一起高压变频器频繁发生故障的原因分析
大唐华中电力试验研究院的研究人员刘辉、贾少华，在2019年第10期《电气技术》杂志上撰文指出，随着国家对节能环保要求的进一步提高，越来越多的火电厂已经将引风机及凝结水泵等大功率重要辅机设备更换为变频驱动电机，为了保障机组的安全稳定运行，要求辅机变频器具有更高的可靠性。本文分析了某电厂引风机变频器故障频发的问题，探讨了故障产生的原因，对变频器厂家进一步改进设计具有一定的参考意义，同时，对各电厂辅机变频器的故障排查也有一定的借鉴意义。
随着国家对节能环保要求的进一步提高，越来越多的火电厂已经将引风机及凝结水泵等大功率重要辅机设备更换为变频驱动电机，以达到节能降耗的目的。然而在实际应用过程中，变频器故障发生概率较大，元器件更换费用较高，在紧急变频切工频过程中也会对设备造成负面影响，给电厂带来了一定的经济损失。
本文针对某电厂引风机变频器故障频发的问题进行了分析，对故障发生原因及整改措施进行了探讨，对于电厂变频器故障分析具有一定的借鉴和参考意义。
1 事件经过与设备参数
2018年7月4日04：08：57，某电厂2号炉2A引风机变频器报驱动故障，当日04：09：07，2A引风机变频器报急停动作，变频转工频运行切换成功，2A引风机以工频继续运行。事件发生后，检查2A引风机6kV进线开关保护装置，6kV保护装置无动作和报警记录，故障录波装置无记录，2A引风机变频器A6和B6功率单元烧毁严重。
2A引风机变频器系统主接线图如图1所示，变频器额定容量为7200kVA，额定电压为6kV，额定电流为600A，单元级数为6级，变频器功率单元额定电压为577V，额定电流为600A，旁路形式为机械旁路，采用两个交流断路器并联的形式，直流电容为电解电容，由三组模块并联，且与功率单元分体。
经了解，在此故障发生前的半年内，2A引风机变频器已经多次出现故障导致烧毁及报警问题。2月份A4、B4功率单元高压熔断器炸裂起火，A4、B4、C4功率单元本体上有电弧烧伤痕迹，A4、B4、A5、B5、C5功率单元所配电容箱本体上有电弧烧伤痕迹，A4、B4隔离变及通信光纤被烧熔。
6月10日10：05，A6功率单元故障切换旁路成功，故障代码为C000，对应光纤下行通信故障和IGBT驱动保护。判断A6单元损坏。13日早班A引风机停运后更换A6单元和B6第二组电容箱。试运时发重故障报警，现场检查处理A6单元光纤插口接触不良或积尘缺陷。于当日下午并列运行正常。
6月28日，B4组功率单元故障报警，通信故障，2s后消失，及时更换功率单元，目前由于没有备品，该功率单元应用在B5。
图1 变频器一次系统图
2 现场故障情况
1）控制器故障记录
本次事故发生时，有效记录信息共3条，按发生顺序依次为“单元驱动保护2018.7.4，04：08：57”“单元直流过压警告2018.7.4，04：08：57”“下行通讯故障2018.7.4，04：08：57”。
其中“单元驱动保护”“下行通讯故障”为故障信息，“单元直流过压警告”为报警信息，故障信息动作于停机，报警信息动作于发报警信号。单元驱动保护记录中，所有功率单元电压电流正常；单元直流过压警告记录中，A6和B6功率单元对应的直流电压分别降至137V和0；下行通信故障记录中，电压电流信息与上一条记录一致。
另外在本次故障发生前，2018年2—7月，A4、B4、C4、A5、B5、C5、A6、B6、C6功率单元多次发生通信故障，且通信故障未得到根本性解决。
2）功率单元内部损坏情况
功率单元主体由上、中、下三层构成：下层为功率单元整流环节，三相交流电压经整流二极管组成三相不可控整流电路，整流二极管固定在散热片上；中、上层为功率单元的逆变环节，对应于H桥逆变电路的左右两组桥臂。由于功率单元容量比较大，其直流电容由三组电解电容组并联而成，且与功率单元分体并经直流母排连接。
对A6单元拆解检查发现，单元控制电源进线、光纤熔断；S相、T相保险均熔断；单元旁路接触器380V电源进线熔断；直流母排接地线熔断；整流部分R相、T相二极管损坏；一个IGBT损坏（标准耐压值为1700V，实测耐压值400V）；单元旁路2个并联的断路器线圈损坏；功率单元三相输入交流母线有明显的烧熔痕迹，下层整流部分和中层逆变部分的散热片上有明显烧熔痕迹，单元主控板可正常上电。如图2所示。
图2 功率单元A6损坏情况
对B6单元拆解检查发现，单元控制电源进线、光纤熔断；S相、T相保险均熔断；单元旁路接触器380V电源进线熔断；直流母排接地线熔断；整流二极管全部损坏，上层一个IGBT损坏（标准耐压值为1700V，实测耐压值400V），中层一组IGBT（共8个）全部损坏；功率单元主控板中直流电压采样端子损坏；单元旁路2个并联的断路器线圈损坏；主控板不能正常上电（经初步检测为直流电压采样回路短路，断开此分支后，可正常上电）。如图3所示。
图3 功率单元B6损坏情况
3）变频器移相变压器损坏情况
移相变压器一次侧为三相星形接法，二次侧为延边三角形接法，共18路输出至对应的功率单元。现场检查发现，功率单元A6、B4、B6所连接的移相变压器二次绕组均有明显变形，如图4所示。
图4 移相变低压绕组变形
3 故障原因分析
对应上述各故障记录和损坏现象，分析本次故障发生的原因。
1）通信故障原因
A4—C4、A5—C5、A6—C6功率单元对应的光纤通信由同一光纤通信板进行上行和下行通信，这几个功率单元多次报通信故障，返厂对此光纤通信板检查发现，此通信板存在通信不稳定和光信号弱等问题。
A6单元通信光纤不稳定，导致A6单元的IGBT在经受一个很短时间（远小于正常导通时间）的导通后，在关闭时产生高频的过电压，在此过电压的长期作用下，一方面会影响功率单元内部元器件寿命，导致功率单元短路；另一方面会对功率单元内部母排之间的绝缘产生负面影响。
2）功率单元损坏原因
从设计方面来看，此功率单元内部的母线铜排布局不当，随着绝缘部件的老化，母排之间产生电弧放电现象，导致故障发生。
通信不稳定产生的高频过电压长期作用，A6单元因直流叠层母排发生非金属短路而首发“单元驱动保护”故障，发生此故障后，A6功率单元首先封锁IGBT驱动信号，闭锁IGBT；但是由于A6单元保险容量大（630A），未及时熔断，致使短路故障持续，最终导致整流二极管全部损坏，其短时强电流引发的弧光烧坏了A6功率单元的主控板电源进线及光纤；已经不受控的电弧蔓延至正在工作的B6单元，导致B6单元中IGBT发生上下桥臂导通，致使IGBT和整流二极管损坏。
另外，旁路开关未能正确动作，使得故障进一步扩大化。此旁路开关的作用是在功率单元发生故障时，通过闭合断路器的方式将此功率单元切除，其他功率单元正常运行，保持变频器的正常运行，同时避免事故进一步扩大。
然而，在本次事故中，功率单元内部发生短路故障时，由于旁路开关断路器内部电磁线圈激磁电压随之降低，不能产生足够大的吸力使衔铁闭合，导致衔铁长时间处于大气隙下抖动，磁阻非常之大，以至于线圈电感量大为减少，线圈长时间处于低阻抗大电流状态下，直至被烧毁。旁路开关在故障时不仅不能正常动作，线圈烧毁还会引起事故扩大。
3）变压器绕组变形原因
根据近几次故障情况推测，A6和B6对应的绕组变形原因为本次事故中功率单元内部短路，导致变压器低压绕组电流过大，而B4对应的绕组变形，原因是2月份发生了类似的事故，事故后检修人员未及时发现和处理此问题，在本次检查时B4绕组变形问题依旧存在。
4 整改建议
为了防止此类事故再次发生，从变频器的设计以及日常维护方面提出以下几点整改建议。
1）定期检查通信情况
设备管理人员应定期在变频器停机时对控制器通信情况进行检查，尤其注意光信号弱和不稳定等问题，及时更换老化的控制器通信板。
2）功率单元内绝缘优化设计
厂家应该在设计上改进功率单元内部的母线铜排布局，同时优化绝缘层的安装和固定方式。在设计上考虑通信不稳定等极端工作条件下高频过电压对绝缘的影响，对变频单元内部母线排之间的绝缘预留充分的裕度。
3）功率单元内旁路开关电源优化
在多次事故中，由于真空接触器动作电压取自功率单元内部，当功率单元内部发生短路故障时，线圈长时间处于低阻抗大电流状态下而被烧毁，断路器不能正确动作。功率单元本体均未成功切换旁路，导致故障进一步扩展，多个功率单元受损，变频器整体停机。
厂家在功率单元旁路切换功能设计上应该改进，避免此类情况再次发生，增强变频器设备的可靠性。
4）移相变压器检查及试验
移相变压器由于结构设计，在功率单元内部短路后会受到冲击变形，匝间绝缘会受到损坏，在功率单元损坏事故中，大多数电厂工作人员往往只注重对功率单元和电容器的检查和更换，对移相变压器的检查和试验不够重视。事故后检查时，不能忽略对移相变压器匝间绝缘的试验检查，应该根据检修计划安排感应耐压试验，防止因为移相变压器绝缘问题导致事故进一步扩大。
本次变频器故障的直接原因在于通信不稳定造成的尖峰过电压和功率单元内部绝缘设计问题，另外，旁路开关的电源设计导致未能快速切除故障，也扩大了故障范围。从电厂设备管理者的角度来看，巡检时要注意逆变器的警告信息，及时更换老化元件，故障发生后要对整个逆变器系统进行全面检查，避免因潜在性的绝缘问题而引发二次故障。