提高高壓變頻系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的探討

鄔榮敏

（浙江浙能能源技術(shù)有限公司，杭州 310052）

火力發(fā)電廠的風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備通過采用高壓變頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗運(yùn)行是目前各發(fā)電廠進(jìn)行技術(shù)改造的主流技術(shù)手段。但在高壓變頻技術(shù)改造完成后的運(yùn)行過程中，也多次發(fā)生變頻器本身故障或運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致變頻裝置退出運(yùn)行，造成機(jī)組降負(fù)荷甚至停爐、停機(jī)事故，直接影響電廠的安全指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。本文通過對(duì)浙能集團(tuán)所屬各電廠高壓變頻運(yùn)行故障的統(tǒng)計(jì)分析，提出了改進(jìn)措施和建議。

1 高壓變頻器應(yīng)用概況

目前浙能集團(tuán)所屬各發(fā)電廠高壓變頻技術(shù)改造的范圍主要集中在凝結(jié)水泵、一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、脫硫增壓風(fēng)機(jī)等重要輔機(jī)設(shè)備，截至2010年底，高壓變頻器的應(yīng)用已超過60臺(tái)，變頻使用總?cè)萘窟_(dá)到108.61 MW。從變頻設(shè)備選用情況看，高壓變頻器主要選用原裝進(jìn)口或國內(nèi)組裝生產(chǎn)的國際知名品牌，具體情況如下：西門子羅賓康24臺(tái)，美國羅克韋爾（AB）13臺(tái)，日立22臺(tái)（東方日立15臺(tái)，日本日立7臺(tái)），上海安川3臺(tái)，東芝三菱2臺(tái)，利德華福1臺(tái)。

2 高壓變頻器故障統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)對(duì)集團(tuán)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電廠高壓變頻器缺陷故障情況的調(diào)研、統(tǒng)計(jì)以及對(duì)高壓變頻故障的專題分析研究，得到高壓變頻器運(yùn)行過程中故障缺陷分類統(tǒng)計(jì)，見表1（統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2002年1月至2010年6月底）。

從表1看，高壓變頻器元器件的缺陷和故障主要集中在控制板卡、功率單元及其附件和電源模塊，是造成高壓變頻故障及停運(yùn)的主要因素。而運(yùn)行環(huán)境，特別是溫度和灰塵對(duì)高壓變頻器的電力電子設(shè)備及控制系統(tǒng)正常運(yùn)行也有較大的影響，有待進(jìn)一步改進(jìn)。合理設(shè)置保護(hù)控制參數(shù)有利于減少高壓變頻器誤停機(jī)，提高運(yùn)行穩(wěn)定性；UPS及隔離變壓器等附屬設(shè)備的故障缺陷隨著技術(shù)改造和設(shè)計(jì)優(yōu)化而逐步得到完善和解決。

表1 高壓變頻器故障缺陷分類統(tǒng)計(jì)

3 提高高壓變頻系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的措施

3.1 設(shè)備選型

從功率單元器件數(shù)量及結(jié)構(gòu)、功率單元特點(diǎn)、諧波含量、功率因素和效率等指標(biāo)看，電流型高壓變頻器由于采用高壓SGCT（一種高壓大功率元件），器件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡潔；電壓型高壓變頻器采用低壓IGBT（絕緣柵雙極晶體管）元件多級(jí)串聯(lián)，元器件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但低壓功率單元元器件技術(shù)更加成熟。電壓型高壓變頻器采用多電平串聯(lián)技術(shù)，在脈沖和電平等級(jí)的數(shù)量上要大大多于電流型，輸出波形質(zhì)量更優(yōu)，從而得到更高的功率因素和效率。從某電廠正在運(yùn)行的電流型和電壓型高壓變頻器各抽取1臺(tái)做電能質(zhì)量測試，從檢測結(jié)果看，電壓型高壓變頻器在測試期間的電壓總諧波畸變率（THD）為1.26%，諧波電壓因數(shù)（HVF）最大不超過1%，滿足國標(biāo)要求。而電流型高壓變頻器在測試期間變頻輸出電壓的THD最大為9.3%，HVF最大為3.991%，在各種工況下的變頻器輸出側(cè)電壓諧波指標(biāo)均超過國標(biāo)規(guī)定值。從諧波含量的性能指標(biāo)看，電壓型高壓變頻器要明顯優(yōu)于電流型高壓變頻器。而電流型高壓變頻器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是能量反饋及四象限運(yùn)行，在發(fā)電廠風(fēng)機(jī)及泵類設(shè)備中并不需要。因此，從設(shè)備選型上看，電壓型高壓變頻器在電廠具有更好的應(yīng)用前景。

3.2 核心元器件

高壓變頻器的核心元器件主要是控制板卡、功率單元及附件。控制板卡包括了單元控制板（CCB）、系統(tǒng)接口板以及用戶接口板和驅(qū)動(dòng)控制板。通過對(duì)運(yùn)行故障案例的檢查、測試和分析，發(fā)現(xiàn)核心元器件故障的主要原因有以下幾點(diǎn)：

（1）核心元器件本身的質(zhì)量性能不穩(wěn)定或電子控制通信回路故障。如單元控制板上的檢測回路故障、控制板卡上光電耦合器質(zhì)量不穩(wěn)定導(dǎo)致的變頻故障、用戶接口板通信故障、功率單元SGCT功率管特性異常、可控硅共接電阻燒損等。

（2）運(yùn)行環(huán)境不良造成元器件運(yùn)行故障。如主控單元與可控硅觸發(fā)驅(qū)動(dòng)板之間的光纖接口積灰嚴(yán)重，導(dǎo)致光纖通道衰耗過大，通信出現(xiàn)異常；調(diào)制板上芯片針腳和跳線處有積灰，使針腳和跳線短路，引發(fā)軟件錯(cuò)誤。

（3）保養(yǎng)和維護(hù)措施不規(guī)范引起元器件故障。如應(yīng)先打開控制電源使變頻器通風(fēng)驅(qū)潮，否則共接電阻等元件容易因受潮而燒壞；應(yīng)定期對(duì)功率單元柜的所有螺栓進(jìn)行緊固以防接線松動(dòng)，避免元件接觸不良而造成控制系統(tǒng)誤判。

高壓變頻器主要核心元器件的產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)高壓變頻設(shè)備可靠穩(wěn)定運(yùn)行影響較大，產(chǎn)品的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步提高。西門子羅賓康的單元控制板在多個(gè)電廠投運(yùn)后先后出現(xiàn)了故障，更換備板后恢復(fù)正常，部分故障板拿回總部檢測卻遲遲沒有結(jié)果；羅克韋爾AB變頻器也在投運(yùn)一段時(shí)間后因功率單元及附件故障而多次出現(xiàn)離線和在線故障，導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)。變頻設(shè)備核心元件產(chǎn)品成熟穩(wěn)定性的提高依賴于電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和廠家制造工藝的不斷提高，與此同時(shí)，良好的運(yùn)行環(huán)境和規(guī)范的檢修維護(hù)及備品備件管理也有助于提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.3 附屬設(shè)備

高壓變頻器的主要附屬設(shè)備包括電源模塊、冷卻風(fēng)扇、自帶不停電電源UPS和變壓器。

3.3.1 UPS

變頻器自帶的UPS可靠性相對(duì)較差，曾發(fā)生溫度過高、風(fēng)扇損壞、電池失效等故障，增加了設(shè)備的故障點(diǎn)。目前各電廠已逐步取消和拆除了自帶UPS，將變頻器控制電源接自機(jī)組UPS或機(jī)組保安段，消除了故障點(diǎn)，也提高了控制電源的可靠性。

3.3.2 電源模塊

電源模塊也是故障率較高的部件，從現(xiàn)場分析和處理情況看，故障原因大多是溫度過高和風(fēng)扇故障，且主要發(fā)生在羅克韋爾的高壓變頻器上。改進(jìn)措施有以下幾方面：

（1）合理設(shè)計(jì)電源柜的通風(fēng)散熱，特別是電源模塊的通風(fēng)散熱及防塵，保證電源模塊有良好的運(yùn)行環(huán)境，提高電源運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（2）高壓變頻器廠家應(yīng)選擇產(chǎn)品質(zhì)量和工藝更穩(wěn)定可靠的電源模塊。

（3）從運(yùn)行維護(hù)角度出發(fā)，運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)變頻柜運(yùn)行溫度和濕度的監(jiān)控，加強(qiáng)電源模塊風(fēng)扇維護(hù)和定期檢查，提高設(shè)備可靠性。

（4）根據(jù)運(yùn)行情況對(duì)電源模塊進(jìn)行定期更換。

3.3.3 冷卻風(fēng)扇

冷卻風(fēng)扇有一定的使用壽命，要定期更換，但實(shí)際上有很多冷卻風(fēng)扇未到使用壽命就已損壞。因此在設(shè)備運(yùn)行檢查過程中要重點(diǎn)關(guān)注冷卻風(fēng)扇，通過聽、摸來判斷冷卻風(fēng)扇是否正常。

冷卻風(fēng)扇故障停運(yùn)后，變頻器將立刻停運(yùn)跳機(jī)，廠家如此設(shè)計(jì)的目的是保護(hù)高壓變頻器的元器件，防止風(fēng)扇停運(yùn)后散熱不暢引起溫度升高對(duì)元器件造成損害。但這一措施卻大大降低了變頻器的運(yùn)行可靠性，因?yàn)樽冾l柜內(nèi)溫度并不會(huì)突變，個(gè)別冷卻風(fēng)扇的故障停運(yùn)不會(huì)造成柜內(nèi)溫度的大幅上升，且冷卻風(fēng)扇故障停運(yùn)報(bào)警后，現(xiàn)場完全有條件和時(shí)間進(jìn)行快速故障處理或負(fù)荷轉(zhuǎn)移，可以避免因引風(fēng)機(jī)等主要輔機(jī)突然停運(yùn)造成的機(jī)組甩負(fù)荷。

由此可見，對(duì)冷卻風(fēng)扇的檢查和健康評(píng)估、發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)更換非常必要。雖然日本日立建議冷卻風(fēng)扇2年進(jìn)行更換，但不同廠家冷卻風(fēng)扇的產(chǎn)品質(zhì)量差距較大，如西門子羅賓康及東方日立的產(chǎn)品均已運(yùn)行多年，情況仍良好。因此建議：平時(shí)檢查時(shí)要多注意觀察冷卻風(fēng)扇是否有發(fā)熱、聲音異常等情況，檢修期間檢測冷卻風(fēng)扇三相電流是否平衡等，對(duì)故障率較高的冷卻風(fēng)扇應(yīng)考慮重新選擇設(shè)備生產(chǎn)廠家。

3.3.4 隔離變壓器

從調(diào)研情況看，隔離變壓器的故障主要由相間短路引起，具體原因?yàn)楦墒阶儔浩骼@組末端引出線是從繞組底部貼著本相的繞組向上出線，在引出部位承受相電壓，但未對(duì)絕緣做加強(qiáng)處理，且引出線沒有合適的固定部位，只是在引出部位用扎帶將其綁扎在繞組的第一層線餅上，引出線與線餅接觸處局部發(fā)熱，導(dǎo)致絕緣劣化甚至擊穿。通過隔離變壓器外殼改造、引出線和線餅間加強(qiáng)絕緣和增強(qiáng)通風(fēng)散熱能力等措施后，隔離變壓器運(yùn)行情況得到改善。隨著產(chǎn)品的改進(jìn)和產(chǎn)品性能可靠性的提高，目前該類故障已基本消除，但仍需加強(qiáng)對(duì)隔離變壓器的巡視和維護(hù)管理。

3.4 廠用電電壓波動(dòng)

廠用電電壓波動(dòng)的情況包括6kV（或10kV）電源的瞬間閃變、工作電源切備用電源（慢切）及母線上電動(dòng)機(jī)成組或最大1臺(tái)電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)時(shí)造成的電壓波動(dòng)。各高壓變頻器對(duì)廠用電電壓波動(dòng)的適應(yīng)性目前都是通過選配保護(hù)瞬停再啟動(dòng)功能來實(shí)現(xiàn)的。保護(hù)瞬停再啟動(dòng)的設(shè)置為（65%～75%）Un，延時(shí)2 s。電壓值設(shè)置過高容易導(dǎo)致頻繁啟動(dòng)瞬停功能，如某廠電壓值設(shè)為80%Un，而該廠電源母線上的大容量輔機(jī)較多，啟動(dòng)時(shí)母線電壓容易出現(xiàn)波動(dòng)，同時(shí)該廠處于系統(tǒng)末端，容易因外部線路故障引起電壓波動(dòng)，因此該廠的高壓變頻投運(yùn)后出現(xiàn)了11臺(tái)次的變頻瞬停。從時(shí)間設(shè)置上來說，廠用電切換和區(qū)間外故障保護(hù)動(dòng)作到返回不會(huì)超過2 s，輸入電源的擾動(dòng)時(shí)間一般也很短，延時(shí)2 s的設(shè)置具有一定的抗干擾能力。

3.5 控制保護(hù)參數(shù)的合理設(shè)置

在分析過程中發(fā)現(xiàn)有些故障是由于控制參數(shù)和保護(hù)定值的設(shè)置不合理所致。如某廠引風(fēng)機(jī)電機(jī)返廠大修后部分技術(shù)參數(shù)出現(xiàn)變更，而變頻裝置技術(shù)參數(shù)設(shè)置未隨之進(jìn)行調(diào)整，使變頻運(yùn)行控制出現(xiàn)偏差。如參數(shù)設(shè)置表中的額定功率，在矢量控制中用來計(jì)算轉(zhuǎn)矩電流、滿載功率因數(shù)，額定轉(zhuǎn)速用來計(jì)算轉(zhuǎn)差率，額定電壓用來計(jì)算電機(jī)的額定磁通，滿載電流用來計(jì)算電機(jī)的輸出阻抗等，這些技術(shù)參數(shù)是否準(zhǔn)確都將影響變頻控制的匹配和準(zhǔn)確性。

在西門子羅賓康的過負(fù)荷選擇參數(shù)設(shè)置中，由于變頻器是通過建立電機(jī)熱模型再估算電機(jī)的溫度來判讀的，共有3種選擇：一是恒值（恒定負(fù)載），即直接通過電機(jī)電流來判斷，設(shè)置在額定電流的110%及120%報(bào)警；二是直接反時(shí)限，估算溫度的110%時(shí)一級(jí)報(bào)警，120%時(shí)二級(jí)報(bào)警，延時(shí)設(shè)定為60 s。三是速度降額反時(shí)限，即根據(jù)電機(jī)廠家提供的速度曲線來估算。電廠的風(fēng)機(jī)、水泵類設(shè)備一般采用第二種即直接反時(shí)限。因此，正確理解參數(shù)含義、合理設(shè)置參數(shù)有助于提高變頻運(yùn)行控制和穩(wěn)定。

3.6 運(yùn)行環(huán)境的改進(jìn)

根據(jù)對(duì)電廠高壓變頻器運(yùn)行環(huán)境的調(diào)查和評(píng)估，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行環(huán)境對(duì)高壓變頻器可靠運(yùn)行的影響比較大，其中溫度、濕度、粉塵、振動(dòng)等環(huán)境因素會(huì)對(duì)高壓變頻器電力電子元件穩(wěn)定運(yùn)行和正常使用壽命產(chǎn)生較大的影響。高壓變頻器目前的運(yùn)行環(huán)境主要有采用空調(diào)制冷的全封閉環(huán)境和采用風(fēng)道將熱量排到室外的半封閉式環(huán)境。半封閉式環(huán)境施工簡單、費(fèi)用低、散熱效果好，但維護(hù)工作量大（需定期清洗濾網(wǎng)），運(yùn)行穩(wěn)定性依賴于所處大環(huán)境，適用于環(huán)境較好、粉塵少的場合。而全封閉環(huán)境由于室內(nèi)外空氣不直接流通，可確保室內(nèi)環(huán)境清潔，但空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用高，空調(diào)的可靠性會(huì)影響變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行。

高壓變頻器大多安裝在輔機(jī)附近，灰塵較多?；覊m進(jìn)入變頻柜內(nèi)會(huì)導(dǎo)致絕緣下降或電子元器件擊穿?；覊m堵塞濾網(wǎng)造成變頻柜散熱效果差，在板卡上積灰容易導(dǎo)致功率模塊過熱失效損壞和出現(xiàn)軟件錯(cuò)誤。從電力電子設(shè)備的運(yùn)行可靠性考慮，全封閉運(yùn)行環(huán)境要優(yōu)于半封閉運(yùn)行環(huán)境。在環(huán)境設(shè)計(jì)上要考慮通風(fēng)散熱容量及冗余備用，還要考慮防塵防潮措施，建議將變頻柜內(nèi)的溫度、濕度等信號(hào)送DCS監(jiān)控，并設(shè)定報(bào)警點(diǎn)，以加強(qiáng)對(duì)柜內(nèi)溫度和濕度的監(jiān)控；在外部環(huán)境灰塵較多的地方，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)空調(diào)室外機(jī)的清灰維護(hù)。建議新建電廠或改造過程中盡量采用全封閉運(yùn)行環(huán)境。

3.7 運(yùn)行檢修維護(hù)規(guī)范的制定

在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，各廠對(duì)高壓變頻系統(tǒng)的檢修工藝卡和檢修維護(hù)規(guī)范（包括有些重要的元器件如電解電容的檢測和更換周期等）還在制定和摸索中，各電廠的高壓變頻運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)差距較大，運(yùn)行維護(hù)管理人員對(duì)高壓變頻設(shè)備的熟悉和掌握程度有待進(jìn)一步提高。因此應(yīng)加快制定高壓變頻設(shè)備日常維護(hù)措施、停機(jī)保養(yǎng)以及定期檢修項(xiàng)目的檢修工藝卡和檢修規(guī)范，這將有利于吸取前期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，通過不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和完善措施來提高運(yùn)行維護(hù)的管理水平。

4 進(jìn)一步的探討和建議

通過對(duì)集團(tuán)公司內(nèi)發(fā)電企業(yè)高壓變頻系統(tǒng)應(yīng)用情況的調(diào)研、故障情況的統(tǒng)計(jì)分析，以及對(duì)運(yùn)行環(huán)境的研究評(píng)估，提出了一些意見和建議，以下問題還需作深入探討：

（1）高壓變頻器的檢修工藝卡及運(yùn)行維護(hù)規(guī)程的討論修訂，可根據(jù)不同品牌分別編寫，以規(guī)范和指導(dǎo)高壓變頻器的日常運(yùn)行和定期檢修維護(hù)，使運(yùn)行檢修工作標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，提高設(shè)備可靠性。

（2）與相關(guān)設(shè)備廠家溝通，探討定期檢修維護(hù)時(shí)對(duì)有關(guān)板卡、元器件的檢查測試方法。在目前無專用工裝設(shè)備檢測板卡的情況下，現(xiàn)場只能通過板卡互換的方法來判斷其好壞。

（3）國內(nèi)部分高壓變頻器設(shè)備廠家經(jīng)過多年的發(fā)展和對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收，產(chǎn)品日趨成熟穩(wěn)定，可靠性也大幅提高，在國內(nèi)其他電廠已有很多的應(yīng)用業(yè)績。便捷的技術(shù)交流和探討、快速備品備件提供和周到的售后服務(wù)及投資成本的相對(duì)經(jīng)濟(jì)等是國內(nèi)設(shè)備廠家的優(yōu)勢，設(shè)備國產(chǎn)化也是我國設(shè)備制造和技術(shù)進(jìn)步的必然發(fā)展趨勢。因此建議加強(qiáng)對(duì)國產(chǎn)高壓變頻器研發(fā)、技術(shù)特點(diǎn)及具體應(yīng)用情況的調(diào)研，為下一步的設(shè)備國產(chǎn)化做好準(zhǔn)備。

（4）加強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)外電廠高壓變頻運(yùn)行故障情況的統(tǒng)計(jì)匯總分析，促進(jìn)經(jīng)驗(yàn)共享和技術(shù)交流，制定反措，避免類似問題的重復(fù)發(fā)生，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。

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