提高高压变频器运行可靠性的研究

钟国亮 胡 波 黄春伟

（1.广州华润热电有限公司，广东 广州 511455；2.广州智光电气股份有限公司，广东 广州 510700）

1 概述

某电厂投产以来综合厂用电率一直偏高，据统计综合厂用电率达8.19%，一定程度上影响到电厂的经济效益。为响应国家“节能降耗”的号召，提高设备自动化水平，降低厂用电率，提高机组的经济运行水平,该电厂在2009～2010年期间对凝结水泵、一次风机、引风机及增压风机进行了变频改造。使用国内一线品牌ZINVERT 系列高压变频器，对应的型号分别为：A6H-1250/06Y、A5H-1600/06Y、A7H-3750/06Y、A7H-2800/06Y，其中凝结水泵变频器配置了自动旁路柜，在凝结水泵变频器故障时能自动切工频运行。其余风机变频器配置了隔离刀闸柜，风机变频器故障时需手动切换至工频运行。该电厂为2×300MW 燃煤热电联供机组，单台一次风机运行时只能带160MW 左右的负荷，单台引风机运行时只能带200MW 左右的负荷，风机的突然停运甚至可能造成机组停运。随着电改的深入，电厂发电负荷管控更加严苛，未来负荷“日清日结”，对燃煤发电企业来说将是一个巨大的挑战，如何提高高压变频器运行的可靠性就显得尤为重要。

2 变频器散热系统核算及优化

为节约电能，提高高压变频器改造效益，将变频器功率单元柜与移相变压器隔开在不同的房间，功率单元柜与控制柜为室内空调循环冷却，移相变压器和旁路刀闸柜为强制风冷，移相变房间墙体开孔设墙体滤网进风，柜顶设有风道，风机将柜内热风吹至室外。移相变压器为H 级绝缘，能长期耐受较高温度运行，对环境温度要求不高。利用此特性，移相变压器采用室外强制通风方式，能降低高压变频器冷却所需的耗能，相比移相变室内空调循环冷却方式，能节省更多的空调耗能，经济性更好。

2.1 功率单元柜房间散热系统核算

变频器功率器件损耗，如SGCT、IGBT、IGCT 等，在设备运行时因为高频开关切换，以及导通压降等，会产生低通损耗与开关损耗，可以达到电动机功率的2%左右[1]。为此，对现有功率单元柜房间散热系统进行了必要的核算，核算情况见表一。

变频器为大量电子元器件的集成设备，其中功率单元柜与控制柜对环境温度要求较高。变频器厂家要求变频器需运行在-5～45℃、湿度20～95%之间，一般应控制环境温度在40℃内。从表一可看出，#2、#3 变频器室功率单元柜房间总制冷量虽小于房间总发热量，因变频器并不是长时间满功率运行，房间年度最高温度都能满足变频器运行对环境温度的要求。#1 增压风机功率单元柜房间总制冷量虽大于房间总发热量，可房间年度最高温度36℃偏高，因空调运行多年，制冷性能下降较快，有必要对房间空调进行更新换代。

2.2 房间温度监视

在变频器室每个房间显眼的地方放置温湿度计，方便巡检时查看；在功率单元柜房间设置在线温度测点，信号远传至集控DCS，房间温度实时监控，并设有温度报警值，空调出现故障或房间温度过高时能及时发现并处理。

2.3 电气回路优化

高压变频器所有散热风机原设计共用一个电源开关，若其中一台散热风机故障将导致电源开关跳闸，所有散热风机停运，从而导致变频器过热故障跳闸。对每台柜顶散热风机回路进行优化，增加独立控制的电源空开，一台散热风机故障不影响其它散热风机正常运行，且处理单台风机故障变频器可不停运处理。

3 变频器启停管理

（1）加强变频器定值管理，合理设置变频器加速、减速时间，避免变频器过流、过压报警。根据负荷的不同，变频器加速时间设定在70～120s，减速时间设定在70～300s。变频器停运时应按照先降低变频器输出频率至最小再延时断开进线断路器的顺序进行操作，禁止直接在运行状态拉开进线断路器进行停运操作（故障处理除外）[2]。变频器运行状态下直接断开进线断路器，会对变频器造成较大的冲击，影响变频器电子元器件寿命。故应对运行人员加强操作培训，修改运行规程有关变频器运维的内容。

（2）变频器停运后，及时开启移相变房间的除湿机，功率单元柜房间可将部分空调关闭，部分空调设置为除湿模式，视天气潮湿情况及停运时间长短判断（一般停运48h以上），将停运的变频器进风口墙体滤网、室外出口风道用塑料布包好，减小湿气进入，防止变频器停运后受潮。

表一：变频器散热系统核算表

（3）大容量高压电动机，如增压风机、引风机的纵差保护应在变频运行时退出，工频旁路时投入。

（4）当负载能够带动电机旋转时，变频器启动前应将电机转轴采取机械制动。如2017 年10 月10 日#2 增压风机运行引起2B 引风机变频器失速报警，造成功率单元C1过压、直流电容警告，从而引起功率单元直流电压保护重故障频发，因故障时间短且恢复快，未达到定值延时，故变频器并未因重故障而跳闸。失速时变频器将被锁住，频率已不能调节，此时需停运变频器，将电机转轴采取机械制动后再重新启动变频器。

（5）长时间停用的变频器启动前或更换长期备用的功率单元备品时，应先进行预充电。高压变频器在不启动的前提下可整体进行上高压电充电，功率单元备品可直接施加400V 低压电源进行预充电，防止功率单元内电容因突然启动时的充电电流过大而造成损坏[3]。对变频器预充电10min 以上再启动变频器运行，能有效地减少变频器启动过程故障。

4 日常维护及检修

变频器保持适宜的温湿度、洁净度，对其日常维护及检修到位，是变频器正常运行的基本保证。

（1）变频器每天至少巡检两次，检查周围环境的温湿度，空调运行正常且风口朝上不对变频器直吹避免设备受潮氧化，最好在空调出风口处加装挡风罩进行隔离；设备无异常的振动、噪声和气味；检查控制器面板的LED 和LCD 显示是否正常，LCD 显示有无报警信息，最近有无事件记录需处理；移相变温控器显示是否正常及超温；经常使用1张A4 纸检查变压器柜、功率单元柜进风口风量，看纸张是否能被过滤网牢牢吸住，如有问题应及时排除[4]。

（2）滤网应定期清洗更换，滤网在回装之前应保证彻底晾干，以免造成设备生锈或影响柜内绝缘性能，根据粉尘情况制定清洗周期。在空调入风口加装3M 空气净化滤网并定期更换，可降低功率单元柜房间的粉尘含量。

（3）每季度进行变频器红外热成像工作并做好记录，能较为及时的发现设备过热点或隐患。

（4）功率单元易出现故障，每种类型变频器最少备一件功率单元备件，同时适当采购散热风扇、继电器等备件，当变频器出现故障时能及时恢复运行。变频器各备件应存放在恒温恒温仓库，确保备件完好无损。

（5）尽管定期清洗了滤网，因变频器对室外抽风散热形成了负压，粉尘不可避免的进入柜体内，建议每半年最少一次停电清灰检查，螺栓紧固，绝缘子清扫，按预试规程周期和内容要求进行严格的试验。对系统输入端进行电气绝缘检测试验时，应将整流变压器的铁心和所有二次出线短接并接地后进行；对系统输出端进行电气绝缘检测试验时，输出电缆不得接入单元输出，否则将造成功率逆变系统损坏[5]。考虑每次机组大小修承接的单位不一样，试验人员技术水平也有高低，为避免试验人员误操作损坏变频器，每次检修前应对试验人员进行详细的交底。

（6）变频器检修后应上电进行调试，调试项目有①小电压试验：移相变高压侧接入400V 电压，将控制器频率调整到50HZ，测量各功率单元输出电压是否一致、平衡，电压一般为36V 左右，试验时需注意安全，防止高压触电；②模拟故障重启：高压开关或刀闸断开，模拟待机运行，拔一根光纤迅速恢复，报故障停机，瞬时恢复（5s 内故障恢复）；③模拟试运行：可验证控制系统及散热风扇运行是否正常；④充放电试验：上高压充电，5min 后断高压，查看单元直流电压下降缓慢，各电压值无明显偏差，直到电压降低至能打开柜门为止，下降时间应超过10min 以上，此试验能验证电容的好坏；⑤控制电源切换试验：上高压，检查UPS 状态正常，测量UPS 输出电压正常，断外供380V电源，观察控制器显示屏无闪烁，散热风扇运行正常，送外供380V 电源，自动切回此电源，观察控制器显示屏无闪烁，风扇运行正常，此试验可间接验证UPS 的状况及固态继电器的好坏；⑥单元旁路试验：可验证单元旁路功能是否正常。当某个单元故障时，同时将与其不同相的同级其它两个单元输出旁路短接，而其它级的功率单元仍输出，保证系统在一定的带载能力下维持负载的持续运行，从而大大增加了系统的可靠性。其中③⑤⑥为检修后必做试验项目，其它为选做项目。

5 预防性更换及维保升级

通过模拟实验提出了UPS 改进措施：将原来厂家设计选型的上海科华的后备式 UPS 更换为山特的在线式UPS，查阅图纸将电气原理图中不重要的负荷改接至其他电源，保证 UPS 负载的可靠性。建议在机组大、小修期间，对UPS 进行充放电试验，要求带载输出时间 > 5 分钟，定期预防性更换UPS，建议更换周期为3～4 年左右[6]。

风扇、板件等定期预防性更换，建议风扇运行时间大于35000 小时或4～5 年进行更换，控制器电源板、PWB 二次电源板、信号预处理板、模拟板等更换周期为4～5 年。

2016 年对#2 机组引风机高压变频器进行了全面维保，42 台功率单元返厂检测，更换旁路接触器，测试单元体旁路功能，对功率单元电解电容进行检测，内部其他元器件检测，对性能存在严重下降的予以更换，对单元体进行深度清灰、清洁，减小灰尘对内部器件散热、绝缘等方面的影响，延长单元体的使用寿命；板件预防性更换，升级主板程序；对功率柜、变压器柜、旁路柜内外进行全面清洁清灰，对系统内部一次电缆、二次布线及连接进行检查，对布线进行优化调整，对绝缘薄弱处进行加强处理；对变频系统进行相关性能测试，控制电源切换试验、单元体旁路试验、空载试验、满载试验等。经厂家全面维保，#2 机组引风机变频器运行可靠性有所提高。

功率单元最易发生故障，约占变频器发生故障的80%，现有变频器已运行10 年，随着电子元器件的老化，设备寿命周期的接近，尽管变频器维护到位，但变频器故障率还是有逐年增加的趋势，有计划的对功率单元和控制系统升级换代或变频器整体改造，有利于机组的稳定性。

6 结论

通过对高压变频器历年来出现的故障进行分析，总结多年变频器运维经验，提出了多项有效的措施，从而提高了变频器运行的可靠性，为企业创造了良好的节能效益。