凝結水泵高壓變頻器功率模塊故障分析

胡文彬

（廣東紅海灣發電有限公司，廣東汕尾 516623）

0 引言

廣東紅海灣發電有限公司1號機組配備兩臺100%容量的筒式凝結水泵，兩臺電機共用一套北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT高壓變頻器。輸入側移相變壓器將網側高壓變換為副邊的多組低壓，各副邊繞組在繞制時采用延邊三角接法，相互之間有一定的相位差。這種多級移相疊加的整流方式，消除了大部分由獨立功率單元引起的諧波電流，可以大大改善網側的電流波形，使變頻器網側電流近似為正弦波，其負載下的網側功率因數達到0.95以上。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電：每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電。無須輸出濾波器；電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉輪的機械力。機組正常運行時，變頻器帶一臺凝結水泵電機運行，另一臺凝結水泵電機工頻備用。當凝結水泵變電機頻運行時差動保護壓板退出，電機工頻運行時差動保護投入。凝結水泵電機型號YKSL630-4，額定2000 kW，額定電壓6 kV，額定電流226.4 A，額定轉速1489 r/min。

1 故障情況

2020年12月13日19：58，1號機組發出“凝結水變頻器故障”“凝結水泵出口母管壓力低”聲光報警。1B凝泵電機變頻運行中跳閘，1A凝泵電機工頻聯啟成功。檢查1B凝泵開關電機差動保護裝置報“差動保護跳閘”報警。1號機組凝結水泵變頻器報系統故障：A1過壓；B1過壓；C1驅動故障；A2過壓；B2電源故障并且現場伴隨著很大的燒焦味。動作前電機電流136.57 A左右，無異常波動。電機跳閘后1B凝泵電機處測得電機相間絕緣均為0，相對地絕緣值為300 MΩ，1B凝泵電機正常。

辦理工作票，將故障功率模塊搬至檢修間檢查。功率模塊外殼一側被燒穿了一個大洞。拆開功率模塊外殼發現，內部整流橋被燒毀，電解電容被燒毀，功率模塊內的二次導線被燒毀。其中最嚴重的是一次回路輸出端子導線被燒斷，并且發現導線被燒段的正下方有一灘鐵水（圖1）。

圖1 故障部位

2 功率模塊燒毀原因分析

拆解功率模塊，發現U相輸出銅排與就近R相整流橋正負母排位置有明顯的短路放電燒毀的痕跡（圖2）。對燒毀器件進行常規的耐壓測試，發現除R相整流橋（擊穿）外，其他器件的靜態二極管特性全部正常，耐壓特性僅3只整流橋表面受燒毀碳化影響，無法通過耐壓測試。對均壓電阻測試正常，進行電容（CD138 400 V/6300μF）容值測試時發現部分容值異常，并對異常電容進行解剖發現，內部存在類似陽極引箔腐蝕開路的現象。對單元控制板和驅動板上電測試，波形正常（圖3）。

圖2 對單元控制板和驅動板上電測試，波形正常

通過解體功率模塊檢查再結合一些相關試驗分析，導致功率模塊損壞的原因可能有3種。

（1）C1功率模塊故障是由整流橋發熱導致的。整流橋是將移相變壓器副邊繞組輸入的交流電轉變成為直流電。它是由二極管三相全橋進行不控全波整流（全波就是電壓正半波和負半波都進行整流。相對應的有半波整流，只有半個周波進行整流。不控即二極管沒有控制信號，正極電壓比負極高了就直接導通），電流如果過大，整流橋電流小，這樣就會導致整流橋嚴重發熱。從操作面板上參數檢查，并無發現電壓、電流有太大的波動。不會因為電流過大導致整流橋過熱。有整流橋在出廠時，平均整流電流小于預留余量標準值也就是電流虛標，就會導致此次的功率模塊燒毀。

（2）分別從U相輸出銅牌斷口兩側用1 kV搖表對斷口側打壓，發現斷口靠電源輸入側一處電壓打不上去（24 V），另一處斷口同樣用搖表打壓，電壓到799 V就停住了。最后用對V相銅牌輸出側進行打壓，電壓正常。得出第二種可能就是U相輸入銅牌支撐絕緣子一直處于絕緣惡化的過程，逐漸產生電流泄漏爬電現象，絕緣子逐漸發熱、絕緣逐漸惡化，最后導致絕緣子擊穿、功率模塊損壞。

（3）如果排除現場環境粉塵、潮濕等因素，多數情況下是電解電容腐蝕開路導致。以下4種情況會導致點解電容出現腐蝕性開路：①電容自身因素，原材料、生產工藝、制造過程等可能導致的鹵素超標，在電容工作時發生電化學腐蝕，導致在正常的壽命周期內失效；②外部環境因素，電容壽命較容易受環境影響，環境溫度每升高5～10℃，其壽命則縮短50%，高溫加速電容失效；③腐蝕性氣體因素，周圍環境內鹵素氣體達到一定的濃度，可通過電容表面滲透進入內部，影響電容壽命；④其他因素，如電流增大（如現場高負荷電容發熱量大）、過電壓（電網電壓值偏高）、設計選型、使用年限長、接近產品周期末期等。

3 功率模塊改進措施

本次故障導致C1功率模塊嚴重損壞，已經沒有修復價值。針對缺陷發生的原因，也借鑒其他廠對同類型事件的處理方法，總結出防止相同或類似缺陷發生的預防性措施及技術改進。

（1）動態監視現場可能存在的電網波動、諧波干擾、同一母線下重載設備甩負載等可能導致電壓、電流波動以及負載工況異常的情況。

（2）定期對誘發散熱系統異常的情況進行預防性維護，如濾網堵塞、風道不合理、進出風不暢等可能引起設備運行溫度高的因素，并加以改善。

（3）電容在整個功率模塊中起到較重要的作用，在長期高頻諧波的作用下容易引起絕緣老化等問題，并且電容壽命受使用環境溫度影響很大。由于使用年限較長，老化也是導致設備故障的因素之一，逐步對舊設備改造，提前預防設備老化帶來的問題。

（4）功率模塊電解電容較容易受重載和高溫環境影響，如具備條件可對備用單元使用相同型號器件的功率模塊做預防性處理（更換電容、底座線纜、功率模塊內部板級、新的備用模塊UV輸出銅排加裝熱縮套管等），防止出現類似此次功率單元內部嚴重燒毀的情況。

4 變頻器狀態監測升級改造可行性及方案

變頻器故障也是影響發電廠安全運行的一個重大隱患，不及時發現功率模塊故障則極有可能造成變頻器損壞的設備故障，甚至會影響機組負荷。幸運的是，當C1功率模塊故障時，變頻器重故障正確可靠動作，避免了缺陷擴大的可能性。因此有效的狀態監測手段顯得尤為迫切和必要。

河南某水泥廠通過變頻監測升級改造后報警發現設備運行異常，通過線上診斷結合線下工程師上門調試解決客戶未來潛在的設備隱患，避免重大事故的發生。

重慶某熱電廠，變頻室漏雨，通過變頻監測升級改造后報警并發送短信給設備管理工程師工程師及時切換至備用機，避免了一次非計劃停機。

控制柜內安裝智能網關與柜內PLC相連，在柜頂安裝天線，通過4G/5G網絡將設備數據上傳。變頻器監測軟件升級改造后提供一個手機跟電腦上均可使用的軟件。對變頻器監控升級改造可以在很大程度上及時發現變頻器的故障并監視變頻器的運行狀態：通過軟件隨時查看設備，對設備狀態盡在掌握；查看歷史運行數據/報警信息/維修記錄等情況；提供報警及短信，這樣能減少非計劃停機、縮短故障恢復時間，防患于未然。

5 結束語

凝結水泵是汽輪機熱力系統中的主要輔機設備之一，凝結水泵電機改為變頻調節后解決了由于電機啟動電流大對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，運行更為經濟、平穩、可靠，大大提高了設備的安全性和可靠性，同時降低了廠用電率，還可以有效解決凝結水泵故障率高、閥門節流損失大和調節控制滯后等困難，為深度節能降耗工作提供保障。

確保變頻器可靠連續運行，延長變頻器使用壽命的關鍵在于日常維護保養，由于溫度和灰塵對變頻器影響較大，所以應加大設備的日常巡查和維護，掌握設備的運行狀態，確保設備安全運行。