提高高压变频系统运行可靠性的探讨

邬荣敏

（浙江浙能能源技术有限公司，杭州 310052）

火力发电厂的风机、泵类设备通过采用高压变频技术来实现节能降耗运行是目前各发电厂进行技术改造的主流技术手段。但在高压变频技术改造完成后的运行过程中，也多次发生变频器本身故障或运行维护经验不足导致变频装置退出运行，造成机组降负荷甚至停炉、停机事故，直接影响电厂的安全指标和经济效益。本文通过对浙能集团所属各电厂高压变频运行故障的统计分析，提出了改进措施和建议。

1 高压变频器应用概况

目前浙能集团所属各发电厂高压变频技术改造的范围主要集中在凝结水泵、一次风机、引风机、脱硫增压风机等重要辅机设备，截至2010年底，高压变频器的应用已超过60台，变频使用总容量达到108.61 MW。从变频设备选用情况看，高压变频器主要选用原装进口或国内组装生产的国际知名品牌，具体情况如下：西门子罗宾康24台，美国罗克韦尔（AB）13台，日立22台（东方日立15台，日本日立7台），上海安川3台，东芝三菱2台，利德华福1台。

2 高压变频器故障统计分析

根据对集团系统内发电厂高压变频器缺陷故障情况的调研、统计以及对高压变频故障的专题分析研究，得到高压变频器运行过程中故障缺陷分类统计，见表1（统计时间为2002年1月至2010年6月底）。

从表1看，高压变频器元器件的缺陷和故障主要集中在控制板卡、功率单元及其附件和电源模块，是造成高压变频故障及停运的主要因素。而运行环境，特别是温度和灰尘对高压变频器的电力电子设备及控制系统正常运行也有较大的影响，有待进一步改进。合理设置保护控制参数有利于减少高压变频器误停机，提高运行稳定性；UPS及隔离变压器等附属设备的故障缺陷随着技术改造和设计优化而逐步得到完善和解决。

表1 高压变频器故障缺陷分类统计

3 提高高压变频系统运行可靠性的措施

3.1 设备选型

从功率单元器件数量及结构、功率单元特点、谐波含量、功率因素和效率等指标看，电流型高压变频器由于采用高压SGCT（一种高压大功率元件），器件数量少，结构相对简洁；电压型高压变频器采用低压IGBT（绝缘栅双极晶体管）元件多级串联，元器件数量多，结构比较复杂，但低压功率单元元器件技术更加成熟。电压型高压变频器采用多电平串联技术，在脉冲和电平等级的数量上要大大多于电流型，输出波形质量更优，从而得到更高的功率因素和效率。从某电厂正在运行的电流型和电压型高压变频器各抽取1台做电能质量测试，从检测结果看，电压型高压变频器在测试期间的电压总谐波畸变率（THD）为1.26%，谐波电压因数（HVF）最大不超过1%，满足国标要求。而电流型高压变频器在测试期间变频输出电压的THD最大为9.3%，HVF最大为3.991%，在各种工况下的变频器输出侧电压谐波指标均超过国标规定值。从谐波含量的性能指标看，电压型高压变频器要明显优于电流型高压变频器。而电流型高压变频器的独特优点是能量反馈及四象限运行，在发电厂风机及泵类设备中并不需要。因此，从设备选型上看，电压型高压变频器在电厂具有更好的应用前景。

3.2 核心元器件

高压变频器的核心元器件主要是控制板卡、功率单元及附件。控制板卡包括了单元控制板（CCB）、系统接口板以及用户接口板和驱动控制板。通过对运行故障案例的检查、测试和分析，发现核心元器件故障的主要原因有以下几点：

（1）核心元器件本身的质量性能不稳定或电子控制通信回路故障。如单元控制板上的检测回路故障、控制板卡上光电耦合器质量不稳定导致的变频故障、用户接口板通信故障、功率单元SGCT功率管特性异常、可控硅共接电阻烧损等。

（2）运行环境不良造成元器件运行故障。如主控单元与可控硅触发驱动板之间的光纤接口积灰严重，导致光纤通道衰耗过大，通信出现异常；调制板上芯片针脚和跳线处有积灰，使针脚和跳线短路，引发软件错误。

（3）保养和维护措施不规范引起元器件故障。如应先打开控制电源使变频器通风驱潮，否则共接电阻等元件容易因受潮而烧坏；应定期对功率单元柜的所有螺栓进行紧固以防接线松动，避免元件接触不良而造成控制系统误判。

高压变频器主要核心元器件的产品质量对高压变频设备可靠稳定运行影响较大，产品的稳定性还需要进一步提高。西门子罗宾康的单元控制板在多个电厂投运后先后出现了故障，更换备板后恢复正常，部分故障板拿回总部检测却迟迟没有结果；罗克韦尔AB变频器也在投运一段时间后因功率单元及附件故障而多次出现离线和在线故障，导致设备停运。变频设备核心元件产品成熟稳定性的提高依赖于电力电子技术的不断发展和厂家制造工艺的不断提高，与此同时，良好的运行环境和规范的检修维护及备品备件管理也有助于提高设备运行的稳定性。

3.3 附属设备

高压变频器的主要附属设备包括电源模块、冷却风扇、自带不停电电源UPS和变压器。

3.3.1 UPS

变频器自带的UPS可靠性相对较差，曾发生温度过高、风扇损坏、电池失效等故障，增加了设备的故障点。目前各电厂已逐步取消和拆除了自带UPS，将变频器控制电源接自机组UPS或机组保安段，消除了故障点，也提高了控制电源的可靠性。

3.3.2 电源模块

电源模块也是故障率较高的部件，从现场分析和处理情况看，故障原因大多是温度过高和风扇故障，且主要发生在罗克韦尔的高压变频器上。改进措施有以下几方面：

（1）合理设计电源柜的通风散热，特别是电源模块的通风散热及防尘，保证电源模块有良好的运行环境，提高电源运行的稳定性。

（2）高压变频器厂家应选择产品质量和工艺更稳定可靠的电源模块。

（3）从运行维护角度出发，运行维护人员应加强对变频柜运行温度和湿度的监控，加强电源模块风扇维护和定期检查，提高设备可靠性。

（4）根据运行情况对电源模块进行定期更换。

3.3.3 冷却风扇

冷却风扇有一定的使用寿命，要定期更换，但实际上有很多冷却风扇未到使用寿命就已损坏。因此在设备运行检查过程中要重点关注冷却风扇，通过听、摸来判断冷却风扇是否正常。

冷却风扇故障停运后，变频器将立刻停运跳机，厂家如此设计的目的是保护高压变频器的元器件，防止风扇停运后散热不畅引起温度升高对元器件造成损害。但这一措施却大大降低了变频器的运行可靠性，因为变频柜内温度并不会突变，个别冷却风扇的故障停运不会造成柜内温度的大幅上升，且冷却风扇故障停运报警后，现场完全有条件和时间进行快速故障处理或负荷转移，可以避免因引风机等主要辅机突然停运造成的机组甩负荷。

由此可见，对冷却风扇的检查和健康评估、发现故障及时更换非常必要。虽然日本日立建议冷却风扇2年进行更换，但不同厂家冷却风扇的产品质量差距较大，如西门子罗宾康及东方日立的产品均已运行多年，情况仍良好。因此建议：平时检查时要多注意观察冷却风扇是否有发热、声音异常等情况，检修期间检测冷却风扇三相电流是否平衡等，对故障率较高的冷却风扇应考虑重新选择设备生产厂家。

3.3.4 隔离变压器

从调研情况看，隔离变压器的故障主要由相间短路引起，具体原因为干式变压器绕组末端引出线是从绕组底部贴着本相的绕组向上出线，在引出部位承受相电压，但未对绝缘做加强处理，且引出线没有合适的固定部位，只是在引出部位用扎带将其绑扎在绕组的第一层线饼上，引出线与线饼接触处局部发热，导致绝缘劣化甚至击穿。通过隔离变压器外壳改造、引出线和线饼间加强绝缘和增强通风散热能力等措施后，隔离变压器运行情况得到改善。随着产品的改进和产品性能可靠性的提高，目前该类故障已基本消除，但仍需加强对隔离变压器的巡视和维护管理。

3.4 厂用电电压波动

厂用电电压波动的情况包括6kV（或10kV）电源的瞬间闪变、工作电源切备用电源（慢切）及母线上电动机成组或最大1台电动机自启动时造成的电压波动。各高压变频器对厂用电电压波动的适应性目前都是通过选配保护瞬停再启动功能来实现的。保护瞬停再启动的设置为（65%～75%）Un，延时2 s。电压值设置过高容易导致频繁启动瞬停功能，如某厂电压值设为80%Un，而该厂电源母线上的大容量辅机较多，启动时母线电压容易出现波动，同时该厂处于系统末端，容易因外部线路故障引起电压波动，因此该厂的高压变频投运后出现了11台次的变频瞬停。从时间设置上来说，厂用电切换和区间外故障保护动作到返回不会超过2 s，输入电源的扰动时间一般也很短，延时2 s的设置具有一定的抗干扰能力。

3.5 控制保护参数的合理设置

在分析过程中发现有些故障是由于控制参数和保护定值的设置不合理所致。如某厂引风机电机返厂大修后部分技术参数出现变更，而变频装置技术参数设置未随之进行调整，使变频运行控制出现偏差。如参数设置表中的额定功率，在矢量控制中用来计算转矩电流、满载功率因数，额定转速用来计算转差率，额定电压用来计算电机的额定磁通，满载电流用来计算电机的输出阻抗等，这些技术参数是否准确都将影响变频控制的匹配和准确性。

在西门子罗宾康的过负荷选择参数设置中，由于变频器是通过建立电机热模型再估算电机的温度来判读的，共有3种选择：一是恒值（恒定负载），即直接通过电机电流来判断，设置在额定电流的110%及120%报警；二是直接反时限，估算温度的110%时一级报警，120%时二级报警，延时设定为60 s。三是速度降额反时限，即根据电机厂家提供的速度曲线来估算。电厂的风机、水泵类设备一般采用第二种即直接反时限。因此，正确理解参数含义、合理设置参数有助于提高变频运行控制和稳定。

3.6 运行环境的改进

根据对电厂高压变频器运行环境的调查和评估，发现运行环境对高压变频器可靠运行的影响比较大，其中温度、湿度、粉尘、振动等环境因素会对高压变频器电力电子元件稳定运行和正常使用寿命产生较大的影响。高压变频器目前的运行环境主要有采用空调制冷的全封闭环境和采用风道将热量排到室外的半封闭式环境。半封闭式环境施工简单、费用低、散热效果好，但维护工作量大（需定期清洗滤网），运行稳定性依赖于所处大环境，适用于环境较好、粉尘少的场合。而全封闭环境由于室内外空气不直接流通，可确保室内环境清洁，但空调运行费用高，空调的可靠性会影响变频器的稳定运行。

高压变频器大多安装在辅机附近，灰尘较多。灰尘进入变频柜内会导致绝缘下降或电子元器件击穿。灰尘堵塞滤网造成变频柜散热效果差，在板卡上积灰容易导致功率模块过热失效损坏和出现软件错误。从电力电子设备的运行可靠性考虑，全封闭运行环境要优于半封闭运行环境。在环境设计上要考虑通风散热容量及冗余备用，还要考虑防尘防潮措施，建议将变频柜内的温度、湿度等信号送DCS监控，并设定报警点，以加强对柜内温度和湿度的监控；在外部环境灰尘较多的地方，还应加强对空调室外机的清灰维护。建议新建电厂或改造过程中尽量采用全封闭运行环境。

3.7 运行检修维护规范的制定

在调研中发现，各厂对高压变频系统的检修工艺卡和检修维护规范（包括有些重要的元器件如电解电容的检测和更换周期等）还在制定和摸索中，各电厂的高压变频运行经验差距较大，运行维护管理人员对高压变频设备的熟悉和掌握程度有待进一步提高。因此应加快制定高压变频设备日常维护措施、停机保养以及定期检修项目的检修工艺卡和检修规范，这将有利于吸取前期的运行经验和教训，通过不断总结经验和完善措施来提高运行维护的管理水平。

4 进一步的探讨和建议

通过对集团公司内发电企业高压变频系统应用情况的调研、故障情况的统计分析，以及对运行环境的研究评估，提出了一些意见和建议，以下问题还需作深入探讨：

（1）高压变频器的检修工艺卡及运行维护规程的讨论修订，可根据不同品牌分别编写，以规范和指导高压变频器的日常运行和定期检修维护，使运行检修工作标准化、规范化，提高设备可靠性。

（2）与相关设备厂家沟通，探讨定期检修维护时对有关板卡、元器件的检查测试方法。在目前无专用工装设备检测板卡的情况下，现场只能通过板卡互换的方法来判断其好坏。

（3）国内部分高压变频器设备厂家经过多年的发展和对引进技术的消化吸收，产品日趋成熟稳定，可靠性也大幅提高，在国内其他电厂已有很多的应用业绩。便捷的技术交流和探讨、快速备品备件提供和周到的售后服务及投资成本的相对经济等是国内设备厂家的优势，设备国产化也是我国设备制造和技术进步的必然发展趋势。因此建议加强对国产高压变频器研发、技术特点及具体应用情况的调研，为下一步的设备国产化做好准备。

（4）加强系统内外电厂高压变频运行故障情况的统计汇总分析，促进经验共享和技术交流，制定反措，避免类似问题的重复发生，提高设备运行可靠性。

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