關(guān)于壓氣站壓縮機(jī)GM150變頻器外部故障的研究與分析

卓麟 姜?dú)g笑

（1． 中石化川氣東送天然氣管道有限公司 2．中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司）

0 引言

某管道目前采用的都是電壓源型的電驅(qū)壓縮機(jī)，利用中壓變頻器為高壓電機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)對(duì)管道天然氣加壓，實(shí)現(xiàn)天然氣逐級(jí)輸送。該管道采用的電壓源型的變頻器有高壓級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的變頻器，有鉗位二極管結(jié)構(gòu)的高壓三電平變頻器，有DTC直接轉(zhuǎn)矩控制的五電平電壓源型變頻器，而前兩者變頻器主要使用空間矢量控制。目前該管道采用的中性點(diǎn)鉗位三電平電壓源型變壓器是西門子的SINAMICS GM150水冷IGBT型三電平變頻器。

SINAMICS GM150變頻器的整流側(cè)是獨(dú)立整流，所有的IGBT功率板共用一個(gè)直流母線排，其上級(jí)就是24脈波整流，24脈波整流由24個(gè)不可控的整流二極管組成。當(dāng)SINAMICS GM150變頻器發(fā)生外部故障時(shí)，有很多原因都可以觸發(fā)該故障，例如移相變壓器的瓦斯故障、10kV開關(guān)柜故障、阻尼柜故障等。但其中一個(gè)外部故障，介于移相變壓器4個(gè)副邊繞組與變頻器整流側(cè)之間，當(dāng)該故障發(fā)生時(shí)，變頻器系統(tǒng)難以判別故障是發(fā)生在移相變壓器那一側(cè)，還是變頻器整流這一側(cè)，故很容易造成現(xiàn)場(chǎng)故障情況誤判。在深入研究變頻器系統(tǒng)直流母線電壓波形的基礎(chǔ)之上，可以在測(cè)試情況下較快發(fā)現(xiàn)變頻器外部故障的問題所在。

1 實(shí)際案例分析

1.1 某壓氣站現(xiàn)場(chǎng)情況分析

該管道某壓氣站在走壓縮機(jī)啟機(jī)程序過程中，當(dāng)?shù)降诎瞬街麟姍C(jī)啟動(dòng)步驟時(shí)，在約10s時(shí)間后，壓縮機(jī)UCP站控機(jī)上直接顯示壓縮機(jī)組“XA/COMMON TRIP”故障跳車報(bào)警，電機(jī)未能啟動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速也未有任何變化，如圖1所示。同時(shí)，變電站1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，壓縮機(jī)生產(chǎn)機(jī)組變頻器發(fā)生失電跨越現(xiàn)象，電機(jī)轉(zhuǎn)速在5s內(nèi)由1255rpm降至1130rpm后，又繼續(xù)升速運(yùn)行。在電機(jī)轉(zhuǎn)速升速前，10kV的I段諧波濾波退出運(yùn)行，1號(hào)空壓機(jī)停運(yùn)，壓縮機(jī)變頻器的10kV中壓開關(guān)柜顯示電流速斷保護(hù)報(bào)警。

壓氣站現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)拍下變頻器急停按鈕之后，對(duì)壓縮機(jī)變頻器10kV中壓開關(guān)柜進(jìn)行下電，同時(shí)對(duì)變頻器阻尼柜進(jìn)行開柜檢查，發(fā)現(xiàn)阻尼柜LV2相的一處阻尼電阻斷裂，部分阻尼電阻存在變色現(xiàn)象，部分瓷瓶也存在變色現(xiàn)象，初步判斷是阻尼柜內(nèi)出現(xiàn)了過流現(xiàn)象，并引起10kV開關(guān)柜REX521綜保裝置進(jìn)行了速斷保護(hù)，也引起了變電站1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)。

針對(duì)變頻器阻尼柜出現(xiàn)過流現(xiàn)象的問題，有如下可能的原因：①系統(tǒng)一次側(cè)未出現(xiàn)短路點(diǎn)，壓縮機(jī)組在啟動(dòng)主電機(jī)的過程中，阻尼柜的斷路器未按啟機(jī)時(shí)序邏輯進(jìn)行合閘，使得勵(lì)磁涌流在短時(shí)間內(nèi)積聚阻尼電阻，造成阻尼柜內(nèi)阻尼電阻電流過大；②系統(tǒng)一次側(cè)出現(xiàn)了短路點(diǎn)，要在整個(gè)系統(tǒng)中，一段一段的去排查短路點(diǎn)所在的位置，并進(jìn)行相應(yīng)的電氣試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 某壓氣站案例試驗(yàn)波形分析

在對(duì)壓縮機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一次設(shè)備的電氣預(yù)防性試驗(yàn)檢查中，試驗(yàn)結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)問題。在對(duì)壓縮機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行的開關(guān)聯(lián)鎖合閘試驗(yàn)、預(yù)充壓及開關(guān)聯(lián)鎖合閘試驗(yàn)中，當(dāng)10kV開關(guān)柜斷路器合閘2.2s后，阻尼柜斷路器能夠正常合閘，證明變頻器到中壓開關(guān)柜與阻尼柜斷路器的合閘邏輯控制正常，排除了啟機(jī)時(shí)變頻器阻尼柜斷路器合閘失敗導(dǎo)致過流的問題。

在110kV變電所的北京四方系統(tǒng)的保護(hù)錄波中，根據(jù)壓縮機(jī)啟機(jī)故障時(shí)，110kV線路與10kV線路的保護(hù)啟動(dòng)錄波來看，在壓縮機(jī)啟機(jī)故障發(fā)生的一瞬間，壓縮機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)阻尼柜處產(chǎn)生的故障電流為I=1.6A×(600/1)×(110kV/10kV)=10560 A，瞬時(shí)故障電流較大，已經(jīng)遠(yuǎn)超過10kV開關(guān)REX521綜合保護(hù)裝置的2.8In的速斷電流保護(hù)的過流限值，如圖2所示。

在拆除壓縮機(jī)阻尼柜斷路器的出線銅母排，同時(shí)用高壓熱縮管保護(hù)，確認(rèn)保護(hù)措施合格后，測(cè)試10kV開關(guān)柜到變頻器阻尼柜斷路器之間的邏輯鏈路，并將測(cè)試的10kV電流速斷保護(hù)設(shè)定為0.1In、1.0In、1.6In、2.8In，相應(yīng)電流速斷保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)合格后，進(jìn)行壓縮機(jī)GM150變頻器的直流母線電壓波形的正半波和負(fù)半波測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

GM150變頻器的直流母線電壓波形的正半波和負(fù)半波測(cè)試結(jié)果顯示，在對(duì)變頻器進(jìn)行直流母線電壓的500V預(yù)充壓試驗(yàn)中，查看全波形圖，發(fā)現(xiàn)直流母線電壓波形圖存在不對(duì)稱性，底部波形圖存在一定傾向角度的畸變，波形傾斜且不對(duì)稱的原因是部分直流母線電壓的負(fù)半波在充壓時(shí)，存在電壓泄放現(xiàn)象，而造成變頻器直流側(cè)母線電壓負(fù)半波切斜的情況，很有可能是變頻器整流二極管單元某處被擊穿，導(dǎo)致電壓預(yù)充壓時(shí)，一開始又沒有直流母線電容的電壓支持作用，所以導(dǎo)致系統(tǒng)一開始預(yù)充壓時(shí)，電壓就開始泄放。故立即對(duì)GM150變頻器的整流側(cè)的24個(gè)整流二極管進(jìn)行排查。在對(duì)變頻器整流側(cè)24個(gè)整流二極管的測(cè)試過程中，同時(shí)對(duì)24個(gè)整流二極管的通斷進(jìn)行測(cè)量，也用VC890對(duì)整流二極管的極性進(jìn)行測(cè)量，在不拆除整流二極管的安裝結(jié)構(gòu)時(shí)，測(cè)量結(jié)果為正常情況為正向電壓為0.281V，反向電壓為2.401V，在測(cè)完24個(gè)整流二極管時(shí)，發(fā)現(xiàn)變頻器直流母線側(cè)A11處整流二極管（V3）被擊穿，而A12處整流二極管（V3）反向電壓為2.307V，反向電壓偏低，如圖4所示。

2 案例后續(xù)處理分析

2.1 案例排查結(jié)論分析

根據(jù)以上結(jié)果，如遇類似壓縮機(jī)故障，可以對(duì)某壓氣站的壓縮機(jī)故障問題，先進(jìn)行理論層面的詳細(xì)分析，然后通過各項(xiàng)試驗(yàn)來驗(yàn)證上述理論中各項(xiàng)事實(shí)細(xì)節(jié)，同時(shí)對(duì)壓縮機(jī)阻尼柜、移相變壓器及其連接電纜的預(yù)防性試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)核，并對(duì)電壓縮機(jī)驅(qū)系統(tǒng)的二次控制邏輯進(jìn)行一一測(cè)試，來驗(yàn)證以投產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的多項(xiàng)測(cè)試中可能出現(xiàn)的故障原因線索。

在壓縮機(jī)變頻器預(yù)充壓測(cè)試、IGBT觸發(fā)測(cè)試和直流半波測(cè)試等測(cè)試中，若再次發(fā)生外部故障，而無其他現(xiàn)象，例如此次案例，就可以發(fā)現(xiàn)變頻器直流母線半波測(cè)試的負(fù)極半波在充壓初始存在泄壓現(xiàn)象，同時(shí)在錄波圖中呈現(xiàn)出一條與正常波形不同的壓升斜線。根據(jù)這個(gè)壓升斜線的理論指示位置，最終查明GM150變頻器整流側(cè)，A11模塊的V3整流二極管被擊穿，A12模塊的V3整流二極管有瑕疵。在更換被擊穿的整流二極管后，同時(shí)利用拼裝阻尼柜進(jìn)行試驗(yàn)，并修復(fù)該故障，該壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)成功進(jìn)行了電機(jī)升速試驗(yàn)，機(jī)組以975rpm轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行20min，逐步升速至1050r/min，最終升速至1450r/min。從而實(shí)現(xiàn)了拼裝阻尼柜和全新阻尼柜的壓縮機(jī)升速試驗(yàn)，壓縮機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行均正常。

在拼裝阻尼柜和全新阻尼柜的投產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試中，測(cè)試包括投產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試、機(jī)組性能極限性能測(cè)試，并重載平穩(wěn)運(yùn)行超過48h，運(yùn)行功率5500kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速1400r/min。本次壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)問題處理中，通過電氣試驗(yàn)合格的拼裝阻尼柜，不僅電氣預(yù)防性試驗(yàn)合格，同時(shí)多次升速極限試驗(yàn)也能證明，拼裝阻尼柜完全可以正常使用，目前按相關(guān)規(guī)定暫時(shí)只作為壓縮機(jī)機(jī)組的應(yīng)急使用。

2.2 案例排查啟示

在今后的壓縮機(jī)啟機(jī)過程中，通過此次案例分析，可做好以下工作：①對(duì)于中壓開關(guān)柜發(fā)生速斷保護(hù)動(dòng)作問題時(shí)，往往是由于存在對(duì)地放電或相間短路產(chǎn)生的，要找到故障原因點(diǎn)，待故障排查后才能進(jìn)行送電測(cè)試：②在開展壓縮機(jī)變頻器的日常檢查維護(hù)時(shí)，對(duì)變頻器的整流二極管通斷情況要進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)二極管的正向和反向電壓異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行處理；③要加強(qiáng)壓氣站變頻器的專業(yè)知識(shí)的培訓(xùn)學(xué)習(xí)和維修經(jīng)驗(yàn)積累，遇到類似問題時(shí)，能及時(shí)找到故障原因點(diǎn)，準(zhǔn)確快速的排除故障。

3 結(jié)束語

綜上所述，天然氣長(zhǎng)輸管道作為國(guó)家能源的大動(dòng)脈，保證天然氣長(zhǎng)輸管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行是社會(huì)和企業(yè)的一項(xiàng)重要責(zé)任，如何實(shí)現(xiàn)壓氣站壓縮機(jī)不明故障的快速排查，需要做很多相關(guān)壓縮機(jī)檢維修技術(shù)的相關(guān)研究，從而才能保障壓縮機(jī)故障快速維修的技術(shù)可行性，這對(duì)于天然氣長(zhǎng)輸管道的壓縮機(jī)故障的疑難雜癥問題提供了一個(gè)新的解決途徑。對(duì)于西門子GM150變頻器、國(guó)產(chǎn)變頻器本身邏輯結(jié)構(gòu)的故障盲點(diǎn)，以及在失電跨越等方面的故障盲點(diǎn)，急需更詳實(shí)的重點(diǎn)研究，來取得壓縮機(jī)檢修修技術(shù)的階段性突破，為壓縮機(jī)進(jìn)口變頻器和國(guó)產(chǎn)變頻器的重難點(diǎn)故障的快速解決奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。