关于压气站压缩机GM150变频器外部故障的研究与分析

卓麟 姜欢笑

（1． 中石化川气东送天然气管道有限公司 2．中国石化集团上海工程有限公司）

0 引言

某管道目前采用的都是电压源型的电驱压缩机，利用中压变频器为高压电机供电，驱动离心压缩机对管道天然气加压，实现天然气逐级输送。该管道采用的电压源型的变频器有高压级联结构的变频器，有钳位二极管结构的高压三电平变频器，有DTC直接转矩控制的五电平电压源型变频器，而前两者变频器主要使用空间矢量控制。目前该管道采用的中性点钳位三电平电压源型变压器是西门子的SINAMICS GM150水冷IGBT型三电平变频器。

SINAMICS GM150变频器的整流侧是独立整流，所有的IGBT功率板共用一个直流母线排，其上级就是24脉波整流，24脉波整流由24个不可控的整流二极管组成。当SINAMICS GM150变频器发生外部故障时，有很多原因都可以触发该故障，例如移相变压器的瓦斯故障、10kV开关柜故障、阻尼柜故障等。但其中一个外部故障，介于移相变压器4个副边绕组与变频器整流侧之间，当该故障发生时，变频器系统难以判别故障是发生在移相变压器那一侧，还是变频器整流这一侧，故很容易造成现场故障情况误判。在深入研究变频器系统直流母线电压波形的基础之上，可以在测试情况下较快发现变频器外部故障的问题所在。

1 实际案例分析

1.1 某压气站现场情况分析

该管道某压气站在走压缩机启机程序过程中，当到第八步主电机启动步骤时，在约10s时间后，压缩机UCP站控机上直接显示压缩机组“XA/COMMON TRIP”故障跳车报警，电机未能启动，电机转速也未有任何变化，如图1所示。同时，变电站1号主变差动保护启动，压缩机生产机组变频器发生失电跨越现象，电机转速在5s内由1255rpm降至1130rpm后，又继续升速运行。在电机转速升速前，10kV的I段谐波滤波退出运行，1号空压机停运，压缩机变频器的10kV中压开关柜显示电流速断保护报警。

压气站现场工作人员及时拍下变频器急停按钮之后，对压缩机变频器10kV中压开关柜进行下电，同时对变频器阻尼柜进行开柜检查，发现阻尼柜LV2相的一处阻尼电阻断裂，部分阻尼电阻存在变色现象，部分瓷瓶也存在变色现象，初步判断是阻尼柜内出现了过流现象，并引起10kV开关柜REX521综保装置进行了速断保护，也引起了变电站1号主变差动保护启动。

针对变频器阻尼柜出现过流现象的问题，有如下可能的原因：①系统一次侧未出现短路点，压缩机组在启动主电机的过程中，阻尼柜的断路器未按启机时序逻辑进行合闸，使得励磁涌流在短时间内积聚阻尼电阻，造成阻尼柜内阻尼电阻电流过大；②系统一次侧出现了短路点，要在整个系统中，一段一段的去排查短路点所在的位置，并进行相应的电气试验验证。

1.2 某压气站案例试验波形分析

在对压缩机变频驱动系统一次设备的电气预防性试验检查中，试验结果并未发现问题。在对压缩机变频驱动系统进行的开关联锁合闸试验、预充压及开关联锁合闸试验中，当10kV开关柜断路器合闸2.2s后，阻尼柜断路器能够正常合闸，证明变频器到中压开关柜与阻尼柜断路器的合闸逻辑控制正常，排除了启机时变频器阻尼柜断路器合闸失败导致过流的问题。

在110kV变电所的北京四方系统的保护录波中，根据压缩机启机故障时，110kV线路与10kV线路的保护启动录波来看，在压缩机启机故障发生的一瞬间，压缩机变频驱动系统阻尼柜处产生的故障电流为I=1.6A×(600/1)×(110kV/10kV)=10560 A，瞬时故障电流较大，已经远超过10kV开关REX521综合保护装置的2.8In的速断电流保护的过流限值，如图2所示。

在拆除压缩机阻尼柜断路器的出线铜母排，同时用高压热缩管保护，确认保护措施合格后，测试10kV开关柜到变频器阻尼柜断路器之间的逻辑链路，并将测试的10kV电流速断保护设定为0.1In、1.0In、1.6In、2.8In，相应电流速断保护动作试验合格后，进行压缩机GM150变频器的直流母线电压波形的正半波和负半波测试，测试结果如图3所示。

GM150变频器的直流母线电压波形的正半波和负半波测试结果显示，在对变频器进行直流母线电压的500V预充压试验中，查看全波形图，发现直流母线电压波形图存在不对称性，底部波形图存在一定倾向角度的畸变，波形倾斜且不对称的原因是部分直流母线电压的负半波在充压时，存在电压泄放现象，而造成变频器直流侧母线电压负半波切斜的情况，很有可能是变频器整流二极管单元某处被击穿，导致电压预充压时，一开始又没有直流母线电容的电压支持作用，所以导致系统一开始预充压时，电压就开始泄放。故立即对GM150变频器的整流侧的24个整流二极管进行排查。在对变频器整流侧24个整流二极管的测试过程中，同时对24个整流二极管的通断进行测量，也用VC890对整流二极管的极性进行测量，在不拆除整流二极管的安装结构时，测量结果为正常情况为正向电压为0.281V，反向电压为2.401V，在测完24个整流二极管时，发现变频器直流母线侧A11处整流二极管（V3）被击穿，而A12处整流二极管（V3）反向电压为2.307V，反向电压偏低，如图4所示。

2 案例后续处理分析

2.1 案例排查结论分析

根据以上结果，如遇类似压缩机故障，可以对某压气站的压缩机故障问题，先进行理论层面的详细分析，然后通过各项试验来验证上述理论中各项事实细节，同时对压缩机阻尼柜、移相变压器及其连接电缆的预防性试验进行复核，并对电压缩机驱系统的二次控制逻辑进行一一测试，来验证以投产标准的多项测试中可能出现的故障原因线索。

在压缩机变频器预充压测试、IGBT触发测试和直流半波测试等测试中，若再次发生外部故障，而无其他现象，例如此次案例，就可以发现变频器直流母线半波测试的负极半波在充压初始存在泄压现象，同时在录波图中呈现出一条与正常波形不同的压升斜线。根据这个压升斜线的理论指示位置，最终查明GM150变频器整流侧，A11模块的V3整流二极管被击穿，A12模块的V3整流二极管有瑕疵。在更换被击穿的整流二极管后，同时利用拼装阻尼柜进行试验，并修复该故障，该压缩机现场成功进行了电机升速试验，机组以975rpm转速稳定运行20min，逐步升速至1050r/min，最终升速至1450r/min。从而实现了拼装阻尼柜和全新阻尼柜的压缩机升速试验，压缩机变频驱动系统的运行均正常。

在拼装阻尼柜和全新阻尼柜的投产标准测试项目的测试中，测试包括投产标准的测试、机组性能极限性能测试，并重载平稳运行超过48h，运行功率5500kW，电机转速1400r/min。本次压缩机现场问题处理中，通过电气试验合格的拼装阻尼柜，不仅电气预防性试验合格，同时多次升速极限试验也能证明，拼装阻尼柜完全可以正常使用，目前按相关规定暂时只作为压缩机机组的应急使用。

2.2 案例排查启示

在今后的压缩机启机过程中，通过此次案例分析，可做好以下工作：①对于中压开关柜发生速断保护动作问题时，往往是由于存在对地放电或相间短路产生的，要找到故障原因点，待故障排查后才能进行送电测试：②在开展压缩机变频器的日常检查维护时，对变频器的整流二极管通断情况要进行测量，发现二极管的正向和反向电压异常时及时进行处理；③要加强压气站变频器的专业知识的培训学习和维修经验积累，遇到类似问题时，能及时找到故障原因点，准确快速的排除故障。

3 结束语

综上所述，天然气长输管道作为国家能源的大动脉，保证天然气长输管道的安全稳定运行是社会和企业的一项重要责任，如何实现压气站压缩机不明故障的快速排查，需要做很多相关压缩机检维修技术的相关研究，从而才能保障压缩机故障快速维修的技术可行性，这对于天然气长输管道的压缩机故障的疑难杂症问题提供了一个新的解决途径。对于西门子GM150变频器、国产变频器本身逻辑结构的故障盲点，以及在失电跨越等方面的故障盲点，急需更详实的重点研究，来取得压缩机检修修技术的阶段性突破，为压缩机进口变频器和国产变频器的重难点故障的快速解决奠定坚实的基础。