海上平台电潜泵变频柜故障原因及处理

　　摘要：电潜泵变频柜在避台返回后重启的过程中发生多起IGBT击穿的事故，变频柜整流模块在合闸上电备机时，短到几秒长则十几秒之内，变频柜内部发出剧烈的爆炸声，随即回路电源开关跳闸。文章对海上平台电潜泵变频柜故障原因及处理措施进行了探讨。 

　　关键词：绝缘栅双极型晶体管；IGBT；击穿（炸机）；海上平台；电潜泵；变频柜 

　　1 IGBT击穿故障原因分析 

　　2013年在避台风回到平台恢复生产时，南海某A平台B-22H和B-11H各有一整流模块在送电时内部炸机，当时厂家ABB人员随即从B-03H变频柜拆下一个整流模块恢复B-22H变频柜；另拆了一个模块到B-11H变频柜，再次送电时又炸机，另外一台原先未损坏的模块又出现了炸机。相隔不久，同时建造投产的姊妹B平台也出现了6台变频柜炸机故障，同年11月4日，B平台在台风“罗莎”过后，复台时候又发生两台变频柜故障停机，分别是B20井和14井变频柜，其中B20井变频柜是整流侧IGBT短路故障，B14井变频柜是K13接触器无法吸合故障，同一时段A平台也有2台变频柜出现IGBT短路故障。平台变频柜连续发生模块击穿故障，而且问题是发生在避台风回来的时候，模块击穿故障引起ABB厂方高度重视，指派其售后服务工程师现场检查并提供调查处理报告。 

　　1.1 IGBT击穿原因厂家认为与受潮有关 

　　电潜泵变频柜在平台陆地建造期间安装时正好处于南方的梅雨季节，曾有一段时间不能进行驱潮工作，环境湿度较大。在设备投产前，虽然进行了长时间除湿和除尘工作，变频柜表面的水迹已经干了，但是受潮后会在一定时间内影响变频柜性能。虽经全面检查和绝缘测试均达到了使用要求，在运行了一段时间，有一部分变频柜在避台后恢复生产重启时出现IGBT击穿，厂方售后工程师配合平台电气师重新检查了全部变频柜，发现受潮问题也只是个案，不能代表所有设备情况一样，受潮并不是IGBT击穿的主要原因。 

　　1.2 设备上电后启动整流前暖机驱潮工作未做好 

　　厂家认为设备上电后启动整流前暖机驱潮工作未做好，为此平台电气师按要求进行了全面检查和整改 

　　工作： 

　　1.2.1 变频柜上电前先抽出变频柜整流及逆变模块，检查变频柜交直流主回路相间、相对、二次回路对地绝缘有无问题。 

　　1.2.2 用万用表测量整流模块及逆变模块输入输出各极有无接地，测试合格后将整流模块及逆变模块重新安装好。 

　　1.2.3 确保在电机电缆与逆变模块输出端子U2、V2、W2断开的情况下，用耐压测试仪在电机绕组、电机电缆与保护地之间施加国家标准规定的直流电压，绝缘电阻应符合国标准规定要求阻值。 

　　1.2.4 用耐压测试仪在直流母排正负极母线、交流母排相间以及交直流母线对地间施加国家标准规定的直流电压，绝缘电阻符合国家标准规定要求阻值。 

　　1.2.5 按照运行措施和规范的要求，检查柜体应无明显的凝露和潮湿的现象，如果环境潮湿，必须采取强通风措施，在运行前必须先启动逆变模块风机运行30分钟进行驱潮。 

　　1.3 要求变频柜空间加热器电源必须连续工作 

　　厂方要求变频柜空间加热器电源必须连续工作不能有中断，为此平台电气师为每一台变频柜电加热器重新敷设了由不间断电源（UPS）供电的电缆，同时在避台期间因空调无法运行，为达到调控湿度要求，安装了三台除湿机进行连续工作。 

　　平台电气根据厂家的调研报告进行了一系列的整改工作，但是变频柜击穿故障并未停止。2013年11月27日，避台返回恢复生产时又发生三组变频柜发生同样的IGBT模块击穿故障，同时B平台也有两台变频柜IGBT模块短路击穿故障。初步的原因分析并不明朗，故障的频繁出现引起了各级领导和工程师的高度重视，也得到了ABB厂家的技术支持，厂家再次安排传动方面专家进行现场调查和取证返厂进行分析研究。 

　　2 IGBT击穿故障根本原因分析 

　　按照变频柜厂方专家要求，重新进行全面检查，并更换为未投产井同等功率变频柜的相同模块（属于同一批次），进行现场重复启动运行测试。记录各项参数、运行曲线、故障时间点等方面展开。着重检测分析短路故障发生上电启动整流模块的起始时间段，在厂方专家现场的几次上电、启动、运行测试过程中，再次发生了两台变频柜IGBT模块击穿故障，由于是亲身经历厂方专家对自身产品性能的认识有了重新思考，也验证平台方电气师的判断——IGBT发生击穿故障有一个共同特点，就是在变频柜上电启动整流部分的前几秒钟内发生的。如果躲过去这个启动击穿时间节点，那就可以连续运转至停机是不会击穿的，如果在启动整流模块时间点与这个时间节点重合，即发生击穿故障并伴有一声巨响。为分析击穿的根本原因，厂家立即将损坏的模块及尚未发生问题的两组模块带回厂实验室进行分析研究，并记录下所有产品的批次代码及产地等信息，再次分析IGBT击穿故障，寻找问题的根本原因。 

　　2.1 查阅随机资料分析 

　　2.1.1 AGDR（驱动板）提供触发信号去控制IGBT的导通和关断，AGDR从AINT接收的电压及控制信号经过各种电路转换成控制IGBT导通关断的触发信号，如果中间任何元件故障造成触发信号丢失，则AINT接收不到反馈信号，RDCU会给出模块短路故障，有时候触发信号没有完全丢失，但信号不正常，一般会报出模块电流不平衡故障。 

　　2.1.2 故障的AGDR板返回分析（送检的IGBT驱动板），首先检查外观有没有元器件损坏：如果有，直接检测损坏的元器件，再根据原理图检查有无其他元器件损坏，最后上电运行测试；如果没有，需要先上电测试，用示波器观察电路各部分的波形，发现有问题的部分再根据原理图进一步检查 

　　2.2 厂家试验报告分析 

　　下面是AGDR板上有关陶瓷电容电路（C213～C216）部分的简单结构，这一部分目前发现的有四种损坏的情况： 

　　2.2.1 C213或C214损坏，内部结构损坏导致电容变成一个电阻特性，即在+15V和GND之间加了一个电阻，造成IGBT的驱动波形向下偏移，直接影响了IGBT的正常导通和关断。 

　　2.2.2 同样C215或C216损坏，造成了IGBT的驱动波形向上偏移，也会影响了IGBT的正常导通和关断。 

　　2.2.3 如果C213或C214其中一个损坏，同时C215或C216也有一个损坏，这样在整流的+15V和-8V之间直接形成了一个通路，电流会变大，同时会造成整流二极管V201和V221烧坏。 

　　2.2.4 外观检查时有时会发现一个电阻R203烧坏，原因是C213或C214损坏后，在这个电阻上产生了大约2V左右的压降，电阻参数是功率0.25W，阻值10Ω，容易造成这个电阻烧坏。 

　　2.3 根据相关技术资料分析 

　　2.3.1 变频柜快熔保险的熔断时间应该在20毫秒级，对IGBT也是一个过载保护。 

　　2.3.2 变频柜的输出电流大，也会延长IGBT管的关断时间，导致直通。 

　　2.3.3 驱动不足也即驱动电压偏低，容易使IGBT管进入放大状态，IGBT管的功耗大幅增加，IGBT管将迅速烧毁。 

　　2.3.4 IGBT发生擎住效应后，漏极电流过大造成了过高的功耗，最后导致器件的损坏。 

　　2.3.5 IGBT具有极高的输入阻抗，容易造成静电击穿，故在存放和测试时应采取防静电措施。 

　　2.3.6 在并行连接的逆变单元模块中，传动检测到逆变单元中过高的输出电流不平衡。这可能是由于外部故障（接地故障、电机故障、电缆故障等）或内部故障（损坏的逆变器部件）引起。 

　　2.3.7 变频柜硬件故障（APBU/NPBU）板——检查并联整流器的分配单元板。 

　　2.3.8 直流电容器容量变化——可在传动上电但未调制时检测直流电压是否稳定。 

　　2.3.9 控制盘柜型号与传动应用程序的版本不兼容——检查其型号与程序的版本。 

　　2.3.10 不正确的整流/逆变器型号——比较传动单元的额定铭牌与软件中的参数配置。 

　　3 故障处理和防范措施 

　　第一，厂家免费为平台更换存在设计缺陷的同一批次全部IGBT模块共500多块（整流和逆变）。 

　　第二，改进变频柜冷却风机运行控制模式，更改两个平台共55组变频柜内部接线，上电时立即启动冷却风机为内部热备机条件，干燥一段时间后再启动主回路。 

　　第三，变频柜内部电加热器电源改为由平台不间断电源UPS专门供电，停机时连续自动加热驱潮，电潜泵开关间（VFD）安装除湿机，其电源供给也使用不间断电源。 

　　第四，制定详细的海上维护保养技术措施和注意事项：定期做维护保养使设备长期稳定运行；在没有断开变频柜外部电缆连接的情况下，不要对外部电缆进行绝缘测试；当再次连接电机电缆时，应检查相序是否正确；逆变模块的中间回路使用了多个电解电容。这些电容的使用寿命至少有90000小时，实际寿命取决于传动单元的运行时间、负荷及环境温度。通过降低环境温度可以延长电容器的寿命。 

　　4 结语 

　　经过变频柜厂家和平台电气师的反复调查和分析研究，查出变频柜接连发生故障的根本原因是该批次IGBT模块存在设计上的缺陷，不适合海上环境下使用。厂家免费更换此批次IGBT模块，并和平台电气采取了一系列的防范措施，返台或平时启动变频柜再未出现过IGBT模块短路的炸机情况，变频柜运行一切正常。 

　　参考文献 

　　[1] 李丽.电工与电子技术[M].北京：石油工业出版社，2007. 

　　[2] 浣喜明，姚为正.电力电子技术[M].北京：高等教育出版社，2001. 

　　[3] ABB变频柜传动单元图纸资料和设备交付时设备随机文件[S].