郎貴明，田文樹，李 燕

(1.河北省滄州華潤(rùn)熱電有限公司，河北省滄州市渤海西路6號(hào) 061001；2.國(guó)網(wǎng)石家莊供電公司，河北省石家莊市紅旗大街路66號(hào) 050000；3.河北水利電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001)

隨著電力行業(yè)改革的不斷發(fā)展與深化，電力企業(yè)逐步由生產(chǎn)型向經(jīng)營(yíng)型轉(zhuǎn)變；加之近些年來煤價(jià)高企、節(jié)能減排壓力增大，迫使電力企業(yè)由高耗能企業(yè)向節(jié)約型企業(yè)發(fā)展，因此高壓變頻系統(tǒng)在電力企業(yè)得以大量應(yīng)用[1]。高壓變頻系統(tǒng)的構(gòu)成除移向變、刀閘、風(fēng)扇、母排、構(gòu)架、線纜外，其余大部分為電子器件，其中大量板件如控制電源板、主控板、信號(hào)模擬板、二次電源板，尤其是功率模塊驅(qū)動(dòng)板受變頻系統(tǒng)所在位置溫度、粉塵、濕度及板件上電容等元件的壽命影響較大。功率模塊驅(qū)動(dòng)板數(shù)量較多，又是核心元件，一旦發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致輔機(jī)停運(yùn)。隨著高壓變頻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的逐年增加，其元器件劣化故障導(dǎo)致的重要輔機(jī)跳閘成爆發(fā)式增長(zhǎng)，嚴(yán)重影響著發(fā)電機(jī)組的安全及穩(wěn)定運(yùn)行[2-3]。

1 高壓變頻系統(tǒng)劣化周期分析

某項(xiàng)目公司積極響應(yīng)節(jié)能減排要求，自2009年9月對(duì)1A/1B凝結(jié)水泵電機(jī)實(shí)施變頻(一拖二)節(jié)能改造以來，逐步完成了#1機(jī)組1A/1B一次風(fēng)機(jī)電機(jī)、1A/1B凝結(jié)水泵(一拖二)電機(jī)、1C凝結(jié)水泵電機(jī)，#2機(jī)組2A/2B一次風(fēng)機(jī)電機(jī)、2A/2B凝結(jié)水泵(一拖二)電機(jī)、2C凝結(jié)水泵電機(jī)變頻節(jié)能改造，至2014年7月全廠4臺(tái)一次風(fēng)機(jī)、6臺(tái)凝結(jié)水泵全部改造完成。重要輔機(jī)變頻改造的完成，對(duì)電機(jī)使用效率的提高、廠用電率的降低、節(jié)能減排的效果明顯。配置與投運(yùn)時(shí)間見表1所示。

表1 高壓變頻系統(tǒng)配置表

續(xù)表

自2014年2月6日起，現(xiàn)役8臺(tái)高壓變頻器頻繁出現(xiàn)因功率模塊故障導(dǎo)致的變頻器PLC急停出口，一次風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵跳閘，致使機(jī)組被迫降負(fù)荷，一次風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵失備。至2016年底，因功率模塊故障導(dǎo)致凝結(jié)水泵電機(jī)跳閘7次，導(dǎo)致一次風(fēng)機(jī)跳閘機(jī)組被迫降負(fù)荷2次(一但機(jī)組控制出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組停運(yùn))，直接及間接經(jīng)濟(jì)損失共計(jì)42.64萬(wàn)元。就該項(xiàng)目公司而言，功率模塊故障導(dǎo)致變頻系統(tǒng)故障停運(yùn)是其根本原因，需要首先考慮并加以治理，見表2。

表2 高壓變頻系統(tǒng)故障匯總表

1.1 凝結(jié)水泵高壓變頻系統(tǒng)功率模塊劣化分析

項(xiàng)目公司#1機(jī)組1A/1B凝結(jié)水泵電機(jī)(1拖2)、#2機(jī)組2A/2B凝結(jié)水泵電機(jī)(1拖2)高壓變頻系統(tǒng)共2臺(tái)，采用三相五級(jí)設(shè)計(jì)，每臺(tái)15個(gè)功率模塊，共計(jì)30個(gè)700/060II型功率模塊。以15個(gè)功率模塊為一組，參照項(xiàng)目公司凝結(jié)水泵變頻系統(tǒng)功故障出現(xiàn)情況，可以看出其穩(wěn)定周期，見圖1。

由圖1可以看出：

(1)在項(xiàng)目公司凝泵高壓變頻系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境優(yōu)良(設(shè)有獨(dú)立變頻器室、獨(dú)立空調(diào)；每月定期更換防塵濾網(wǎng)；每年定期對(duì)變頻系統(tǒng)進(jìn)行除塵與控制回路檢查)、運(yùn)行期間負(fù)載未出現(xiàn)嚴(yán)重過流、不平衡、電動(dòng)機(jī)繞組對(duì)地短路組內(nèi)部短路、負(fù)載機(jī)械卡澀等情況下，若不考慮凝結(jié)水泵變頻系統(tǒng)700/060II型功率模塊制造質(zhì)量因素，該型號(hào)功率模塊可無(wú)故障穩(wěn)定運(yùn)行4年。

(2)該型號(hào)功率模塊穩(wěn)定運(yùn)行4年后，開始出現(xiàn)故障損壞現(xiàn)象并呈上升趨勢(shì)。1A/1B凝泵變頻15個(gè)功率模塊較2A/2B凝泵變頻15個(gè)功率模塊投運(yùn)時(shí)間早，出現(xiàn)故障時(shí)間亦較早且兩組模塊損壞累計(jì)值趨勢(shì)相差不大，可判斷凝結(jié)水泵變頻系統(tǒng)功率模塊穩(wěn)定運(yùn)行4年后模塊內(nèi)部易損件會(huì)逐步出現(xiàn)劣化損壞。

(3)前4年可不必考慮功率模塊劣化損壞情況，考慮到功率模塊較多且內(nèi)部元器件生產(chǎn)質(zhì)量問題，若確保兩套高壓變頻系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行可購(gòu)買一個(gè)功率模塊做備用；1C/2C凝結(jié)水泵運(yùn)行時(shí)間較短，暫無(wú)需考慮模塊劣化問題，保留一塊備件即可。

以項(xiàng)目公司兩套凝結(jié)水泵高壓變頻器功率模塊(共計(jì)30塊)為基數(shù)，參照項(xiàng)目公司凝結(jié)水泵高壓變頻系統(tǒng)功率模塊故障出現(xiàn)情況，針對(duì)每年損壞模塊數(shù)量進(jìn)行劣化分析及初步預(yù)測(cè)如圖2所示。

圖1 凝結(jié)水泵電機(jī)變頻系統(tǒng)穩(wěn)定周期趨勢(shì)圖

圖2 凝結(jié)水泵電機(jī)變頻系統(tǒng)劣化趨勢(shì)圖Fig.2 Deterioration trend diagram of frequency conversion system of condensate pump motor

由圖2可以看出：

(1)改造前該型號(hào)功率模塊實(shí)際運(yùn)行6年半，第5年開始出現(xiàn)模塊故障損壞情況實(shí)際損壞2塊，第6年損壞3塊，第7年(到目前為止已運(yùn)行6年5個(gè)月實(shí)際損壞2塊，由于下半年度過夏季溫度、濕度較高，模塊損壞概率較上半年大，保守估計(jì)下半年損壞2塊)估測(cè)損壞4塊，那么可看出項(xiàng)目公司該型號(hào)模塊每年損壞數(shù)量呈線性關(guān)系(黑色包絡(luò)線)?？晒罍y(cè)第8年會(huì)損壞5塊、第9年6塊或以上(不考慮更換維修件或備件情況，按照模塊整體劣化情況，應(yīng)高于6塊)。

(2)項(xiàng)目公司模塊運(yùn)行前4年無(wú)故障發(fā)生，可稱為第1階段(穩(wěn)定運(yùn)行階段)；從第5年開始模塊內(nèi)部易損件開始損壞如電源板、脈沖板可稱為第二階段(易損件線性損壞階段)；第三階段模塊內(nèi)部除易損件劣化損壞以外，模塊硬件如功率單元IGBT、電容出現(xiàn)劣化損壞過程將與第二階段故障線性增長(zhǎng)出現(xiàn)疊加，可判斷模塊年度損壞數(shù)量上并不是線性的，而是一個(gè)非線性曲線增長(zhǎng)過程(綠色曲線)可稱之為第三階段(故障爆發(fā)性增長(zhǎng)階段)。項(xiàng)目公司功率模塊劣化過程正處于第二階段末期，即將步入第3個(gè)階段，從項(xiàng)目公司安全性、經(jīng)濟(jì)性考量是不能接受的。

(3)從凝結(jié)水泵電機(jī)變頻系統(tǒng)劣化趨勢(shì)來看，廠家將模塊壽命定為6年處于第2階段，對(duì)于用戶來說若在第二階段更換功率模塊，可有效避免因功率模塊故障造成的高壓變頻系統(tǒng)調(diào)停，但投入較大，且其他劣化電子元器件并不能得到有效治理。

1.2 一次風(fēng)機(jī)高壓變頻系統(tǒng)功率模塊劣化分析

項(xiàng)目公司1A/1B一次風(fēng)機(jī)、2A/2B一次風(fēng)機(jī)高壓變頻系統(tǒng)共4臺(tái)，三相五級(jí)設(shè)計(jì)共計(jì)60個(gè)功率模塊。由于項(xiàng)目一次風(fēng)機(jī)高壓變頻系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間較晚，目前只出現(xiàn)過兩次跳閘現(xiàn)象，亦全部為功率模塊故障導(dǎo)致。高壓變頻系統(tǒng)功率模塊原理是一致的(逆變、濾波、整流)，由于原理一致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也大致相同(電源板、控制板、脈沖板、功率單元、電容等)。由于國(guó)內(nèi)各廠家生產(chǎn)功率模塊配組的元件器件型號(hào)、批次不同會(huì)造成模塊使用壽命略有不同，但從項(xiàng)目公司目前出現(xiàn)的故障情況來看，其劣化趨勢(shì)是相同的，那么同樣符合劣化的三個(gè)階段。

1A/1B一次風(fēng)機(jī)、2A/2B一次風(fēng)機(jī)功率模塊已進(jìn)入易損件線性損壞階段，考慮到一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)重要性與機(jī)組穩(wěn)定性，也應(yīng)及時(shí)對(duì)1A/1B一次風(fēng)機(jī)、2A/2B一次風(fēng)機(jī)高壓變頻系統(tǒng)制定有效、可行的定治理方案，確保一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 高壓變頻系統(tǒng)劣化治理

2.1 劣化治理方案優(yōu)選

項(xiàng)目公司每臺(tái)機(jī)組配置兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)、三臺(tái)凝結(jié)水泵以保持發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，一次風(fēng)機(jī)或凝結(jié)水泵的突然跳停對(duì)鍋爐穩(wěn)燃造及除氧器凝補(bǔ)水造成巨大威脅，從設(shè)備可靠性、投資與回報(bào)出發(fā)，綜合考慮技術(shù)功能可否實(shí)現(xiàn)與實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)五套方案分析如下。

方案一：功率模塊內(nèi)部易損件更換。即對(duì)功率模塊內(nèi)部易損件進(jìn)行更換。該方案投入最低，但局限性較大，改造后高壓變頻系統(tǒng)雖能解決現(xiàn)有故障，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來講，變頻系統(tǒng)電子元件劣化情況無(wú)法得到根本改善。

方案二：工頻自動(dòng)旁路功能的實(shí)現(xiàn)。新建擴(kuò)建火電企業(yè)高壓變頻系統(tǒng)配置旁路功能較為合適，可整體增加系統(tǒng)可靠性，但對(duì)于項(xiàng)目公司高壓變頻系統(tǒng)現(xiàn)狀而言，仍需對(duì)高壓變頻器劣化情況進(jìn)行治理。

方案三：功率模塊全工況旁路功能的實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目公司一次風(fēng)機(jī)與凝泵高壓變頻系統(tǒng)配置的功率模塊不具備全工況旁路功能，其對(duì)功率模塊通訊故障、驅(qū)動(dòng)板故障、模塊電源單元故障無(wú)法旁路。與變頻系統(tǒng)廠家研發(fā)人員、技術(shù)人員進(jìn)行了交流，是否可對(duì)功率模塊內(nèi)旁路功能板件或旁路接觸器控制板件與功率模塊分離，實(shí)現(xiàn)集中控制以降低故障率。經(jīng)研發(fā)人員討論，綜合考慮控制方式的實(shí)現(xiàn)以及改進(jìn)后存在的不可控風(fēng)險(xiǎn)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)功率模塊旁路功能的改進(jìn)。

方案四：中性點(diǎn)漂移技術(shù)在一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。西門子高壓變頻系統(tǒng)具有獨(dú)立功率模塊旁路功能，功率模塊旁路系統(tǒng)包括每個(gè)功率單元一個(gè)旁路接觸器(接觸器電源獨(dú)立取主控系統(tǒng)電源)、一個(gè)接觸器控制板以及主控系統(tǒng)與接觸器控制板之間的光纖連接，完全實(shí)現(xiàn)旁路功能與功率模塊的全部分離。一但功率單元發(fā)生故障并被旁路，系統(tǒng)控制自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償(中性點(diǎn)漂移為羅賓康專利技術(shù))以保證電機(jī)電壓平衡。以一臺(tái)一次風(fēng)機(jī)電機(jī)(功率1 400 kW)為例，若使用西門子高壓變頻系統(tǒng)成本估算約為120萬(wàn)元，安全性最高，從性價(jià)比來看投資太大。

方案五：整體更換變頻系統(tǒng)易損件并對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)、升級(jí)。對(duì)高壓變頻系統(tǒng)功率模塊驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行更換；對(duì)功率模塊內(nèi)部整流橋回路、晶閘管回路、IGBT回路、電容回路進(jìn)行測(cè)試，對(duì)性能存在異常的元件予以更換；對(duì)高壓變頻系統(tǒng)控制器電源板、模擬板、信號(hào)預(yù)處理板、二次電源板進(jìn)行預(yù)防性更換，原電路板件做現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急備件使用；升級(jí)現(xiàn)有主控程序，增強(qiáng)系統(tǒng)軟件抗干擾能力和系統(tǒng)兼容性；檢查UPS及柜頂風(fēng)機(jī)性能，對(duì)超壽命部件進(jìn)行更換。

綜上，治理方案五可最大程度消除因高壓變頻系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行電子元器件劣化導(dǎo)致的故障現(xiàn)象，且劣化元件更換后對(duì)變頻系統(tǒng)整體進(jìn)行測(cè)試與性能試驗(yàn)、更換超壽命部件、升級(jí)控制系統(tǒng)，性價(jià)比高，能夠最大程度確保變頻系統(tǒng)可靠性。

2.2 劣化治理步序

(1)拆除功率模塊，更換功率模塊驅(qū)動(dòng)板，將更換完驅(qū)動(dòng)板后的功率模塊返廠檢測(cè)。

(2)檢測(cè)及更換變頻系統(tǒng)UPS、散熱風(fēng)機(jī)、控制器電源板、二次電源板、模擬板、信號(hào)預(yù)處理板。

(3)對(duì)變頻器系統(tǒng)清灰、外觀檢查、接線緊固，做移相變壓器耐壓及直阻試驗(yàn)。

(4)模塊返廠后，對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行清理，對(duì)單元內(nèi)部整流橋回路、晶閘管回路、IGBT回路、電容回路、旁路回路進(jìn)行測(cè)試；對(duì)性能存在異常的元件予以更換；對(duì)整體單元進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試、老化試驗(yàn)、空載試驗(yàn)、滿載試驗(yàn)等出廠試驗(yàn)，并出具試驗(yàn)報(bào)告。

(5)待功率模塊返回后，恢復(fù)高壓變頻系統(tǒng)內(nèi)部所有接線，升級(jí)主控程序，對(duì)設(shè)備進(jìn)行低壓調(diào)試及單元功能測(cè)試。

(6)單體調(diào)試完成后，進(jìn)行外部輸入及輸出信號(hào)傳動(dòng)，確?；芈方泳€及模擬量信號(hào)正確。

(7)對(duì)變頻系統(tǒng)做高壓帶載調(diào)試。

(8)投運(yùn)觀察，確保高壓變頻系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 治理后的運(yùn)行效果

該項(xiàng)目公司現(xiàn)役8臺(tái)高壓變頻系統(tǒng)在運(yùn)行6年后相繼進(jìn)行了劣化治理，現(xiàn)運(yùn)行已滿2年，未出現(xiàn)因功率模塊故障導(dǎo)致的高壓變頻系統(tǒng)跳閘情況，亦未出現(xiàn)因其他電子元件劣化而導(dǎo)致的變頻系統(tǒng)故障現(xiàn)象，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)良好，達(dá)到了預(yù)期的治理效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以某發(fā)電企業(yè)高壓變頻系統(tǒng)故障情況為例，較為詳細(xì)的闡述了該企業(yè)高壓變頻系統(tǒng)的劣化趨勢(shì)，并依據(jù)實(shí)際情況優(yōu)選了治理方案，同時(shí)，對(duì)該治理方案實(shí)際操作步序進(jìn)行了的描述。該案例較好的把握了變頻系統(tǒng)的劣化周期，在原有變頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上精準(zhǔn)發(fā)力，最大程度的保留了耐受部件，提高了原有部件的利用率、縮短了治理時(shí)間，性價(jià)比較高。該方案的成功實(shí)施為運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)且高壓變頻系統(tǒng)故障頻發(fā)的火電企業(yè)提供了一套簡(jiǎn)單、有效的治理方法，具有較好的借鑒意義。