凝结水泵高压变频器功率模块故障分析

胡文彬

（广东红海湾发电有限公司，广东汕尾 516623）

0 引言

广东红海湾发电有限公司1号机组配备两台100%容量的筒式凝结水泵，两台电机共用一套北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT高压变频器。输入侧移相变压器将网侧高压变换为副边的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边三角接法，相互之间有一定的相位差。这种多级移相叠加的整流方式，消除了大部分由独立功率单元引起的谐波电流，可以大大改善网侧的电流波形，使变频器网侧电流近似为正弦波，其负载下的网侧功率因数达到0.95以上。每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电：每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电。无须输出滤波器；电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶轮的机械力。机组正常运行时，变频器带一台凝结水泵电机运行，另一台凝结水泵电机工频备用。当凝结水泵变电机频运行时差动保护压板退出，电机工频运行时差动保护投入。凝结水泵电机型号YKSL630-4，额定2000 kW，额定电压6 kV，额定电流226.4 A，额定转速1489 r/min。

1 故障情况

2020年12月13日19：58，1号机组发出“凝结水变频器故障”“凝结水泵出口母管压力低”声光报警。1B凝泵电机变频运行中跳闸，1A凝泵电机工频联启成功。检查1B凝泵开关电机差动保护装置报“差动保护跳闸”报警。1号机组凝结水泵变频器报系统故障：A1过压；B1过压；C1驱动故障；A2过压；B2电源故障并且现场伴随着很大的烧焦味。动作前电机电流136.57 A左右，无异常波动。电机跳闸后1B凝泵电机处测得电机相间绝缘均为0，相对地绝缘值为300 MΩ，1B凝泵电机正常。

办理工作票，将故障功率模块搬至检修间检查。功率模块外壳一侧被烧穿了一个大洞。拆开功率模块外壳发现，内部整流桥被烧毁，电解电容被烧毁，功率模块内的二次导线被烧毁。其中最严重的是一次回路输出端子导线被烧断，并且发现导线被烧段的正下方有一滩铁水（图1）。

图1 故障部位

2 功率模块烧毁原因分析

拆解功率模块，发现U相输出铜排与就近R相整流桥正负母排位置有明显的短路放电烧毁的痕迹（图2）。对烧毁器件进行常规的耐压测试，发现除R相整流桥（击穿）外，其他器件的静态二极管特性全部正常，耐压特性仅3只整流桥表面受烧毁碳化影响，无法通过耐压测试。对均压电阻测试正常，进行电容（CD138 400 V/6300μF）容值测试时发现部分容值异常，并对异常电容进行解剖发现，内部存在类似阳极引箔腐蚀开路的现象。对单元控制板和驱动板上电测试，波形正常（图3）。

图2 对单元控制板和驱动板上电测试，波形正常

通过解体功率模块检查再结合一些相关试验分析，导致功率模块损坏的原因可能有3种。

（1）C1功率模块故障是由整流桥发热导致的。整流桥是将移相变压器副边绕组输入的交流电转变成为直流电。它是由二极管三相全桥进行不控全波整流（全波就是电压正半波和负半波都进行整流。相对应的有半波整流，只有半个周波进行整流。不控即二极管没有控制信号，正极电压比负极高了就直接导通），电流如果过大，整流桥电流小，这样就会导致整流桥严重发热。从操作面板上参数检查，并无发现电压、电流有太大的波动。不会因为电流过大导致整流桥过热。有整流桥在出厂时，平均整流电流小于预留余量标准值也就是电流虚标，就会导致此次的功率模块烧毁。

（2）分别从U相输出铜牌断口两侧用1 kV摇表对断口侧打压，发现断口靠电源输入侧一处电压打不上去（24 V），另一处断口同样用摇表打压，电压到799 V就停住了。最后用对V相铜牌输出侧进行打压，电压正常。得出第二种可能就是U相输入铜牌支撑绝缘子一直处于绝缘恶化的过程，逐渐产生电流泄漏爬电现象，绝缘子逐渐发热、绝缘逐渐恶化，最后导致绝缘子击穿、功率模块损坏。

（3）如果排除现场环境粉尘、潮湿等因素，多数情况下是电解电容腐蚀开路导致。以下4种情况会导致点解电容出现腐蚀性开路：①电容自身因素，原材料、生产工艺、制造过程等可能导致的卤素超标，在电容工作时发生电化学腐蚀，导致在正常的寿命周期内失效；②外部环境因素，电容寿命较容易受环境影响，环境温度每升高5～10℃，其寿命则缩短50%，高温加速电容失效；③腐蚀性气体因素，周围环境内卤素气体达到一定的浓度，可通过电容表面渗透进入内部，影响电容寿命；④其他因素，如电流增大（如现场高负荷电容发热量大）、过电压（电网电压值偏高）、设计选型、使用年限长、接近产品周期末期等。

3 功率模块改进措施

本次故障导致C1功率模块严重损坏，已经没有修复价值。针对缺陷发生的原因，也借鉴其他厂对同类型事件的处理方法，总结出防止相同或类似缺陷发生的预防性措施及技术改进。

（1）动态监视现场可能存在的电网波动、谐波干扰、同一母线下重载设备甩负载等可能导致电压、电流波动以及负载工况异常的情况。

（2）定期对诱发散热系统异常的情况进行预防性维护，如滤网堵塞、风道不合理、进出风不畅等可能引起设备运行温度高的因素，并加以改善。

（3）电容在整个功率模块中起到较重要的作用，在长期高频谐波的作用下容易引起绝缘老化等问题，并且电容寿命受使用环境温度影响很大。由于使用年限较长，老化也是导致设备故障的因素之一，逐步对旧设备改造，提前预防设备老化带来的问题。

（4）功率模块电解电容较容易受重载和高温环境影响，如具备条件可对备用单元使用相同型号器件的功率模块做预防性处理（更换电容、底座线缆、功率模块内部板级、新的备用模块UV输出铜排加装热缩套管等），防止出现类似此次功率单元内部严重烧毁的情况。

4 变频器状态监测升级改造可行性及方案

变频器故障也是影响发电厂安全运行的一个重大隐患，不及时发现功率模块故障则极有可能造成变频器损坏的设备故障，甚至会影响机组负荷。幸运的是，当C1功率模块故障时，变频器重故障正确可靠动作，避免了缺陷扩大的可能性。因此有效的状态监测手段显得尤为迫切和必要。

河南某水泥厂通过变频监测升级改造后报警发现设备运行异常，通过线上诊断结合线下工程师上门调试解决客户未来潜在的设备隐患，避免重大事故的发生。

重庆某热电厂，变频室漏雨，通过变频监测升级改造后报警并发送短信给设备管理工程师工程师及时切换至备用机，避免了一次非计划停机。

控制柜内安装智能网关与柜内PLC相连，在柜顶安装天线，通过4G/5G网络将设备数据上传。变频器监测软件升级改造后提供一个手机跟电脑上均可使用的软件。对变频器监控升级改造可以在很大程度上及时发现变频器的故障并监视变频器的运行状态：通过软件随时查看设备，对设备状态尽在掌握；查看历史运行数据/报警信息/维修记录等情况；提供报警及短信，这样能减少非计划停机、缩短故障恢复时间，防患于未然。

5 结束语

凝结水泵是汽轮机热力系统中的主要辅机设备之一，凝结水泵电机改为变频调节后解决了由于电机启动电流大对电机、传动系统和主机的冲击应力，运行更为经济、平稳、可靠，大大提高了设备的安全性和可靠性，同时降低了厂用电率，还可以有效解决凝结水泵故障率高、阀门节流损失大和调节控制滞后等困难，为深度节能降耗工作提供保障。

确保变频器可靠连续运行，延长变频器使用寿命的关键在于日常维护保养，由于温度和灰尘对变频器影响较大，所以应加大设备的日常巡查和维护，掌握设备的运行状态，确保设备安全运行。