天然气压缩机组变频器功率单元故障处理

杨丽茹，刘 清，马 骏

（1.中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司输气管理处，四川成都 610213；2.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川成都 610100）

0 引言

高压变频调速装置（简称高压变频器）是通过器件串联或单元串联，利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着离心式天然气压缩机组国产化发展，大功率高压变频器作为电机调速装置与电机配套，为离心式天然气压缩机组提供节能高效的动力。但实际运用中也时常发生一些故障，需要在判断分析故障现象基础上，不断完善高压大功率变频器的配置和相关配件标准，以达到稳定可靠的调速功能，满足用户需要。以TL 站电驱离心式天然气压缩机机组投运过程中发生的两起变频器故障为例，在分析处理故障后，提出改进意见并实施，达到有效消除故障、提高运行平稳度和可靠性的良好效果。

TL 站共有3 台压缩机组，采用电压源型Innovert10/6-8600ALO 变频器，前端配置ZTS-9800/10 整流变压器。通过变频器内整流单元，将三相交流电压变为直流电，通过电容器保持直流电压稳定，直流母线电压通过IGBT 逆变单元向电机输出电能。逆变单元采用PWM 逆变控制，达到“交—直—交”变频，实现不同频率和电压的输出到电机定子绕组，对额定功率8.5 kW、YZKS710-4 型三相异步电机进行调速。从而带动离心式压缩机PlLC405 对天然气进行压缩、增压，达到加压后上载国家管网的目的。变频器调速装置结构如图1 所示。

图1 变频器调速装置结构

1 故障现象

TL 站2 号离心式天然气压缩机组2020 年9 月29日11 点39 分，第二次开机带空载电机启动时，变频器功率单元发生炸裂故障。一个功率单元C2 板底部的4 个IGBT 全部炸裂，底部复合铜排变形。IGBT 模块引脚端子全部与模块底部基板脱离，顶部吸收电容位置处类似有短路烧熔痕迹，2个连接吸收电容的导电柱已经烧熔，电机还未开始转动。

1 号离心式天然气压缩机组天然气进气正常运行24 h 后，停机10 天。2020 年10 月25 日13 点46 分，启机时高压变频单元发生炸裂停机故障。检查发现B2、C2 单元顶部炸裂，B2 单元的一个吸收电容已被炸飞，不见痕迹。

2 故障分析与处理

2.1 确定分析方向

通过查阅报警记录、了解现场情况、测量等方法分析，采用排除法，排除模块过温、电机剩磁电压高、电阻损坏导致IGBT直通、功率单元湿度高和机械应力损坏等5 种故障原因。

（1）功率单元均在启动瞬间损坏，可以排除模块过温导致损坏的可能。

（2）变频器PLC 控制面板日志中没有出现个别单元母线过压故障。急停过程中，若电机定子有剩磁电压，产生很高反电势，则会造成多个功率单元损坏。因仅有1 个功率单元损坏，可排除电机定子线圈有一定剩磁电压的可能。

（3）测量故障单元的的电阻，均正常。功率单元控制板电路，硬件上下管互锁，软件也有互锁机制，逻辑信号驱动错误概率几乎没有。可排除停机后均压电阻不良损坏，使得控制逻辑出现混乱导致IGBT 直通的可能。

（4）咨询现场工作人员得知，柜内加热器和空调始终打开。柜内检查确认水冷接头无漏水，散热器以及母排绝缘良好，柜内湿度正常。排除功率单元湿度偏高导致绝缘距离不够引起打火短路。

（5）根据工程经验，IGBT 端子受外力影响一般是在运行一段时间后模块发热导致短路爆炸。在启动过程中模块为冷态，基本排除IGBT 端子受机械应力导致内部绝缘距离不够引起短路爆炸的可能。

综上，确定分析方向为两点：一是分析底部IGBT 爆炸原因；二是分析吸收电容鼓包炸飞的原因。

2.2 具体分析方法

首先，将IGBT 邮寄回厂家，要求IGBT 厂家提供分析报告。厂家分析报告显示所有的IGBT 和大多数的二极管严重烧伤，4个样品都有电弧。厂家结论是电弧来自于CE 端子短路，非IGBT 本身质量问题。

其次，将3 只吸收电容送回厂家进行性能测试和解剖分析。电容器厂家解剖发现，3 只产品的薄膜均无自愈点，可确认不是耐压不良导致的失效。确定原因是脉冲电流较大（远超过额定值），引起端面发热，使得薄膜收缩变形，导致膜与喷金层之间接触不良，产生爬电，最终造成耐压击穿失效，确定非电容本身质量问题。

最后，使用示波器现场测试波形。启动时，示波器显示峰值电流Ipeak达2500 A。查阅系统配置说明书，发现此次变频器功率单元选配的吸收电容参数中Ipeak为850 A。此次选型配备的吸收电容能承受的尖峰电流值不能满足现场工况需求。

单脉冲测试波形如图2 所示，启动1#机组时，直流电压2500 V，关断电流2100 A 情况下，模块关断时间约为1 μs。该功率单元设计最大电压变化率du/dt 为2500 V/μs，在启动和特殊工况下，电压变化率最高可达2500 V/μs。该功率单元单个电容容量C 为1 μF，则电容峰值电流Ipeak=C×du/dt，最大可达到2500 A，实际监测最大电容峰值电流为2100 A。

图2 单脉冲测试波形

2.3 故障结论

综上所述，分析主要原因是特殊情况下或变频器在启动工况下流过吸收电容的Ipeak已大于规格书的相关指标，造成电容失效，引发功率单元故障。流过吸收电容的Ipeak过大，电容变形，导致绝缘距离缩小产生电弧，进而引起直流母排短路，吸收电容的导电柱熔化。吸收电容耐压击穿失效，可能造成模块没有吸收，关断电流过大，引起CE 过压引弧，导致IGBT 爆炸。

2.4 故障处理及改进措施

重新核算，将功率单元上1 μF 电容全部更换为单个容量为0.5 μF、承受峰值电流1500 A 的电容。在工厂做模拟实验进行测试，在关断电流2100 A、尖峰电压2940 V 情况下，电容吸收尖峰电压效果良好，可以保证IGBT 和功率单元的安全性和可靠性。电容器经过现场安装试验，满足现场工况下的可靠性需求。

调整系统参数，尽量降低启动时电压变化率du/dt。将隔离变压器输入侧电压由10.02 kV 调整至10 kV，将变频器启动过程第1 段加速时间由120 s 调整至180 s。

考虑到PWM 变频驱动电机时会产生较高的du/dt，并由此产生轴电流和共模漏电流以及严重的电磁干扰。为进一步提升变频器抗电磁干扰能力，在变频器输出端加装电抗器。质保期内，更换电容和增加电抗器均由厂家负责。

3 结束语

在两起功率单元故障剖析过程中，通过排除法排除5 种故障原因，确定两个故障原因分析方向。采用返厂解剖分析、示波器现场测试等方法，确定主要原因为特殊情况下或变频器在启动工况下流过吸收电容的Ipeak大于规格书的相关指标，造成电容失效，引发IGBT 爆炸损坏。更换电容解决故障，提出调整部分参数设置和加装电抗器的改进措施。经过半年运行，变频器系统运行可靠、安全、稳定。因此，在离心式天然气压缩机组配备大功率变频器的设计中，应结合现场工况选择配置参数适应的各种元器件。在天然气压缩机组运行故障处理中，应重视排除法及示波器现场测试法等分析方法。