊的運行溫度。此外，對高頻整流模塊定期檢查和清灰亦及時排除了故障可能性。

參考文獻：

[1]王玉玲.變電所直流操作電源設(shè)備的選擇與維護分析[J].煤炭技術(shù)，2009（3）：35-36.

[2]畢恩興.智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)中整流模塊的功能設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（16）：189-191.

[3]謝文衛(wèi).智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的故障分析與處理[J].有線電視技術(shù)，2012（5）：125-127.

[4]史煒.高頻整流模塊故障分析與解決方法[J].云南電業(yè)，2011（1）：37-38.

[5]李岐.直流系統(tǒng)浮充電源損壞的原因分析及解決辦法[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（16）：43.