一起二級壩泵站機組變頻器故障處理

姚輝勇，李慶義，李 寶，宋攀科

（南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250014）

0 引言

南水北調工程是黨中央、國務院根據我國經濟社會發展需要做出的重大決策，是緩解我國北方水資源嚴重短缺局面和生態環境惡化狀況，促進水資源整體優化配置的一項跨流域的重大戰略性水利基礎設施，對實現經濟社會可持續發展有著極其深遠的戰略意義。其根本任務是通過補充客水資源，對當地水資源進行優化配置。根據2002 年12 月國務院批準的《南水北調工程總體規劃》，南水北調東線一期工程山東段主要是緩解蘇北、山東半島和魯北地區城市缺水問題，兼顧生態補水和環境用水，并為向河北、天津北延應急供水創造條件。規劃工程規模為抽引江水500 m3/s，入東平湖100 m3/s，過黃河50 m3/s，送山東半島50 m3/s。每年可為山東省調引13.53 億m3的長江水，將從戰略上調整山東省的水資源時空布局，把山東骨干水利工程與南水北調配套工程形成互聯互通的水網，實現長江水、黃河水、淮河水和當地水的聯合調度、優化配置。南水北調是國之大事、國之重器，既是一條調水線，更是一條生命線。習近平總書記兩次視察南水北調工程強調南水北調工程事關戰略全局、事關長遠發展、事關人民福祉的“三個事關”；是優化水資源配置、保障群眾飲水安全、復蘇河湖生態環境、暢通南北經濟循環的“四條生命線”；要從守護生命線的政治高度，切實維護南水北調工程安全、供水安全、水質安全的“三個安全”。以黨的二十大精神為引領，加快補齊水資源供應保障能力的短板，為服務構建新發展格局、推動山東高質量發展，保障山東經濟社會可持續發展提供強有力的水資源支撐。

南水北調東線一期山東段工程自省界臺兒莊泵站開始向北歷經七級泵站到達東平湖，出東平湖后分兩路輸水，一路向北穿過黃河向魯北地區供水，一路向東向膠東地區供水，形成南北、東西兩大輸水干線。其中南北干線長487 km，東西干線長704 km，輸水干線全長1 191 km，在齊魯大地上形成南北暢通、東西互濟的“T”字形輸水大動脈和現代水網大骨架。干線工程靜態投資達172 億元，動態投資約230億元。一期工程供水范圍涉及山東省的13個市、71 個縣（市、區），配套工程投資約270 億元。內容可概括為：“七站”、“六河”、“三庫”、“兩湖”、“一洞”。“七站”是指新建臺兒莊、萬年閘、韓莊、二級壩、長溝、鄧樓、八里灣等七級泵站；“六河”是指疏浚擴挖韓莊運河、梁濟運河、柳長河、小運河、七一.六五河、膠東輸水干線渠道等六條河道；“三庫”是指新建東湖、雙王城和大屯三座調蓄水庫；“兩湖”是指防滲影響處理和局部疏通南四湖、東平湖兩座大型湖泊；“一洞”就是指的穿黃隧洞工程（見圖1）。

圖1 南水北調東線山東段工程位置圖

1 工程概況

1.1 泵站概況

二級壩泵站工程位于南四湖中部，山東省微山縣歡城鎮境內，是南水北調東線一期工程的第十級抽水梯級泵站，山東境內的第四級抽水泵站。設計輸水流量為125 m3/s，設計站上水位（黃海高程，下同）34.10 m，設計站下水位30.89 m，設計凈揚程3.21 m，平均揚程1.99 m，裝機5 臺套后置式燈泡貫流泵（4 用1 備），單機流量31.25 m3/s，單機功率1 650 kW，總裝機流量8 250 kW，多年平均設計裝機利用時間4 364 h。工程主要任務是將水從南四湖下級湖提至上級湖，實現南水北調東線工程梯級調水目標。

1.2 機組概況

南水北調工程作為“國之重器”著力助推國家戰略性新興產業的提升和節能環保等理念的推進，泵站在設計階段就重點考慮節約能源，降低生產成本。泵站主機組配置5 臺SIEMENS 完美無諧波空冷型GEN3 高壓變頻器，屬于級聯H 橋電壓源型多電平變頻器。規格型號：PH-6-6-1650；功率：1 650 kW；輸入：6 000 VAC,3 PH,50 Hz,193 A；輸 出：0～6 000 VAC，3PH，0～50 Hz，200 A；控制電源：380 VAC,3PH,50 Hz，20 A。每臺變頻器有18 個功率單元，對經過變壓器降壓的輸入電進行三相整流，再經過大容量電解電容濾波后，通過IGBT H 橋逆變后得到頻率和幅值均可變的單相正諧波交流電。

2 故障描述

某年12 月11 日，二級壩泵站3 號機組變頻器在變頻模式下開機正常穩定運行已有20 余天，當日18：55 變頻器突然故障停機，變頻器上、下級高壓開關也隨即跳閘。技術人員采用NXG ToolSuite 從現場變頻器控制系統調取變頻器事件及故障記錄得知報警事件（如表1 所示）。

表1 故障記錄表

通過故障記錄發現該起故障過程先是變頻器A4 功率單元故障，然后出現變頻器過損耗故障，隨后跳變頻器輸入開關；由于功率單元失電，報A4 功率單元旁路校驗故障。（故障功率單元見圖2、圖3、圖4、圖5，典型功率單元原理見圖6）。

圖2 故障功率單元圖

圖3 故障功率單元拆除圖

圖4 功率單元故障位置1

圖5 功率單元故障位置2

圖6 典型功率單元原理圖

2 d 后維護單位到現場進行故障分析，經查詢記錄文件，顯示當時變頻器運行速度：50 Hz，變頻器輸入電壓：97%額定電壓；變頻器故障時的輸出電流：大約47%額定電流。故障時無電壓、電流異常波動情況。跳閘時記錄如表2 所示。

表2 跳閘記錄表

3 故障原因分析

3.1 故障分析

技術人員根據故障功率單元現場實物可以看出：故障點首先是Q3、Q4 兩個IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor 絕緣柵雙極型晶體管）故障，從而導致功率單元的正母線與負母線之間的電氣短路，然后產生爆炸及電氣弧光，并且對相關的電氣部件產生波及損壞，主要包括：熔斷器、整流橋、單元控制電路板、絕緣材料、相關線束等。

進一步結合現場管理單位有關人員對當時發生故障時的故障現象描述、事件記錄分析、故障現場勘察及拆解、對單元控制板檢測等方式，確認3 號機組變頻器故障是先IGBT 模塊故障，并導致功率單元故障，最終造成二級壩泵站3 號機組故障停機。

3.2 故障原因

經廠家技術人員對現場IGBT 模塊等故障現象研究分析及檢測結果，產生IGBT 模塊故障的原因是由于電氣性能老化、絕緣性能降低等因素導致。

4 維修處理

維修前為保存有關數據資料，我們首先下載并保存該變頻器故障、事件記錄、歷史記錄、變頻器參數及程序。檢查參數及程序無變動，程序改動的原因及對設備運行的影響，檢查分析變頻器事件記錄及對變頻器潛在影響。

拆下A4 故障功率單元，清理功率單元體灰塵，檢查螺絲的緊固狀態，使用精密電子清潔劑對功率單元控制電路板清潔；檢查電容，無漏液、無鼓脹現象，安全閥無冒尖突出；測量功率單元電容容量并評估電容狀態。測量整流模塊及IGBT 模塊靜態壓降，測量值應均勻一致。

根據A4 功率單元損壞的情況，本次故障維修需要更換零部件為：IGBT 模塊4 個、整流模塊3 個、熔斷器3 個、單元控制板1 塊、絕緣材料及電線線束等有關設備設施材料。維修后再檢測整流模塊及IGBT 模塊。

安裝后要帶載測試運行：運行變頻器并增減負荷，用 NXG ToolSuite 觀察輸出電流轉速等波形。如有異常情況，用示波器觀察 SIB 板測量點輸出電壓、電流并與手冊上的標準波形比較。

5 事故防范措施

（1）二級壩泵站后置式燈泡貫流泵（4 用1 備）配置5 臺SIEMENS 變頻器，合計90 套功率單元。該設備自2010 出廠至此次故障發生已經使用10 多年。隨著電子電氣產品元器件逐漸老化，絕緣性能下降，故障突發事件的幾率會相對增加，為方便現場管理快速及時應對突發狀況，在現場儲備2 套備用功率單元及3 塊備用單元控制板，供應急更換維修使用。

（2）進一步加強現場電氣設備的點檢維護。由于南水北調工程的特殊性、重要性，為確保調水安全平穩可靠運行，避免運行中出現突發故障。SIEMENS 完美無諧波變頻器要定期進行預防性維護（PMA），非調水期對變頻器進行清潔、緊固、對變頻器進行電流傳感器檢測與IGBT 欠飽和式保護測試、檢查變頻器可能存在的問題、消除安全運行隱患，確保電力電子器件處于良好狀態，提高變頻器的運行可靠性。

（3）改善變頻器高壓電氣設備運行環境。如采用10 kV 等級的熱縮絕緣套管將柜內母線、觸頭裸露部分有效包裹，避免因電弧而導致母線相間短路；對變頻器場所增加空調降溫、除濕；配電室主體建筑物做密封處理、電纜溝做防水處理等一系列措施。

6 結語

通過對事故進行原因分析，并采取技術及管理措施加強設備安全運行，進一步提高了設備的安全可靠運行效率，減少故障發生，提升調水工作效率，從而可以較好的提高企業經濟效益，有力促進企業良好發展。同時可實現碳達峰、碳中和目標，有效推動人類社會綠色生活、生產，加快生態文明建設，在實現經濟社會發展與生態環境保護協同等方面具有重要的意義。