隨著國家對節能環保要求的進一步提高，越來越多的火電廠已經將引風機及凝結水泵等大功率重要輔機設備更換為變頻驅動電機，以達到節能降耗的目的。然而在實際應用過程中，變頻器故障發生概率較大，元器件更換費用較高，在緊急變頻切工頻過程中也會對設備造成負面影響，給電廠帶來了一定的經濟損失。

本文針對某電廠引風機變頻器故障頻發的問題進行了分析，對故障發生原因及整改措施進行了探討，對于電廠變頻器故障分析具有一定的借鑒和參考意義。

1 事件經過與設備參數

2018年7月4日04：08：57，某電廠2號爐2A引風機變頻器報驅動故障，當日04：09：07，2A引風機變頻器報急停動作，變頻轉工頻運行切換成功，2A引風機以工頻繼續運行。事件發生后，檢查2A引風機6kV進線開關保護裝置，6kV保護裝置無動作和報警記錄，故障錄波裝置無記錄，2A引風機變頻器A6和B6功率單元燒毀嚴重。

2A引風機變頻器系統主接線圖如圖1所示，變頻器額定容量為7200kVA，額定電壓為6kV，額定電流為600A，單元級數為6級，變頻器功率單元額定電壓為577V，額定電流為600A，旁路形式為機械旁路，采用兩個交流斷路器并聯的形式，直流電容為電解電容，由三組模塊并聯，且與功率單元分體。

經了解，在此故障發生前的半年內，2A引風機變頻器已經多次出現故障導致燒毀及報警問題。2月份A4、B4功率單元高壓熔斷器炸裂起火，A4、B4、C4功率單元本體上有電弧燒傷痕跡，A4、B4、A5、B5、C5功率單元所配電容箱本體上有電弧燒傷痕跡，A4、B4隔離變及通信光纖被燒熔。

6月10日10：05，A6功率單元故障切換旁路成功，故障代碼為C000，對應光纖下行通信故障和IGBT驅動保護。判斷A6單元損壞。13日早班A引風機停運后更換A6單元和B6第二組電容箱。試運時發重故障報警，現場檢查處理A6單元光纖插口接觸不良或積塵缺陷。于當日下午并列運行正常。

6月28日，B4組功率單元故障報警，通信故障，2s后消失，及時更換功率單元，目前由于沒有備品，該功率單元應用在B5。

圖1 變頻器一次系統圖

2 現場故障情況

1）控制器故障記錄

本次事故發生時，有效記錄信息共3條，按發生順序依次為“單元驅動保護2018.7.4，04：08：57”“單元直流過壓警告2018.7.4，04：08：57”“下行通訊故障2018.7.4，04：08：57”。

其中“單元驅動保護”“下行通訊故障”為故障信息，“單元直流過壓警告”為報警信息，故障信息動作于停機，報警信息動作于發報警信號。單元驅動保護記錄中，所有功率單元電壓電流正常；單元直流過壓警告記錄中，A6和B6功率單元對應的直流電壓分別降至137V和0；下行通信故障記錄中，電壓電流信息與上一條記錄一致。

另外在本次故障發生前，2018年2—7月，A4、B4、C4、A5、B5、C5、A6、B6、C6功率單元多次發生通信故障，且通信故障未得到根本性解決。

2）功率單元內部損壞情況

功率單元主體由上、中、下三層構成：下層為功率單元整流環節，三相交流電壓經整流二極管組成三相不可控整流電路，整流二極管固定在散熱片上；中、上層為功率單元的逆變環節，對應于H橋逆變電路的左右兩組橋臂。由于功率單元容量比較大，其直流電容由三組電解電容組并聯而成，且與功率單元分體并經直流母排連接。

對A6單元拆解檢查發現，單元控制電源進線、光纖熔斷；S相、T相保險均熔斷；單元旁路接觸器380V電源進線熔斷；直流母排接地線熔斷；整流部分R相、T相二極管損壞；一個IGBT損壞（標準耐壓值為1700V，實測耐壓值400V）；單元旁路2個并聯的斷路器線圈損壞；功率單元三相輸入交流母線有明顯的燒熔痕跡，下層整流部分和中層逆變部分的散熱片上有明顯燒熔痕跡，單元主控板可正常上電。如圖2所示。

圖2 功率單元A6損壞情況

對B6單元拆解檢查發現，單元控制電源進線、光纖熔斷；S相、T相保險均熔斷；單元旁路接觸器380V電源進線熔斷；直流母排接地線熔斷；整流二極管全部損壞，上層一個IGBT損壞（標準耐壓值為1700V，實測耐壓值400V），中層一組IGBT（共8個）全部損壞；功率單元主控板中直流電壓采樣端子損壞；單元旁路2個并聯的斷路器線圈損壞；主控板不能正常上電（經初步檢測為直流電壓采樣回路短路，斷開此分支后，可正常上電）。如圖3所示。

圖3 功率單元B6損壞情況

3）變頻器移相變壓器損壞情況

移相變壓器一次側為三相星形接法，二次側為延邊三角形接法，共18路輸出至對應的功率單元?，F場檢查發現，功率單元A6、B4、B6所連接的移相變壓器二次繞組均有明顯變形，如圖4所示。

圖4 移相變低壓繞組變形

3 故障原因分析

對應上述各故障記錄和損壞現象，分析本次故障發生的原因。

1）通信故障原因

A4—C4、A5—C5、A6—C6功率單元對應的光纖通信由同一光纖通信板進行上行和下行通信，這幾個功率單元多次報通信故障，返廠對此光纖通信板檢查發現，此通信板存在通信不穩定和光信號弱等問題。

A6單元通信光纖不穩定，導致A6單元的IGBT在經受一個很短時間（遠小于正常導通時間）的導通后，在關閉時產生高頻的過電壓，在此過電壓的長期作用下，一方面會影響功率單元內部元器件壽命，導致功率單元短路；另一方面會對功率單元內部母排之間的絕緣產生負面影響。

2）功率單元損壞原因

從設計方面來看，此功率單元內部的母線銅排布局不當，隨著絕緣部件的老化，母排之間產生電弧放電現象，導致故障發生。

通信不穩定產生的高頻過電壓長期作用，A6單元因直流疊層母排發生非金屬短路而首發“單元驅動保護”故障，發生此故障后，A6功率單元首先封鎖IGBT驅動信號，閉鎖IGBT；但是由于A6單元保險容量大（630A），未及時熔斷，致使短路故障持續，最終導致整流二極管全部損壞，其短時強電流引發的弧光燒壞了A6功率單元的主控板電源進線及光纖；已經不受控的電弧蔓延至正在工作的B6單元，導致B6單元中IGBT發生上下橋臂導通，致使IGBT和整流二極管損壞。

另外，旁路開關未能正確動作，使得故障進一步擴大化。此旁路開關的作用是在功率單元發生故障時，通過閉合斷路器的方式將此功率單元切除，其他功率單元正常運行，保持變頻器的正常運行，同時避免事故進一步擴大。

然而，在本次事故中，功率單元內部發生短路故障時，由于旁路開關斷路器內部電磁線圈激磁電壓隨之降低，不能產生足夠大的吸力使銜鐵閉合，導致銜鐵長時間處于大氣隙下抖動，磁阻非常之大，以至于線圈電感量大為減少，線圈長時間處于低阻抗大電流狀態下，直至被燒毀。旁路開關在故障時不僅不能正常動作，線圈燒毀還會引起事故擴大。

3）變壓器繞組變形原因

根據近幾次故障情況推測，A6和B6對應的繞組變形原因為本次事故中功率單元內部短路，導致變壓器低壓繞組電流過大，而B4對應的繞組變形，原因是2月份發生了類似的事故，事故后檢修人員未及時發現和處理此問題，在本次檢查時B4繞組變形問題依舊存在。

4 整改建議

為了防止此類事故再次發生，從變頻器的設計以及日常維護方面提出以下幾點整改建議。

1）定期檢查通信情況

設備管理人員應定期在變頻器停機時對控制器通信情況進行檢查，尤其注意光信號弱和不穩定等問題，及時更換老化的控制器通信板。

2）功率單元內絕緣優化設計

廠家應該在設計上改進功率單元內部的母線銅排布局，同時優化絕緣層的安裝和固定方式。在設計上考慮通信不穩定等極端工作條件下高頻過電壓對絕緣的影響，對變頻單元內部母線排之間的絕緣預留充分的裕度。

3）功率單元內旁路開關電源優化

在多次事故中，由于真空接觸器動作電壓取自功率單元內部，當功率單元內部發生短路故障時，線圈長時間處于低阻抗大電流狀態下而被燒毀，斷路器不能正確動作。功率單元本體均未成功切換旁路，導致故障進一步擴展，多個功率單元受損，變頻器整體停機。

廠家在功率單元旁路切換功能設計上應該改進，避免此類情況再次發生，增強變頻器設備的可靠性。

4）移相變壓器檢查及試驗

移相變壓器由于結構設計，在功率單元內部短路后會受到沖擊變形，匝間絕緣會受到損壞，在功率單元損壞事故中，大多數電廠工作人員往往只注重對功率單元和電容器的檢查和更換，對移相變壓器的檢查和試驗不夠重視。事故后檢查時，不能忽略對移相變壓器匝間絕緣的試驗檢查，應該根據檢修計劃安排感應耐壓試驗，防止因為移相變壓器絕緣問題導致事故進一步擴大。

結論

本次變頻器故障的直接原因在于通信不穩定造成的尖峰過電壓和功率單元內部絕緣設計問題，另外，旁路開關的電源設計導致未能快速切除故障，也擴大了故障范圍。從電廠設備管理者的角度來看，巡檢時要注意逆變器的警告信息，及時更換老化元件，故障發生后要對整個逆變器系統進行全面檢查，避免因潛在性的絕緣問題而引發二次故障。