一起因电机进水导致变频柜电容器鼓包的故障判断方法和原因分析

赵晓凯，孙 磊，郭金勇

1 变频柜电容器鼓包的现象

在中国石油渤海钻探某钻井队，曾经发生了一次绞车变频柜电容器鼓包的故障。在故障现场，对该队绞车驱动系统进行了解，该队绞车采用A和B双电机驱动，既可以实现A电机或者B电机单独驱动，也可以实现A电机和B电机共同驱动，而且A变频柜驱动A电机，B变频柜驱动B电机，两个是相互完全独立的同型号的变频柜，在A、B双电机驱动时采用光纤进行主从控制，实现驱动同步。变频柜的型号是6SE7034-5HK60-Z，笔者通过现场电气师对电容器鼓包的情况进行了详细的了解，具体的情况如下。

当B变频柜不合闸，单独使用A变频柜时，A电机运转正常；

当A变频柜不合闸，单独使用B变频柜时，B电机运转正常；

当B变频柜合闸但不使能，单独使用A变频柜时，A电机运转正常，B变频柜电容器鼓包；

当A变频柜合闸但不使能，单独使用B变频柜时，B电机运转正常，A变频柜正常；

当同时使用A变频柜和B变频柜驱动时，B变频柜电容器鼓包。该队绞车系统使用的是电磁刹车，没有使用制动单元和制动电阻，变频房到绞车电机之间的动力电缆不是屏蔽电缆，由于是平移钻机，绞车电机的动力电缆延伸得比较长。

2 排查问题的步骤和思路

电容器发生鼓包的原因一般有两个，一个是电容器工作的环境温度过高，另一个是电容器工作的电压过高。笔者通过询问现场电气师了解到，B变频柜电容器鼓包时变频房内空调工作状况良好，环境温度正常，B变频柜冷却风机工作正常，在电容发生鼓包后，手摸电容器，电容器的温度不高，这样就可以排除电容器鼓包的第一种原因，那么电容器鼓包的原因只能是电容器承受了过高的电压。

导致电容器所承受的电压过高的原因，一是均压电阻故障导致电容器电压过高，二是直流母线曾经经历了一段高电压的过程。经过对B变频柜仔细检查，发现鼓包的电容器没有规律，鼓包现象不是集中在上、中、下的某一行电容器上，看来电容器鼓包和均压电阻无关。那么电容器鼓包的原因只能是直流母线电压高了。

是什么原因导致直流母线电压过高呢？经过检查，可以确认每一个变频柜和外界的电气连接只有三相交流电的入线、经过逆变后用于连接电机的三相交流输出线以及Profibus通讯线。A变频柜和B变频柜输入的三相交流电都来自于同一个交流母线排，A变频柜不存在电容器鼓包的问题，所以B变频柜也不可能从三相交流电输入端进入高压电。如果从Profibus通讯线引入了高压电，那么工作于低电压的通讯系统就会出问题，B变频柜使能和运行就不可能了。这两个可能性都排除了，那么高压电只能从B变频柜连接电机的三相交流输出线反向进入了。

为了验证高压电从连接电机的三相交流输出线反向进入B变频柜的判断，做了如下测试：切断B变频柜三相交流电的输入开关，从B变频柜输出口拆下B变频柜的三相输出电缆线，单独闭合和启动A变频柜，在A电机运转的同时测量从B变频柜拆下来的三根输出电缆线之间的电压，结果发现有交流电压，并且该交流电压随着A电机的转速升高而升高，最大值可以超过80V。

确定了高压电就是从B变频柜连接电机的三相交流输出线反向进入后，用兆欧表测量三根B电机电缆线的对地绝缘，发现绝缘值几乎为零。断开B电机后再次进行测量，确认B电机接地，电机的三相电缆线正常。为了证实判断的准确性，更换了鼓包的电容器组，恢复了B变频柜输出的三相接线，把变频房B电机输出端子上的B电机连接线拆下，然后在该连接端子上临时接了一个75kW的电机。这时单独对A变频柜、单独对B变频柜、以及同时对A变频柜和B变频柜进行测试。测试结果是A电机和B电机都运转正常，而且B变频柜电容器不再鼓包。

通过以上步骤，可以确定因为B电机的接地故障导致B变频柜电容器鼓包。通过更换绞车B电机后，问题彻底解决。在更换B电机时，发现B电机有水从电机通风口流出，进一步确认了接地的原因是电机进水。

3 电容器鼓包的原因分析

B电机发生接地故障导致B变频柜电容器鼓包的原因以下图为例进行分析。

在钻井队现场，绞车A电机和B电机的电缆线是并列铺在电缆槽内的，这两个电机的电缆线比较长而且离得很近，而且该队这两台绞车电机电缆都不是屏蔽电缆，所以电机工作时在电机电缆上产生的电磁场就会覆盖到另外一台电机的电缆线上，从而在另外一台电机电缆线上产生感生电动势，感生电动势进入电机后由于电机的感抗比较大，所以产生的感生电流比较小，这个感生电流流过反向并联于IGBT的二极管后对直流母线电容进行充电，充电电流也就比较小，对直流母线电压的影响不大。因此，在电机绝缘正常的情况下，A变频柜和B变频柜都闭合主闸，当A电机工作时B变频柜的直流母线电压略有提高。

图1 B电机进水后的电路示意图

如图1所示，当B电机进水后，导致三相绕组结成一个整体，相当于B电机成为一个接点，在这种情况下由于不存在感抗，A电机工作时在B电机电缆上产生的感生电流会很大，对直流母线电容充电的效果就越明显，致使B变频柜直流母线在原来母线电压的基础上又叠加感生电流对电容器充电的电压，所以直流母线电压就会升高得比较高。

由于这个系统没有制动单元，当A电机转速较高时，A电机所产生的电磁场就越强，在B电机电缆上产生的感生电流就越大，对B变频柜直流母线电压的提升就越大，当电压达到电容器的极限值后，电容器就会开始陆续鼓包。

4 结束语

通过对变频柜电容器鼓包的现象描述，以及对电容器鼓包的原因分析，可以知道当两台或者多台电机的电缆靠的比较近时，变频柜没有安装制动单元时，电机进水后容易引起变频柜直流母线电压升高，导致并联在直流母线上的电容器鼓包。对使用者来说要特别关注电机的绝缘问题，要经常用电机加热器对电机进行加热除湿，确保电机绝缘正常，以免引起变频器的绝缘故障，甚至发生电容器鼓包的现象。