一起因電機(jī)進(jìn)水導(dǎo)致變頻柜電容器鼓包的故障判斷方法和原因分析

趙曉凱，孫 磊，郭金勇

1 變頻柜電容器鼓包的現(xiàn)象

在中國(guó)石油渤海鉆探某鉆井隊(duì)，曾經(jīng)發(fā)生了一次絞車變頻柜電容器鼓包的故障。在故障現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)該隊(duì)絞車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了解，該隊(duì)絞車采用A和B雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，既可以實(shí)現(xiàn)A電機(jī)或者B電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)A電機(jī)和B電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，而且A變頻柜驅(qū)動(dòng)A電機(jī)，B變頻柜驅(qū)動(dòng)B電機(jī)，兩個(gè)是相互完全獨(dú)立的同型號(hào)的變頻柜，在A、B雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)采用光纖進(jìn)行主從控制，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)同步。變頻柜的型號(hào)是6SE7034-5HK60-Z，筆者通過現(xiàn)場(chǎng)電氣師對(duì)電容器鼓包的情況進(jìn)行了詳細(xì)的了解，具體的情況如下。

當(dāng)B變頻柜不合閘，單獨(dú)使用A變頻柜時(shí)，A電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常；

當(dāng)A變頻柜不合閘，單獨(dú)使用B變頻柜時(shí)，B電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常；

當(dāng)B變頻柜合閘但不使能，單獨(dú)使用A變頻柜時(shí)，A電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，B變頻柜電容器鼓包；

當(dāng)A變頻柜合閘但不使能，單獨(dú)使用B變頻柜時(shí)，B電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，A變頻柜正常；

當(dāng)同時(shí)使用A變頻柜和B變頻柜驅(qū)動(dòng)時(shí)，B變頻柜電容器鼓包。該隊(duì)絞車系統(tǒng)使用的是電磁剎車，沒有使用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，變頻房到絞車電機(jī)之間的動(dòng)力電纜不是屏蔽電纜，由于是平移鉆機(jī)，絞車電機(jī)的動(dòng)力電纜延伸得比較長(zhǎng)。

2 排查問題的步驟和思路

電容器發(fā)生鼓包的原因一般有兩個(gè)，一個(gè)是電容器工作的環(huán)境溫度過高，另一個(gè)是電容器工作的電壓過高。筆者通過詢問現(xiàn)場(chǎng)電氣師了解到，B變頻柜電容器鼓包時(shí)變頻房?jī)?nèi)空調(diào)工作狀況良好，環(huán)境溫度正常，B變頻柜冷卻風(fēng)機(jī)工作正常，在電容發(fā)生鼓包后，手摸電容器，電容器的溫度不高，這樣就可以排除電容器鼓包的第一種原因，那么電容器鼓包的原因只能是電容器承受了過高的電壓。

導(dǎo)致電容器所承受的電壓過高的原因，一是均壓電阻故障導(dǎo)致電容器電壓過高，二是直流母線曾經(jīng)經(jīng)歷了一段高電壓的過程。經(jīng)過對(duì)B變頻柜仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)鼓包的電容器沒有規(guī)律，鼓包現(xiàn)象不是集中在上、中、下的某一行電容器上，看來電容器鼓包和均壓電阻無關(guān)。那么電容器鼓包的原因只能是直流母線電壓高了。

是什么原因?qū)е轮绷髂妇€電壓過高呢？經(jīng)過檢查，可以確認(rèn)每一個(gè)變頻柜和外界的電氣連接只有三相交流電的入線、經(jīng)過逆變后用于連接電機(jī)的三相交流輸出線以及Profibus通訊線。A變頻柜和B變頻柜輸入的三相交流電都來自于同一個(gè)交流母線排，A變頻柜不存在電容器鼓包的問題，所以B變頻柜也不可能從三相交流電輸入端進(jìn)入高壓電。如果從Profibus通訊線引入了高壓電，那么工作于低電壓的通訊系統(tǒng)就會(huì)出問題，B變頻柜使能和運(yùn)行就不可能了。這兩個(gè)可能性都排除了，那么高壓電只能從B變頻柜連接電機(jī)的三相交流輸出線反向進(jìn)入了。

為了驗(yàn)證高壓電從連接電機(jī)的三相交流輸出線反向進(jìn)入B變頻柜的判斷，做了如下測(cè)試：切斷B變頻柜三相交流電的輸入開關(guān)，從B變頻柜輸出口拆下B變頻柜的三相輸出電纜線，單獨(dú)閉合和啟動(dòng)A變頻柜，在A電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)測(cè)量從B變頻柜拆下來的三根輸出電纜線之間的電壓，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有交流電壓，并且該交流電壓隨著A電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高而升高，最大值可以超過80V。

確定了高壓電就是從B變頻柜連接電機(jī)的三相交流輸出線反向進(jìn)入后，用兆歐表測(cè)量三根B電機(jī)電纜線的對(duì)地絕緣，發(fā)現(xiàn)絕緣值幾乎為零。斷開B電機(jī)后再次進(jìn)行測(cè)量，確認(rèn)B電機(jī)接地，電機(jī)的三相電纜線正常。為了證實(shí)判斷的準(zhǔn)確性，更換了鼓包的電容器組，恢復(fù)了B變頻柜輸出的三相接線，把變頻房B電機(jī)輸出端子上的B電機(jī)連接線拆下，然后在該連接端子上臨時(shí)接了一個(gè)75kW的電機(jī)。這時(shí)單獨(dú)對(duì)A變頻柜、單獨(dú)對(duì)B變頻柜、以及同時(shí)對(duì)A變頻柜和B變頻柜進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果是A電機(jī)和B電機(jī)都運(yùn)轉(zhuǎn)正常，而且B變頻柜電容器不再鼓包。

通過以上步驟，可以確定因?yàn)锽電機(jī)的接地故障導(dǎo)致B變頻柜電容器鼓包。通過更換絞車B電機(jī)后，問題徹底解決。在更換B電機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)B電機(jī)有水從電機(jī)通風(fēng)口流出，進(jìn)一步確認(rèn)了接地的原因是電機(jī)進(jìn)水。

3 電容器鼓包的原因分析

B電機(jī)發(fā)生接地故障導(dǎo)致B變頻柜電容器鼓包的原因以下圖為例進(jìn)行分析。

在鉆井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)，絞車A電機(jī)和B電機(jī)的電纜線是并列鋪在電纜槽內(nèi)的，這兩個(gè)電機(jī)的電纜線比較長(zhǎng)而且離得很近，而且該隊(duì)這兩臺(tái)絞車電機(jī)電纜都不是屏蔽電纜，所以電機(jī)工作時(shí)在電機(jī)電纜上產(chǎn)生的電磁場(chǎng)就會(huì)覆蓋到另外一臺(tái)電機(jī)的電纜線上，從而在另外一臺(tái)電機(jī)電纜線上產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，感生電動(dòng)勢(shì)進(jìn)入電機(jī)后由于電機(jī)的感抗比較大，所以產(chǎn)生的感生電流比較小，這個(gè)感生電流流過反向并聯(lián)于IGBT的二極管后對(duì)直流母線電容進(jìn)行充電，充電電流也就比較小，對(duì)直流母線電壓的影響不大。因此，在電機(jī)絕緣正常的情況下，A變頻柜和B變頻柜都閉合主閘，當(dāng)A電機(jī)工作時(shí)B變頻柜的直流母線電壓略有提高。

圖1 B電機(jī)進(jìn)水后的電路示意圖

如圖1所示，當(dāng)B電機(jī)進(jìn)水后，導(dǎo)致三相繞組結(jié)成一個(gè)整體，相當(dāng)于B電機(jī)成為一個(gè)接點(diǎn)，在這種情況下由于不存在感抗，A電機(jī)工作時(shí)在B電機(jī)電纜上產(chǎn)生的感生電流會(huì)很大，對(duì)直流母線電容充電的效果就越明顯，致使B變頻柜直流母線在原來母線電壓的基礎(chǔ)上又疊加感生電流對(duì)電容器充電的電壓，所以直流母線電壓就會(huì)升高得比較高。

由于這個(gè)系統(tǒng)沒有制動(dòng)單元，當(dāng)A電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，A電機(jī)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)就越強(qiáng)，在B電機(jī)電纜上產(chǎn)生的感生電流就越大，對(duì)B變頻柜直流母線電壓的提升就越大，當(dāng)電壓達(dá)到電容器的極限值后，電容器就會(huì)開始陸續(xù)鼓包。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)變頻柜電容器鼓包的現(xiàn)象描述，以及對(duì)電容器鼓包的原因分析，可以知道當(dāng)兩臺(tái)或者多臺(tái)電機(jī)的電纜靠的比較近時(shí)，變頻柜沒有安裝制動(dòng)單元時(shí)，電機(jī)進(jìn)水后容易引起變頻柜直流母線電壓升高，導(dǎo)致并聯(lián)在直流母線上的電容器鼓包。對(duì)使用者來說要特別關(guān)注電機(jī)的絕緣問題，要經(jīng)常用電機(jī)加熱器對(duì)電機(jī)進(jìn)行加熱除濕，確保電機(jī)絕緣正常，以免引起變頻器的絕緣故障，甚至發(fā)生電容器鼓包的現(xiàn)象。