提高高壓變頻器運(yùn)行可靠性的研究

鐘國(guó)亮 胡 波 黃春偉

（1.廣州華潤(rùn)熱電有限公司，廣東 廣州 511455；2.廣州智光電氣股份有限公司，廣東 廣州 510700）

1 概述

某電廠投產(chǎn)以來綜合廠用電率一直偏高，據(jù)統(tǒng)計(jì)綜合廠用電率達(dá)8.19%，一定程度上影響到電廠的經(jīng)濟(jì)效益。為響應(yīng)國(guó)家“節(jié)能降耗”的號(hào)召，提高設(shè)備自動(dòng)化水平，降低廠用電率，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平,該電廠在2009～2010年期間對(duì)凝結(jié)水泵、一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)及增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻改造。使用國(guó)內(nèi)一線品牌ZINVERT 系列高壓變頻器，對(duì)應(yīng)的型號(hào)分別為：A6H-1250/06Y、A5H-1600/06Y、A7H-3750/06Y、A7H-2800/06Y，其中凝結(jié)水泵變頻器配置了自動(dòng)旁路柜，在凝結(jié)水泵變頻器故障時(shí)能自動(dòng)切工頻運(yùn)行。其余風(fēng)機(jī)變頻器配置了隔離刀閘柜，風(fēng)機(jī)變頻器故障時(shí)需手動(dòng)切換至工頻運(yùn)行。該電廠為2×300MW 燃煤熱電聯(lián)供機(jī)組，單臺(tái)一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)只能帶160MW 左右的負(fù)荷，單臺(tái)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)只能帶200MW 左右的負(fù)荷，風(fēng)機(jī)的突然停運(yùn)甚至可能造成機(jī)組停運(yùn)。隨著電改的深入，電廠發(fā)電負(fù)荷管控更加嚴(yán)苛，未來負(fù)荷“日清日結(jié)”，對(duì)燃煤發(fā)電企業(yè)來說將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，如何提高高壓變頻器運(yùn)行的可靠性就顯得尤為重要。

2 變頻器散熱系統(tǒng)核算及優(yōu)化

為節(jié)約電能，提高高壓變頻器改造效益，將變頻器功率單元柜與移相變壓器隔開在不同的房間，功率單元柜與控制柜為室內(nèi)空調(diào)循環(huán)冷卻，移相變壓器和旁路刀閘柜為強(qiáng)制風(fēng)冷，移相變房間墻體開孔設(shè)墻體濾網(wǎng)進(jìn)風(fēng)，柜頂設(shè)有風(fēng)道，風(fēng)機(jī)將柜內(nèi)熱風(fēng)吹至室外。移相變壓器為H 級(jí)絕緣，能長(zhǎng)期耐受較高溫度運(yùn)行，對(duì)環(huán)境溫度要求不高。利用此特性，移相變壓器采用室外強(qiáng)制通風(fēng)方式，能降低高壓變頻器冷卻所需的耗能，相比移相變室內(nèi)空調(diào)循環(huán)冷卻方式，能節(jié)省更多的空調(diào)耗能，經(jīng)濟(jì)性更好。

2.1 功率單元柜房間散熱系統(tǒng)核算

變頻器功率器件損耗，如SGCT、IGBT、IGCT 等，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)因?yàn)楦哳l開關(guān)切換，以及導(dǎo)通壓降等，會(huì)產(chǎn)生低通損耗與開關(guān)損耗，可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)功率的2%左右[1]。為此，對(duì)現(xiàn)有功率單元柜房間散熱系統(tǒng)進(jìn)行了必要的核算，核算情況見表一。

變頻器為大量電子元器件的集成設(shè)備，其中功率單元柜與控制柜對(duì)環(huán)境溫度要求較高。變頻器廠家要求變頻器需運(yùn)行在-5～45℃、濕度20～95%之間，一般應(yīng)控制環(huán)境溫度在40℃內(nèi)。從表一可看出，#2、#3 變頻器室功率單元柜房間總制冷量雖小于房間總發(fā)熱量，因變頻器并不是長(zhǎng)時(shí)間滿功率運(yùn)行，房間年度最高溫度都能滿足變頻器運(yùn)行對(duì)環(huán)境溫度的要求。#1 增壓風(fēng)機(jī)功率單元柜房間總制冷量雖大于房間總發(fā)熱量，可房間年度最高溫度36℃偏高，因空調(diào)運(yùn)行多年，制冷性能下降較快，有必要對(duì)房間空調(diào)進(jìn)行更新?lián)Q代。

2.2 房間溫度監(jiān)視

在變頻器室每個(gè)房間顯眼的地方放置溫濕度計(jì)，方便巡檢時(shí)查看；在功率單元柜房間設(shè)置在線溫度測(cè)點(diǎn)，信號(hào)遠(yuǎn)傳至集控DCS，房間溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，并設(shè)有溫度報(bào)警值，空調(diào)出現(xiàn)故障或房間溫度過高時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。

2.3 電氣回路優(yōu)化

高壓變頻器所有散熱風(fēng)機(jī)原設(shè)計(jì)共用一個(gè)電源開關(guān)，若其中一臺(tái)散熱風(fēng)機(jī)故障將導(dǎo)致電源開關(guān)跳閘，所有散熱風(fēng)機(jī)停運(yùn)，從而導(dǎo)致變頻器過熱故障跳閘。對(duì)每臺(tái)柜頂散熱風(fēng)機(jī)回路進(jìn)行優(yōu)化，增加獨(dú)立控制的電源空開，一臺(tái)散熱風(fēng)機(jī)故障不影響其它散熱風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，且處理單臺(tái)風(fēng)機(jī)故障變頻器可不停運(yùn)處理。

3 變頻器啟停管理

（1）加強(qiáng)變頻器定值管理，合理設(shè)置變頻器加速、減速時(shí)間，避免變頻器過流、過壓報(bào)警。根據(jù)負(fù)荷的不同，變頻器加速時(shí)間設(shè)定在70～120s，減速時(shí)間設(shè)定在70～300s。變頻器停運(yùn)時(shí)應(yīng)按照先降低變頻器輸出頻率至最小再延時(shí)斷開進(jìn)線斷路器的順序進(jìn)行操作，禁止直接在運(yùn)行狀態(tài)拉開進(jìn)線斷路器進(jìn)行停運(yùn)操作（故障處理除外）[2]。變頻器運(yùn)行狀態(tài)下直接斷開進(jìn)線斷路器，會(huì)對(duì)變頻器造成較大的沖擊，影響變頻器電子元器件壽命。故應(yīng)對(duì)運(yùn)行人員加強(qiáng)操作培訓(xùn)，修改運(yùn)行規(guī)程有關(guān)變頻器運(yùn)維的內(nèi)容。

（2）變頻器停運(yùn)后，及時(shí)開啟移相變房間的除濕機(jī)，功率單元柜房間可將部分空調(diào)關(guān)閉，部分空調(diào)設(shè)置為除濕模式，視天氣潮濕情況及停運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)短判斷（一般停運(yùn)48h以上），將停運(yùn)的變頻器進(jìn)風(fēng)口墻體濾網(wǎng)、室外出口風(fēng)道用塑料布包好，減小濕氣進(jìn)入，防止變頻器停運(yùn)后受潮。

表一：變頻器散熱系統(tǒng)核算表

（3）大容量高壓電動(dòng)機(jī)，如增壓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的縱差保護(hù)應(yīng)在變頻運(yùn)行時(shí)退出，工頻旁路時(shí)投入。

（4）當(dāng)負(fù)載能夠帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，變頻器啟動(dòng)前應(yīng)將電機(jī)轉(zhuǎn)軸采取機(jī)械制動(dòng)。如2017 年10 月10 日#2 增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行引起2B 引風(fēng)機(jī)變頻器失速報(bào)警，造成功率單元C1過壓、直流電容警告，從而引起功率單元直流電壓保護(hù)重故障頻發(fā)，因故障時(shí)間短且恢復(fù)快，未達(dá)到定值延時(shí)，故變頻器并未因重故障而跳閘。失速時(shí)變頻器將被鎖住，頻率已不能調(diào)節(jié)，此時(shí)需停運(yùn)變頻器，將電機(jī)轉(zhuǎn)軸采取機(jī)械制動(dòng)后再重新啟動(dòng)變頻器。

（5）長(zhǎng)時(shí)間停用的變頻器啟動(dòng)前或更換長(zhǎng)期備用的功率單元備品時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行預(yù)充電。高壓變頻器在不啟動(dòng)的前提下可整體進(jìn)行上高壓電充電，功率單元備品可直接施加400V 低壓電源進(jìn)行預(yù)充電，防止功率單元內(nèi)電容因突然啟動(dòng)時(shí)的充電電流過大而造成損壞[3]。對(duì)變頻器預(yù)充電10min 以上再啟動(dòng)變頻器運(yùn)行，能有效地減少變頻器啟動(dòng)過程故障。

4 日常維護(hù)及檢修

變頻器保持適宜的溫濕度、潔凈度，對(duì)其日常維護(hù)及檢修到位，是變頻器正常運(yùn)行的基本保證。

（1）變頻器每天至少巡檢兩次，檢查周圍環(huán)境的溫濕度，空調(diào)運(yùn)行正常且風(fēng)口朝上不對(duì)變頻器直吹避免設(shè)備受潮氧化，最好在空調(diào)出風(fēng)口處加裝擋風(fēng)罩進(jìn)行隔離；設(shè)備無異常的振動(dòng)、噪聲和氣味；檢查控制器面板的LED 和LCD 顯示是否正常，LCD 顯示有無報(bào)警信息，最近有無事件記錄需處理；移相變溫控器顯示是否正常及超溫；經(jīng)常使用1張A4 紙檢查變壓器柜、功率單元柜進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量，看紙張是否能被過濾網(wǎng)牢牢吸住，如有問題應(yīng)及時(shí)排除[4]。

（2）濾網(wǎng)應(yīng)定期清洗更換，濾網(wǎng)在回裝之前應(yīng)保證徹底晾干，以免造成設(shè)備生銹或影響柜內(nèi)絕緣性能，根據(jù)粉塵情況制定清洗周期。在空調(diào)入風(fēng)口加裝3M 空氣凈化濾網(wǎng)并定期更換，可降低功率單元柜房間的粉塵含量。

（3）每季度進(jìn)行變頻器紅外熱成像工作并做好記錄，能較為及時(shí)的發(fā)現(xiàn)設(shè)備過熱點(diǎn)或隱患。

（4）功率單元易出現(xiàn)故障，每種類型變頻器最少備一件功率單元備件，同時(shí)適當(dāng)采購(gòu)散熱風(fēng)扇、繼電器等備件，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)恢復(fù)運(yùn)行。變頻器各備件應(yīng)存放在恒溫恒溫倉(cāng)庫(kù)，確保備件完好無損。

（5）盡管定期清洗了濾網(wǎng)，因變頻器對(duì)室外抽風(fēng)散熱形成了負(fù)壓，粉塵不可避免的進(jìn)入柜體內(nèi)，建議每半年最少一次停電清灰檢查，螺栓緊固，絕緣子清掃，按預(yù)試規(guī)程周期和內(nèi)容要求進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)。對(duì)系統(tǒng)輸入端進(jìn)行電氣絕緣檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將整流變壓器的鐵心和所有二次出線短接并接地后進(jìn)行；對(duì)系統(tǒng)輸出端進(jìn)行電氣絕緣檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，輸出電纜不得接入單元輸出，否則將造成功率逆變系統(tǒng)損壞[5]?？紤]每次機(jī)組大小修承接的單位不一樣，試驗(yàn)人員技術(shù)水平也有高低，為避免試驗(yàn)人員誤操作損壞變頻器，每次檢修前應(yīng)對(duì)試驗(yàn)人員進(jìn)行詳細(xì)的交底。

（6）變頻器檢修后應(yīng)上電進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試項(xiàng)目有①小電壓試驗(yàn)：移相變高壓側(cè)接入400V 電壓，將控制器頻率調(diào)整到50HZ，測(cè)量各功率單元輸出電壓是否一致、平衡，電壓一般為36V 左右，試驗(yàn)時(shí)需注意安全，防止高壓觸電；②模擬故障重啟：高壓開關(guān)或刀閘斷開，模擬待機(jī)運(yùn)行，拔一根光纖迅速恢復(fù)，報(bào)故障停機(jī)，瞬時(shí)恢復(fù)（5s 內(nèi)故障恢復(fù)）；③模擬試運(yùn)行：可驗(yàn)證控制系統(tǒng)及散熱風(fēng)扇運(yùn)行是否正常；④充放電試驗(yàn)：上高壓充電，5min 后斷高壓，查看單元直流電壓下降緩慢，各電壓值無明顯偏差，直到電壓降低至能打開柜門為止，下降時(shí)間應(yīng)超過10min 以上，此試驗(yàn)?zāi)茯?yàn)證電容的好壞；⑤控制電源切換試驗(yàn)：上高壓，檢查UPS 狀態(tài)正常，測(cè)量UPS 輸出電壓正常，斷外供380V電源，觀察控制器顯示屏無閃爍，散熱風(fēng)扇運(yùn)行正常，送外供380V 電源，自動(dòng)切回此電源，觀察控制器顯示屏無閃爍，風(fēng)扇運(yùn)行正常，此試驗(yàn)可間接驗(yàn)證UPS 的狀況及固態(tài)繼電器的好壞；⑥單元旁路試驗(yàn)：可驗(yàn)證單元旁路功能是否正常。當(dāng)某個(gè)單元故障時(shí)，同時(shí)將與其不同相的同級(jí)其它兩個(gè)單元輸出旁路短接，而其它級(jí)的功率單元仍輸出，保證系統(tǒng)在一定的帶載能力下維持負(fù)載的持續(xù)運(yùn)行，從而大大增加了系統(tǒng)的可靠性。其中③⑤⑥為檢修后必做試驗(yàn)項(xiàng)目，其它為選做項(xiàng)目。

5 預(yù)防性更換及維保升級(jí)

通過模擬實(shí)驗(yàn)提出了UPS 改進(jìn)措施：將原來廠家設(shè)計(jì)選型的上海科華的后備式 UPS 更換為山特的在線式UPS，查閱圖紙將電氣原理圖中不重要的負(fù)荷改接至其他電源，保證 UPS 負(fù)載的可靠性。建議在機(jī)組大、小修期間，對(duì)UPS 進(jìn)行充放電試驗(yàn)，要求帶載輸出時(shí)間 > 5 分鐘，定期預(yù)防性更換UPS，建議更換周期為3～4 年左右[6]。

風(fēng)扇、板件等定期預(yù)防性更換，建議風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)間大于35000 小時(shí)或4～5 年進(jìn)行更換，控制器電源板、PWB 二次電源板、信號(hào)預(yù)處理板、模擬板等更換周期為4～5 年。

2016 年對(duì)#2 機(jī)組引風(fēng)機(jī)高壓變頻器進(jìn)行了全面維保，42 臺(tái)功率單元返廠檢測(cè)，更換旁路接觸器，測(cè)試單元體旁路功能，對(duì)功率單元電解電容進(jìn)行檢測(cè)，內(nèi)部其他元器件檢測(cè)，對(duì)性能存在嚴(yán)重下降的予以更換，對(duì)單元體進(jìn)行深度清灰、清潔，減小灰塵對(duì)內(nèi)部器件散熱、絕緣等方面的影響，延長(zhǎng)單元體的使用壽命；板件預(yù)防性更換，升級(jí)主板程序；對(duì)功率柜、變壓器柜、旁路柜內(nèi)外進(jìn)行全面清潔清灰，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部一次電纜、二次布線及連接進(jìn)行檢查，對(duì)布線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，對(duì)絕緣薄弱處進(jìn)行加強(qiáng)處理；對(duì)變頻系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試，控制電源切換試驗(yàn)、單元體旁路試驗(yàn)、空載試驗(yàn)、滿載試驗(yàn)等。經(jīng)廠家全面維保，#2 機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行可靠性有所提高。

功率單元最易發(fā)生故障，約占變頻器發(fā)生故障的80%，現(xiàn)有變頻器已運(yùn)行10 年，隨著電子元器件的老化，設(shè)備壽命周期的接近，盡管變頻器維護(hù)到位，但變頻器故障率還是有逐年增加的趨勢(shì)，有計(jì)劃的對(duì)功率單元和控制系統(tǒng)升級(jí)換代或變頻器整體改造，有利于機(jī)組的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

通過對(duì)高壓變頻器歷年來出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，總結(jié)多年變頻器運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，提出了多項(xiàng)有效的措施，從而提高了變頻器運(yùn)行的可靠性，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的節(jié)能效益。