一起高压变频器故障跳闸引发的思考

刘 杰

（山西京玉发电有限责任公司，山西 朔州 037000）

0 引言

高压变频调速技术具备突出的调速、启动和制动性能，较高的功率因数和较好的节能效果，广泛应用于工业生产的各个领域。发电厂对高压变频设备的可靠性要求非常高，要求设备故障后能够迅速排除故障，恢复运行，但变频器自身故障往往不容易排查，导致故障处理时间较长，对发电厂连续生产有一定的影响。

1 故障变频器基本情况

某发电厂脱硫系统4 号浆液循环泵使用6 kV高压变频器实现变频调速功能。变频器型号为广州智光电气股份有限公司生产的ZINVERT-A5H-10000/06B，额定容量1 000 kVA，额定输入电压6 kV，浆液循环泵电机功率810 kW。变频器电源取自电厂6 kV 母线电源段。6 kV 电源开关处配置1 套北京四方公司生产的CSC-237A 数字电动机保护装置，保护装置设置变频运行和工频运行2 套定值，分别保护电机变频运行状态下6 kV 电源开关至变频器内移相变压器之间的故障和电机工频运行状态下6 kV 电源开关至电机之间的故障。变频器输出侧配置1 套北京四方公司生产的CSC-236B 数字电动机变频保护装置，此套保护在变频器变频运行时投入，工频运行时退出，作用是在电机变频运行状态下保护变频器输出端至电机之间的故障。变频器保护由自身保护功能实现。变频器主接线及保护装置配置如图1 所示。

图1 某电厂变频器主接线及保护装置配置图

2 变频器故障原因分析及处理

变频器故障前，运行电流81 A，频率45 Hz，其他运行参数均在正常范围内。2019 年11 月10 日13 时43 分变频器跳闸，跳闸时电流无明显增长。现场检修人员进入变频器室发现变频器控制面板和指示灯均不亮，CSC-236B 数字电动机变频保护装置报“过流保护”动作，故障电流二次值0.47 A（过流保护定值0.45 A，0.5 s），同时变频器室能够闻到烧糊味道。检修人员打开变频器控制柜柜门，看到变频器外部控制电源开关QS1在合闸位置，内部控制电源开关QS2 在分闸位置（变频器有两路控制电源，外部控制电源为厂用380 V 电源段供电，取W 相220 V，内部控制电源为变频器内移相变压器低压侧提供380 V 电源，取W 相220 V），用万用表测试QS1 开关输入侧已无电压，检查发现QS1 开关的上级馈线开关脱扣跳闸。变频器两路控制电源如图2 所示。

图2 某电厂变频器控制电源接线图

现场检修人员分析变频器跳闸的原因一是变频器出口侧电动机变频保护装置（CSC-236B） 动作，可能是循环泵电机及变频器至电机的电缆存在故障。二是变频器外部控制电源失电，可能是变频器控制电源故障，但变频器高压回路与外部控制电源回路没有直接联系，二者同时故障的概率是极其微小的。这就提出了为什么QS1 开关在合闸位置而上级开关却越级跳闸了，为什么QS2开关也发生跳闸的问题。三是变频器室能闻到烧糊味道，说明变频室内一定有设备发生故障。由于变频器控制电源失电，无法查看控制面板显示的内容，检修人员一时难以判断故障是电机和电缆故障还是变频器自身故障。

现场检修人员进行商议后，决定先查看变频器6 kV 电源开关侧和输出侧保护装置动作记录。检查6 kV 电源开关侧保护（CSC-237A）无任何故障记录，只有变频器输出侧保护装置（CSC-236B） 在2019 年 11 月 10 日 13 时 43 分 45 秒时报“过流保护”动作。检查变频器外部控制电源回路，上级380 V 配电段馈线开关脱扣跳闸，断开变频器控制柜内QS1 开关，用绝缘电阻表测试馈线开关至QS1开关之间电缆绝缘，回路对地及相间绝缘正常，查看变频器图纸，发现变频器控制回路并联两路负载，一路为变频器控制电源，另一路为变频器柜顶散热风机电源（变频器柜顶有两个散热风机，目的是给变频器功率模块散热）[1]。用绝缘电阻表检测风机回路绝缘，发现对地绝缘为零，风机回路有接地故障！拆掉故障风机电源的接线，测试其他回路绝缘均正常。变频器散热风机接线如图3 所示。

恢复外部控制电源回路供电，变频器控制面板和指示灯正常显示。查看变频器故障记录，发现 2019 年 11 月 10 日 13 时 43 分 46 秒变频器报“高压未带电警告”，故障类型为“外部故障信号停机”，说明变频器未检测到自身故障[2]。

图3 某电厂变频器散热风机接线图

根据变频器控制面板显示信息初步分析判断，由于变频器散热风机接地故障，导致变频器外部控制电源的上级馈线电源开关跳闸，变频器内QS1 开关未跳闸是因为普通空气开关不具备接地故障瞬时跳闸功能，上级馈线开关有单独的接地保护，风机电机发生接地故障后越级跳上级开关。变频器正常运行时，两路控制电源开关QS1、QS2均在合闸位置。图2 中切换继电器KA70 线圈得电吸合，常开接点闭合，常闭接点打开，用户380 V 交流电源（外部控制电源） 导通，变频器控制电源由外部控制电源提供，此电源故障后，切换继电器KA70 线圈失电释放，常开接点断开，常闭接点闭合，系统变压器电源（内部控制电源）导通，变频器控制电源切换为内部控制电源供电。由于控制回路串联了UPS 电源装置，可以使两路控制电源切换过程中变频器控制系统不失电，保证变频器连续运行。

变频器散热风机电机发生接地故障后，QS1开关的上级电源开关跳闸，外部控制电源失电，切换继电器将变频器控制电源切换为内部控制电源，由于风机回路仍存在接地故障，故障存在一定时间后内部控制电源QS2 开关跳闸（主要是故障一定时间后QS2 开关过流跳闸），控制电源彻底失电，导致变频器跳闸，并连跳6 kV 侧电源开关。变频器跳闸后，输出侧电压则跟着下降，循环泵电机惰行，电机定子电流随着下降，转子电流逐渐衰减。由于机械惯性，转子逐渐减速，转子电流磁场在定子绕组中产生反向感应电势，形成反馈电压，致使电动机呈异步发电机状态，导致电机定子电流瞬时达到了输出侧保护装置（CSC-236B） “过流保护”的定值，保护动作，此电流只是短期存在，随着电机转子速度降低而很快下降，直至完全消失。输出侧保护装置动作这一故障现象一直在误导现场检修人员，增加了故障判断的难度。

检修人员检查散热风机电机，发现电机线圈烧损，这就是变频间有烧糊味道的原因，更换新的风机电机，测试循环泵电机和电缆绝缘正常，变频器重新启动，启动后运行参数正常。

3 变频器跳闸引发的思考

通过此次变频故障跳闸事件，可以看出智光变频器设计存在以下缺陷。

第一，变频器控制电源与散热风机电源取自同一电源存在较大隐患，散热风机属于长期运行的转动类设备，故障概率较大，二者取自同一电源，大大降低了控制电源的供电可靠性。电厂计划在停机检修时将风机电源与控制电源分开，单独从厂用配电段取风机电源。建议厂家改进设计，从用户厂用配电段单独取风机电源，使控制电源和风机电源相互独立，提高设备的可靠性。

第二，变频器控制器采集的外部信号过于简单，比如此次故障中变频器只报出“外部故障信号停机”，而外部控制电源失电不能单独报警，给查找和消除故障带来一定困难，希望厂家能把外部控制电源、内部控制电源、风机电源等开关的辅助接点分别接到变频器控制器，当某个回路发生故障时，变频器能直接报出相应故障回路，使检修人员能够迅速查找和排除故障，尽快恢复现场设备运行。

4 结束语

发电厂对设备可靠性要求较高，设备故障跳闸后将直接影响生产，尤其是脱硫脱硝等环保设备，设备故障退出运行将直接影响环保指标，影响电厂效益和声誉，其重要程度不言而喻。近年来，发电厂为节能和调速大量使用变频调速设备，但很多生产厂家将变频器设计简化，不能满足用户的可靠性要求。希望变频器厂家设计人员能够和发电厂技术人员多交流，不断改进和完善产品，并针对特殊用户实现个性化定制服务，使产品能够满足各类用户的需求。