海上平臺電潛泵變頻柜故障原因及處理

鄭建峰

摘要：電潛泵變頻柜在避臺返回后重啟的過程中發(fā)生多起IGBT擊穿的事故，變頻柜整流模塊在合閘上電備機時，短到幾秒長則十幾秒之內(nèi)，變頻柜內(nèi)部發(fā)出劇烈的爆炸聲，隨即回路電源開關跳閘。文章對海上平臺電潛泵變頻柜故障原因及處理措施進行了探討。

關鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管；IGBT；擊穿（炸機）；海上平臺；電潛泵；變頻柜 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN733 文章編號：1009-2374（2016）17-0148-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.072

1 IGBT擊穿故障原因分析

2013年在避臺風回到平臺恢復生產(chǎn)時，南海某A平臺B-22H和B-11H各有一整流模塊在送電時內(nèi)部炸機，當時廠家ABB人員隨即從B-03H變頻柜拆下一個整流模塊恢復B-22H變頻柜；另拆了一個模塊到B-11H變頻柜，再次送電時又炸機，另外一臺原先未損壞的模塊又出現(xiàn)了炸機。相隔不久，同時建造投產(chǎn)的姊妹B平臺也出現(xiàn)了6臺變頻柜炸機故障，同年11月4日，B平臺在臺風“羅莎”過后，復臺時候又發(fā)生兩臺變頻柜故障停機，分別是B20井和14井變頻柜，其中B20井變頻柜是整流側(cè)IGBT短路故障，B14井變頻柜是K13接觸器無法吸合故障，同一時段A平臺也有2臺變頻柜出現(xiàn)IGBT短路故障。平臺變頻柜連續(xù)發(fā)生模塊擊穿故障，而且問題是發(fā)生在避臺風回來的時候，模塊擊穿故障引起ABB廠方高度重視，指派其售后服務工程師現(xiàn)場檢查并提供調(diào)查處理報告。

1.1 IGBT擊穿原因廠家認為與受潮有關

電潛泵變頻柜在平臺陸地建造期間安裝時正好處于南方的梅雨季節(jié)，曾有一段時間不能進行驅(qū)潮工作，環(huán)境濕度較大。在設備投產(chǎn)前，雖然進行了長時間除濕和除塵工作，變頻柜表面的水跡已經(jīng)干了，但是受潮后會在一定時間內(nèi)影響變頻柜性能。雖經(jīng)全面檢查和絕緣測試均達到了使用要求，在運行了一段時間，有一部分變頻柜在避臺后恢復生產(chǎn)重啟時出現(xiàn)IGBT擊穿，廠方售后工程師配合平臺電氣師重新檢查了全部變頻柜，發(fā)現(xiàn)受潮問題也只是個案，不能代表所有設備情況一樣，受潮并不是IGBT擊穿的主要原因。

1.2 設備上電后啟動整流前暖機驅(qū)潮工作未做好

廠家認為設備上電后啟動整流前暖機驅(qū)潮工作未做好，為此平臺電氣師按要求進行了全面檢查和整改

工作：

1.2.1 變頻柜上電前先抽出變頻柜整流及逆變模塊，檢查變頻柜交直流主回路相間、相對、二次回路對地絕緣有無問題。

1.2.2 用萬用表測量整流模塊及逆變模塊輸入輸出各極有無接地，測試合格后將整流模塊及逆變模塊重新安裝好。

1.2.3 確保在電機電纜與逆變模塊輸出端子U2、V2、W2斷開的情況下，用耐壓測試儀在電機繞組、電機電纜與保護地之間施加國家標準規(guī)定的直流電壓，絕緣電阻應符合國標準規(guī)定要求阻值。

1.2.4 用耐壓測試儀在直流母排正負極母線、交流母排相間以及交直流母線對地間施加國家標準規(guī)定的直流電壓，絕緣電阻符合國家標準規(guī)定要求阻值。

1.2.5 按照運行措施和規(guī)范的要求，檢查柜體應無明顯的凝露和潮濕的現(xiàn)象，如果環(huán)境潮濕，必須采取強通風措施，在運行前必須先啟動逆變模塊風機運行30分鐘進行驅(qū)潮。

1.3 要求變頻柜空間加熱器電源必須連續(xù)工作

廠方要求變頻柜空間加熱器電源必須連續(xù)工作不能有中斷，為此平臺電氣師為每一臺變頻柜電加熱器重新敷設了由不間斷電源（UPS）供電的電纜，同時在避臺期間因空調(diào)無法運行，為達到調(diào)控濕度要求，安裝了三臺除濕機進行連續(xù)工作。

平臺電氣根據(jù)廠家的調(diào)研報告進行了一系列的整改工作，但是變頻柜擊穿故障并未停止。2013年11月27日，避臺返回恢復生產(chǎn)時又發(fā)生三組變頻柜發(fā)生同樣的IGBT模塊擊穿故障，同時B平臺也有兩臺變頻柜IGBT模塊短路擊穿故障。初步的原因分析并不明朗，故障的頻繁出現(xiàn)引起了各級領導和工程師的高度重視，也得到了ABB廠家的技術支持，廠家再次安排傳動方面專家進行現(xiàn)場調(diào)查和取證返廠進行分析研究。

2 IGBT擊穿故障根本原因分析

按照變頻柜廠方專家要求，重新進行全面檢查，并更換為未投產(chǎn)井同等功率變頻柜的相同模塊（屬于同一批次），進行現(xiàn)場重復啟動運行測試。記錄各項參數(shù)、運行曲線、故障時間點等方面展開。著重檢測分析短路故障發(fā)生上電啟動整流模塊的起始時間段，在廠方專家現(xiàn)場的幾次上電、啟動、運行測試過程中，再次發(fā)生了兩臺變頻柜IGBT模塊擊穿故障，由于是親身經(jīng)歷廠方專家對自身產(chǎn)品性能的認識有了重新思考，也驗證平臺方電氣師的判斷——IGBT發(fā)生擊穿故障有一個共同特點，就是在變頻柜上電啟動整流部分的前幾秒鐘內(nèi)發(fā)生的。如果躲過去這個啟動擊穿時間節(jié)點，那就可以連續(xù)運轉(zhuǎn)至停機是不會擊穿的，如果在啟動整流模塊時間點與這個時間節(jié)點重合，即發(fā)生擊穿故障并伴有一聲巨響。為分析擊穿的根本原因，廠家立即將損壞的模塊及尚未發(fā)生問題的兩組模塊帶回廠實驗室進行分析研究，并記錄下所有產(chǎn)品的批次代碼及產(chǎn)地等信息，再次分析IGBT擊穿故障，尋找問題的根本原因。

2.1 查閱隨機資料分析

2.1.1 AGDR（驅(qū)動板）提供觸發(fā)信號去控制IGBT的導通和關斷，AGDR從AINT接收的電壓及控制信號經(jīng)過各種電路轉(zhuǎn)換成控制IGBT導通關斷的觸發(fā)信號，如果中間任何元件故障造成觸發(fā)信號丟失，則AINT接收不到反饋信號，RDCU會給出模塊短路故障，有時候觸發(fā)信號沒有完全丟失，但信號不正常，一般會報出模塊電流不平衡故障。

2.1.2 故障的AGDR板返回分析（送檢的IGBT驅(qū)動板），首先檢查外觀有沒有元器件損壞：如果有，直接檢測損壞的元器件，再根據(jù)原理圖檢查有無其他元器件損壞，最后上電運行測試；如果沒有，需要先上電測試，用示波器觀察電路各部分的波形，發(fā)現(xiàn)有問題的部分再根據(jù)原理圖進一步檢查

2.2 廠家試驗報告分析

下面是AGDR板上有關陶瓷電容電路（C213～C216）部分的簡單結(jié)構(gòu)，這一部分目前發(fā)現(xiàn)的有四種損壞的情況：

2.2.1 C213或C214損壞，內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞導致電容變成一個電阻特性，即在+15V和GND之間加了一個電阻，造成IGBT的驅(qū)動波形向下偏移，直接影響了IGBT的正常導通和關斷。

2.2.2 同樣C215或C216損壞，造成了IGBT的驅(qū)動波形向上偏移，也會影響了IGBT的正常導通和關斷。

2.2.3 如果C213或C214其中一個損壞，同時C215或C216也有一個損壞，這樣在整流的+15V和-8V之間直接形成了一個通路，電流會變大，同時會造成整流二極管V201和V221燒壞。

2.2.4 外觀檢查時有時會發(fā)現(xiàn)一個電阻R203燒壞，原因是C213或C214損壞后，在這個電阻上產(chǎn)生了大約2V左右的壓降，電阻參數(shù)是功率0.25W，阻值10Ω，容易造成這個電阻燒壞。

2.3 根據(jù)相關技術資料分析

2.3.1 變頻柜快熔保險的熔斷時間應該在20毫秒級，對IGBT也是一個過載保護。

2.3.2 變頻柜的輸出電流大，也會延長IGBT管的關斷時間，導致直通。

2.3.3 驅(qū)動不足也即驅(qū)動電壓偏低，容易使IGBT管進入放大狀態(tài)，IGBT管的功耗大幅增加，IGBT管將迅速燒毀。

2.3.4 IGBT發(fā)生擎住效應后，漏極電流過大造成了過高的功耗，最后導致器件的損壞。

2.3.5 IGBT具有極高的輸入阻抗，容易造成靜電擊穿，故在存放和測試時應采取防靜電措施。

2.3.6 在并行連接的逆變單元模塊中，傳動檢測到逆變單元中過高的輸出電流不平衡。這可能是由于外部故障（接地故障、電機故障、電纜故障等）或內(nèi)部故障（損壞的逆變器部件）引起。

2.3.7 變頻柜硬件故障（APBU/NPBU）板——檢查并聯(lián)整流器的分配單元板。

2.3.8 直流電容器容量變化——可在傳動上電但未調(diào)制時檢測直流電壓是否穩(wěn)定。

2.3.9 控制盤柜型號與傳動應用程序的版本不兼容——檢查其型號與程序的版本。

2.3.10 不正確的整流/逆變器型號——比較傳動單元的額定銘牌與軟件中的參數(shù)配置。

3 故障處理和防范措施

第一，廠家免費為平臺更換存在設計缺陷的同一批次全部IGBT模塊共500多塊（整流和逆變）。

第二，改進變頻柜冷卻風機運行控制模式，更改兩個平臺共55組變頻柜內(nèi)部接線，上電時立即啟動冷卻風機為內(nèi)部熱備機條件，干燥一段時間后再啟動主回路。

第三，變頻柜內(nèi)部電加熱器電源改為由平臺不間斷電源UPS專門供電，停機時連續(xù)自動加熱驅(qū)潮，電潛泵開關間（VFD）安裝除濕機，其電源供給也使用不間斷電源。

第四，制定詳細的海上維護保養(yǎng)技術措施和注意事項：定期做維護保養(yǎng)使設備長期穩(wěn)定運行；在沒有斷開變頻柜外部電纜連接的情況下，不要對外部電纜進行絕緣測試；當再次連接電機電纜時，應檢查相序是否正確；逆變模塊的中間回路使用了多個電解電容。這些電容的使用壽命至少有90000小時，實際壽命取決于傳動單元的運行時間、負荷及環(huán)境溫度。通過降低環(huán)境溫度可以延長電容器的壽命。

4 結(jié)語

經(jīng)過變頻柜廠家和平臺電氣師的反復調(diào)查和分析研究，查出變頻柜接連發(fā)生故障的根本原因是該批次IGBT模塊存在設計上的缺陷，不適合海上環(huán)境下使用。廠家免費更換此批次IGBT模塊，并和平臺電氣采取了一系列的防范措施，返臺或平時啟動變頻柜再未出現(xiàn)過IGBT模塊短路的炸機情況，變頻柜運行一切正常。

參考文獻

[1] 李麗.電工與電子技術[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[2] 浣喜明，姚為正.電力電子技術[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] ABB變頻柜傳動單元圖紙資料和設備交付時設備隨機文件[S].

（責任編輯：秦遜玉）