海上平台透平发电机柴油高压泵变频器电容烧毁故障分析和警示

陈永强

(中海石油(中国)有限公司天津分公司辽东作业公司 天津300457)

0 引 言

透平发电机是利用机械能转换为电能输出的装置，是海上油田主要的电力来源。启动马达是通过电驱动的，安装在发动机上，用来启动发动的马达，为透平发电机启动期间提供运转至自持转速的动力，是透平发电机的关键部件。某海上平台运行的A、B、C、D、F 透平发电机机组出现高压泵变频器报警及烧毁故障，影响平台系统供电的稳定性及安全，故而需对该平台透平发电机A、B、C、D、F 机组故障进行深入分析，寻找故障原因为解决，保证海上平台供电安全和稳定。

1 故障现象

某平台透平发电机F 机组燃油启动测试过程中，当转速达到额定转速10%时，在线运行的透平A、B、D 机组和备用透平C 机组LCP 报警AL_UF 2 220 fault，技术人员确认报警并进行手动复位时，发现MCC 间透平A、B、C、D、F 机组柴油高压变频泵VFD 报警over voltage，其中透平A、B、C、D 机组柴油高压变频泵VFD 出现冒烟状况，立即将所有柴油泵VFD 380 V 的开关电源切断。另，同一段母排有4 路负载开关报接地故障跳闸。透平A、B、D 运行在gas 模式下，切断高压变频泵VFD 电源未引起机组关断。透平F 机停机，MCC 间检查辅机设备控制开关，透平F 机启动马达VFD 报警over current。怀疑启动马达存在大电流现象，现场检查启动马达接线，启动马达电源接线箱打开发现2 号启动马达电缆单相绝缘击破对地放电。

柴油变频泵VFD 烧毁后，现场对透平A、B、C、D 机柴油变频泵VFD 进行拆检，拆检过程中均发现其中一块电路板上的4 个电容(1 500µF，400 V)已经击穿烧毁，其他电路板没有击穿和烧毁痕迹。

2 故障原因分析

2.1 初步分析

对上述事件的原因初步分析有以下结论：海上平台低压配电采用的是中性点不接地三相三线系统，中性点不接地系统发生单相接地故障时，由于不构成回路，所以流过故障点的是由对地电容形成的容性电流，数值很小，而整个系统的中性点对地电压发生偏移，不接地相的对地电压也会升高，接近或等于线电压380 V。当中性点不接地系统故障点产生间歇性电弧时，在一定条件下，产生串联谐振过电压，其值可达相电压的2.5～3 倍。根据现场启动马达电源接线盒端盖上两处电击痕迹判断，现场发生间歇性电弧放电，产生瞬间高电压，该高电压在整个系统中会在绝缘薄弱点进行击穿。透平启动马达VFD 电源和柴油高压变频泵VFD 电源来自同一母排段，属于同一系统，产生的过电压造成柴油高压变频器VFD 电压升高，VFD 电容(1 500µF，400 V)电压瞬时超过400 V并被击穿。

2.2 深度分析

以上分析有几个地方被忽视：

①以现场启动马达电源接线盒端盖上2 处电击痕迹判断，现场发生间歇性电弧放电是不错，但这并非是电力系统直接接地，中间还隔着变频器，不会对电力系统产生那么大的影响，造成母排电压剧烈波动。

②通过查看透平事故记录发现柴油变频泵VFD直流母线过压(超过正常电压200 多V)持续了大约2 min，似乎低压母排出现了电压的波动。但如果低压母排出现了如此长时间和剧烈的电压波动，却没有设备及母排过压的报警，低压电力系统没有出现解列，这不合情理。

③同一段母排有4 路负载开关报接地故障跳闸，这4 路设备没有出现接地为何同时报接地故障跳闸，母排电压波动不会产生负载开关接地故障跳闸。

④透平F 机2 号启动马达电缆单相绝缘会如此快的被击穿(透平F 机还处于调试阶段，启动次数很少)，因此排除这个可能性。

⑤透平的启动马达变频器及其他透平启动马达变频器都没有出现DC 母线剧烈的电压波动。

从以上5 点分析，初步分析的结论是不能成立的，通过透平历史记录来看也验证了这个质疑。从表1 可以看出，透平A 启动变频器VFD430 和柴油高压变频器VFD443 同处LC 段400 V 盘，在故障发生前后都处于未运行状态，但柴油高压变频器VFD443 的DC 母线出现了剧烈的电压波动，波动幅度超过200 V，最高超过800 V，持续2 min，柴油高压变频器电容就是在这段时间被击穿的。

表1 透平A机变频器数据记录Tab.1 Data recording of converter of turbine A machine

而此时透平A 启动变频器VFD430 的DC 母线没有出现剧烈的电压波动，波动幅度仅约20 V。在其他透平的启动变频器和柴油高压变频器也出现了相同的现象。

上述现象先不论原因，可以得出的结论是LC 段400 V 盘没有出现较大的电压波动。而柴油高压变频器VFD 电容(1 500µF，400 V)也确实是过电压超过400 V 并被击穿的。

2.3 故障原因分析

主要有2 个方面：①逆变器直接驱动电机时会产生较高dv/dt 的共模电压，并由此产生轴承电流和共模漏电流以及严重的电磁干扰(EMI)。特别是变频器输出到电动机电缆不规范(如未使用带屏蔽层的电缆或电缆过长)会加剧共模电压时，由于电缆中分布参数的影响，会在电机端产生电压反射现象，从而在电机端产生2 倍以上的过电压，导致绝缘失效；②变频器输出的共模电压在电机转子轴上感应轴电流，使电机轴承在短期内损坏(图1)。

图1 共模电流的流动路径Fig.1 Flow path of common mode current

现场透平F 的启动马达到变频器电缆未使用带屏蔽层的电缆，且电缆的长度过长(Allen-Bradley 公司的《PowerFlex 700 变频器用户手册》中建议使用带屏蔽层的电缆及电缆长度91 m 以内。

《PowerFlex 700 变频器用户手册》中有“PowerFlex 700 变频器包括保护性MOVS 和相对于地的共模电容器，为保护电容器不受损坏，如果变频器安装在一个不接地的系统中，则这些电容器应断开”的描述并有图示(图2)。

在中性点不接地系统中，MOVs 和共模电容接地时，能够传导高频共模电压(零序电压)和漏电流至变频器DC 母线，会产生导致变频器DC 母线过压，使变频器DC 母线电容组充电电压超过电容的耐受电压。

图2 共模电容的的说明Fig.2 Illustration of common mode capacitance

3 结论及警示

经检查透平A、B、C、D 机柴油高压变频泵VFD的共模电容接地跳线均未摘除。

结合上述分析可以确定故障的原因：在透平F的启动马达变频器运行中，启动马达接线端产生了较高的共模电压(零序电压)，由于使用的电缆不规范、电缆较长及启动马达接线质量等原因，共模电压将电缆接头的绝缘击穿，导致接地故障。而未摘除的柴油泵变频器的MOVs 和共模电容接地跳线，传导高频接地故障电压和接地故障电流，导致变频器内部直流母线过压，接地故障时间持续了2 min，使电容损坏。

因此结合我们日常的海上系统的维护、安装及检修，应当更多地注意海上平台供电系统的特殊性，及设备在特殊供电系统中应用时的情况，以防止类似设备问题发生，以提高电力系统的稳定性及设备的安全性，降低设备的故障率。