一起二级坝泵站机组变频器故障处理

姚辉勇，李庆义，李 宝，宋攀科

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250014）

0 引言

南水北调工程是党中央、国务院根据我国经济社会发展需要做出的重大决策，是缓解我国北方水资源严重短缺局面和生态环境恶化状况，促进水资源整体优化配置的一项跨流域的重大战略性水利基础设施，对实现经济社会可持续发展有着极其深远的战略意义。其根本任务是通过补充客水资源，对当地水资源进行优化配置。根据2002 年12 月国务院批准的《南水北调工程总体规划》，南水北调东线一期工程山东段主要是缓解苏北、山东半岛和鲁北地区城市缺水问题，兼顾生态补水和环境用水，并为向河北、天津北延应急供水创造条件。规划工程规模为抽引江水500 m3/s，入东平湖100 m3/s，过黄河50 m3/s，送山东半岛50 m3/s。每年可为山东省调引13.53 亿m3的长江水，将从战略上调整山东省的水资源时空布局，把山东骨干水利工程与南水北调配套工程形成互联互通的水网，实现长江水、黄河水、淮河水和当地水的联合调度、优化配置。南水北调是国之大事、国之重器，既是一条调水线，更是一条生命线。习近平总书记两次视察南水北调工程强调南水北调工程事关战略全局、事关长远发展、事关人民福祉的“三个事关”；是优化水资源配置、保障群众饮水安全、复苏河湖生态环境、畅通南北经济循环的“四条生命线”；要从守护生命线的政治高度，切实维护南水北调工程安全、供水安全、水质安全的“三个安全”。以党的二十大精神为引领，加快补齐水资源供应保障能力的短板，为服务构建新发展格局、推动山东高质量发展，保障山东经济社会可持续发展提供强有力的水资源支撑。

南水北调东线一期山东段工程自省界台儿庄泵站开始向北历经七级泵站到达东平湖，出东平湖后分两路输水，一路向北穿过黄河向鲁北地区供水，一路向东向胶东地区供水，形成南北、东西两大输水干线。其中南北干线长487 km，东西干线长704 km，输水干线全长1 191 km，在齐鲁大地上形成南北畅通、东西互济的“T”字形输水大动脉和现代水网大骨架。干线工程静态投资达172 亿元，动态投资约230亿元。一期工程供水范围涉及山东省的13个市、71 个县（市、区），配套工程投资约270 亿元。内容可概括为：“七站”、“六河”、“三库”、“两湖”、“一洞”。“七站”是指新建台儿庄、万年闸、韩庄、二级坝、长沟、邓楼、八里湾等七级泵站；“六河”是指疏浚扩挖韩庄运河、梁济运河、柳长河、小运河、七一.六五河、胶东输水干线渠道等六条河道；“三库”是指新建东湖、双王城和大屯三座调蓄水库；“两湖”是指防渗影响处理和局部疏通南四湖、东平湖两座大型湖泊；“一洞”就是指的穿黄隧洞工程（见图1）。

图1 南水北调东线山东段工程位置图

1 工程概况

1.1 泵站概况

二级坝泵站工程位于南四湖中部，山东省微山县欢城镇境内，是南水北调东线一期工程的第十级抽水梯级泵站，山东境内的第四级抽水泵站。设计输水流量为125 m3/s，设计站上水位（黄海高程，下同）34.10 m，设计站下水位30.89 m，设计净扬程3.21 m，平均扬程1.99 m，装机5 台套后置式灯泡贯流泵（4 用1 备），单机流量31.25 m3/s，单机功率1 650 kW，总装机流量8 250 kW，多年平均设计装机利用时间4 364 h。工程主要任务是将水从南四湖下级湖提至上级湖，实现南水北调东线工程梯级调水目标。

1.2 机组概况

南水北调工程作为“国之重器”着力助推国家战略性新兴产业的提升和节能环保等理念的推进，泵站在设计阶段就重点考虑节约能源，降低生产成本。泵站主机组配置5 台SIEMENS 完美无谐波空冷型GEN3 高压变频器，属于级联H 桥电压源型多电平变频器。规格型号：PH-6-6-1650；功率：1 650 kW；输入：6 000 VAC,3 PH,50 Hz,193 A；输 出：0～6 000 VAC，3PH，0～50 Hz，200 A；控制电源：380 VAC,3PH,50 Hz，20 A。每台变频器有18 个功率单元，对经过变压器降压的输入电进行三相整流，再经过大容量电解电容滤波后，通过IGBT H 桥逆变后得到频率和幅值均可变的单相正谐波交流电。

2 故障描述

某年12 月11 日，二级坝泵站3 号机组变频器在变频模式下开机正常稳定运行已有20 余天，当日18：55 变频器突然故障停机，变频器上、下级高压开关也随即跳闸。技术人员采用NXG ToolSuite 从现场变频器控制系统调取变频器事件及故障记录得知报警事件（如表1 所示）。

表1 故障记录表

通过故障记录发现该起故障过程先是变频器A4 功率单元故障，然后出现变频器过损耗故障，随后跳变频器输入开关；由于功率单元失电，报A4 功率单元旁路校验故障。（故障功率单元见图2、图3、图4、图5，典型功率单元原理见图6）。

图2 故障功率单元图

图3 故障功率单元拆除图

图4 功率单元故障位置1

图5 功率单元故障位置2

图6 典型功率单元原理图

2 d 后维护单位到现场进行故障分析，经查询记录文件，显示当时变频器运行速度：50 Hz，变频器输入电压：97%额定电压；变频器故障时的输出电流：大约47%额定电流。故障时无电压、电流异常波动情况。跳闸时记录如表2 所示。

表2 跳闸记录表

3 故障原因分析

3.1 故障分析

技术人员根据故障功率单元现场实物可以看出：故障点首先是Q3、Q4 两个IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor 绝缘栅双极型晶体管）故障，从而导致功率单元的正母线与负母线之间的电气短路，然后产生爆炸及电气弧光，并且对相关的电气部件产生波及损坏，主要包括：熔断器、整流桥、单元控制电路板、绝缘材料、相关线束等。

进一步结合现场管理单位有关人员对当时发生故障时的故障现象描述、事件记录分析、故障现场勘察及拆解、对单元控制板检测等方式，确认3 号机组变频器故障是先IGBT 模块故障，并导致功率单元故障，最终造成二级坝泵站3 号机组故障停机。

3.2 故障原因

经厂家技术人员对现场IGBT 模块等故障现象研究分析及检测结果，产生IGBT 模块故障的原因是由于电气性能老化、绝缘性能降低等因素导致。

4 维修处理

维修前为保存有关数据资料，我们首先下载并保存该变频器故障、事件记录、历史记录、变频器参数及程序。检查参数及程序无变动，程序改动的原因及对设备运行的影响，检查分析变频器事件记录及对变频器潜在影响。

拆下A4 故障功率单元，清理功率单元体灰尘，检查螺丝的紧固状态，使用精密电子清洁剂对功率单元控制电路板清洁；检查电容，无漏液、无鼓胀现象，安全阀无冒尖突出；测量功率单元电容容量并评估电容状态。测量整流模块及IGBT 模块静态压降，测量值应均匀一致。

根据A4 功率单元损坏的情况，本次故障维修需要更换零部件为：IGBT 模块4 个、整流模块3 个、熔断器3 个、单元控制板1 块、绝缘材料及电线线束等有关设备设施材料。维修后再检测整流模块及IGBT 模块。

安装后要带载测试运行：运行变频器并增减负荷，用 NXG ToolSuite 观察输出电流转速等波形。如有异常情况，用示波器观察 SIB 板测量点输出电压、电流并与手册上的标准波形比较。

5 事故防范措施

（1）二级坝泵站后置式灯泡贯流泵（4 用1 备）配置5 台SIEMENS 变频器，合计90 套功率单元。该设备自2010 出厂至此次故障发生已经使用10 多年。随着电子电气产品元器件逐渐老化，绝缘性能下降，故障突发事件的几率会相对增加，为方便现场管理快速及时应对突发状况，在现场储备2 套备用功率单元及3 块备用单元控制板，供应急更换维修使用。

（2）进一步加强现场电气设备的点检维护。由于南水北调工程的特殊性、重要性，为确保调水安全平稳可靠运行，避免运行中出现突发故障。SIEMENS 完美无谐波变频器要定期进行预防性维护（PMA），非调水期对变频器进行清洁、紧固、对变频器进行电流传感器检测与IGBT 欠饱和式保护测试、检查变频器可能存在的问题、消除安全运行隐患，确保电力电子器件处于良好状态，提高变频器的运行可靠性。

（3）改善变频器高压电气设备运行环境。如采用10 kV 等级的热缩绝缘套管将柜内母线、触头裸露部分有效包裹，避免因电弧而导致母线相间短路；对变频器场所增加空调降温、除湿；配电室主体建筑物做密封处理、电缆沟做防水处理等一系列措施。

6 结语

通过对事故进行原因分析，并采取技术及管理措施加强设备安全运行，进一步提高了设备的安全可靠运行效率，减少故障发生，提升调水工作效率，从而可以较好的提高企业经济效益，有力促进企业良好发展。同时可实现碳达峰、碳中和目标，有效推动人类社会绿色生活、生产，加快生态文明建设，在实现经济社会发展与生态环境保护协同等方面具有重要的意义。