增壓風機變頻器故障分析及系統改進對策探討

沈 杰

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 200941）

1 故障簡況

2021 年5 月28 日上午8：51，某電廠4 號發電機組正常運行中突發“BBF（鍋爐燃燒用高爐煤氣增壓風機）異常”“BFG（高爐煤氣）密封氮氣壓力異常”等報警，同時BFG（4A）增壓風機振動值突升至20 mm/s，電流由85 A 上升至214 A，后下降至0 A，風機跳閘。其他2 臺BFG 增壓風機（4B、4C）電流分別由87 A、80 A上升至205 A、158 A，轉速上升至955 r/min。

08：52 消防控制柜出現增壓風機變頻器室火災報警，變頻器室環境溫度由24 ℃上升至30 ℃。運行人員至現場查看，發現變頻器室有黑煙外冒，隨即緊急安排滅火通風降溫。

待明火和濃煙散盡后，檢查發現，4 號機A 增壓風機變頻器18 個功率單元中8 個功率單元已明顯燒黑，其中A2、A4、A5、A6 單元損毀嚴重，如圖1所示。

圖1 損毀的多個功率單元

2 故障原因分析

2.1 設備概況及系統構成

BFG 增壓風機變頻器為變頻節能改造合同能源項目（EMC 項目），于2015 年2 月投運，變頻器型號為HIVERT-Y06/220，容量為1 800 kVA，相應電動機工頻額定電壓6 kV，額定電流190 A，額定功率1 650 kW。

BFG 增壓風機變頻器一次系統構成如圖2 所示。該系統由6 kV開關室內的增壓風機6 kV開關、變頻室內的變頻器進線閘刀QS1、接觸器KM1、出線閘刀QS2、接觸器KM2、工頻旁路接觸器KM3 和變頻器組成。

圖2 BFG增壓風機變頻器一次系統構成圖

2.2 故障動作過程

故障過程中，發電機組DCS控制系統記錄的4A增壓風機變頻器電流和相關狀態信號時序變化見表1。

表1 4A增壓風機變頻器相關信號變化時序表

通過表1可以看出，故障發生時，電動機電流從原先的85 A 突增至210 A，超過了電機和變頻器的額定電流，持續1 s 后，降低至160 A 左右（小于額定電流）。但在電流突增后，8：52：03 變頻器室內溫度開始快速上升，由此可以判斷此時變頻器柜內已有發熱源（或明火）產生，但此時變頻器本身沒有發出任何故障報警。發熱將近30 s 后，8：52：26 變頻器運行信號（ON）失去，變頻器停運。DCS 系統檢測到變頻器停運后，8：52：29 聯鎖觸發變頻器上級6 kV開關電源跳閘。

2.3 原因分析

故障后，對變頻器系統的一次、二次回路和設備進行檢查，發現變頻系統至電動機現場的6 kV 出線電纜B相的外皮和絕緣層被橋架轉角處鋒利金屬片磨破，已形成放電現象，推測這種損壞是在電纜敷設施工時，由于施工方法不當及保護措施缺乏造成的，損壞部位實物圖見圖3。隨即對損壞部分外包絕緣修復。

圖3 B相電纜絕緣層磨破

根據DCS 系統記錄及故障現象分析，本次故障是由于施工造成6 kV 出線電纜B 相絕緣破損，長期運行后出現對地放電，擊穿絕緣，發生單相接地故障。較長時間的放電引起接地過電壓，造成多個功率單元絕緣破壞，形成多點接地，損壞功率單元。

造成此次故障擴大的兩個原因：

（1）電纜單相接地故障出現后，變頻系統未能發出接地報警，人員未能及時發現、切除，導致故障持續時間較長。

（2）變頻系統輸出的故障報警信號存在延時。

3 系統存在問題

3.1 接地故障問題

3.1.1 缺少接地故障報警

根據《電力系統變頻器保護技術規范》（GB/T 34123—2017），變頻器系統應配置接地保護。變頻器6 kV 出線電纜及電動機回路發生單相接地故障時，變頻器控制器應發出故障報警信號，并可根據實際情況考慮是否設置跳閘保護。經查，由于設計上功能缺失，本變頻系統缺少6 kV 系統接地檢測及報警功能，導致無法及時發現故障并切除故障，造成故障擴大。

3.1.2 功率單元主回路對地耐壓問題

當變頻器6 kV 出線電纜及電動機回路發生單相接地故障時，其非接地相對地電壓升高至原來對地電壓的倍，因此，功率單元主回路設計時，應考慮此種情況。但與廠家確認，實際設備設計時未考慮該情況，從而導致了故障加劇。

3.2 變頻器故障時的自動切換問題

BFG 增壓風機變頻器是屬于發電機組的一類輔機變頻器，當變頻器發生故障時，會影響發電機組的安全運行，所以對于重要輔機變頻器，有必要設計故障時自動切換至工頻運行的功能。但本系統BFG 增壓風機變頻器故障時，系統未自動切換至工頻運行，經與廠家確認，設計上無此功能。

3.3 缺少功率單元溫度保護

變頻器柜內已有發熱源（或明火）產生，但由于電動機電流小于額定值，變頻器未達到過流保護動作值，系統未能及時跳閘動作切除故障。針對此種情況，變頻器功率單元應設置溫度保護配置，以確保在發熱源（或明火）產生時，及時報警、切除故障。

3.4 低壓監控器的安全隱患

本次故障中，由于變頻系統監視及報警的監控顯示器安裝于功率單元的柜門上，與高壓功率單元無物理隔絕，使得功率單元燒損的同時也燒損了監控顯示器，見圖4。這種門板監控顯示器的布置，容易在檢查人員查看故障信息時引發意外人身傷害。

圖4 燒損的監控顯示器

4 改進對策

本次故障后，通過行業調查、查閱資料，了解發電廠及相關行業對高壓變頻器各類故障的發生及處理情況［1-4］，提出了以下改進對策，以期從設計上完善變頻系統的保護功能，提高發電機組輔機高壓變頻系統的可靠性。

4.1 增加接地故障檢測方案

從行業內來看，近年高壓變頻器的推廣應用越來越廣泛，各類變頻器配或不配接地保護，所配備的接地保護構成也各不相同［5］，高壓變頻器輸出側配置單相接地保護也無明確的技術規范。如需在變頻器6 kV 出線電纜及電動機回路增加接地故障檢測，關鍵是要確定接地檢測采樣方案，通常可采用以下兩種方案。

（1）方案一

變頻器輸出主回路并聯一個高阻抗電阻接地檢測回路，其三相電阻采用星型接線，中性點直接接地。為提高系統安全性，每相接地電阻采用大電阻R0與小電阻RD串聯的方式，RD的對地電壓為系統接地檢測采樣電壓。正常運行時，U、V、W 三相的采樣電阻RD上獲得較小的三相對稱采樣電壓。當發生單相接地故障時，故障相的采樣電壓將減小，非故障相的采樣電壓將增大，由此控制器經過信號處理發出相應的接地保護動作聯鎖，實現保護功能。為了減少保護誤動而提高設備的可靠性，保護動作可設置為兩段，第一段保護僅報警，第二段保護經延時動作跳閘。該方案變頻器6 kV 出線接地檢測原理圖見圖5。

圖5 方案一變頻器6 kV出線接地檢測原理圖

（2）方案二

變頻器輸出主回路并聯一個三相接地變壓器，高壓側繞組為星型連接，低壓側繞組為開口三角形串聯一電阻R0，RO的電壓為系統采樣零序電壓。正常運行時，RO的電壓為三相不平衡電壓，其值接近零。當發生單相接地故障時，RO的零序電壓將增大，由此控制器經過信號處理發出相應的接地保護動作聯鎖，實現保護功能。保護動作可設置為兩段，第一段保護動作報警，第二段保護經延時動作跳閘。該方案變頻器6 kV 出線接地檢測原理圖見圖6。

圖6 方案二變頻器6 kV出線接地檢測原理圖

4.2 提高對地絕緣水平

增加單相接地故障檢測保護功能后，功率單元等元件選型及回路出線設計時，應將每相對地耐壓水平由相電壓提高至線電壓，即對地耐壓水平升高至為原來對地電壓的倍，以滿足承受短時單相接地故障的能力。

4.3 自動切換功能設計

變頻器故障時自動切換至工頻運行，需考慮以下方面問題。

（1）因變頻器進線接觸器及旁路接觸器切除短路電流容量有限，應更換成斷路器。

（2）電動機或其高壓電纜區域內發生相間短路故障，與變頻器出口區域發生相間短路故障，兩者應判斷辨析，以避免因錯誤切換而加劇故障。

（3）自動切換應避免對工藝系統的擾動。

（4）減少對電動機的沖擊。

鑒于上述問題的存在，在系統設計時，制造廠通常不考慮實施自動切換功能，但從實際工程應用出發，可采用以下方案。

4.3.1 主回路接觸器更換為斷路器

為達到切除短路電流的要求，應將一次回路（圖2 中）接觸器KM1、KM2 及KM3 更換為滿足短路容量的斷路器。

4.3.2 增加電流互感器

在變頻柜與旁路柜匯流后的高壓電纜處（圖2中A 點），增加一組電流互感器（CT），采用電流送變頻器控制柜，這樣可以用故障電流有效判斷故障區域。在圖2 中A 點與電動機線圈的中性點側分別配置CT，設計構成電動機差動保護，也可以有效判斷故障區域，避免因錯誤切換而加劇故障。

4.4 增加功率單元溫度保護

變頻器在設計選型時，應增加功率單元的溫度監測元件而實現溫度保護功能，在溫度升高后報警、跳閘，同時應對故障錄波提出相應要求，為后續故障分析提供有利條件。

4.5 提高二次系統設備的布置安全水平

變頻器在設計選型時，應充分考慮柜內器件布置的合理性，從操作、檢修維護及安全等多方面考慮，特別是二次控制器件與一次器件應進行有效隔離，消除潛在的安全隱患。

5 結語

通過實際故障案例分析，剖析高壓變頻系統設計上存在的問題，提出增加接地故障檢測、提高絕緣水平、增加自動切換功能等有效對策，以提高系統的可靠性，防止故障擴大，減少經濟損失，為日后新設備選型或設備改造，提供了有力的技術支撐。