變頻柜超溫故障原因分析及處理措施

李 超，王津明，劉宏偉

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

引言

隨著電力電子技術的進步，交直交變頻調速的實際應用逐步趨于成熟，成為了現代電力傳動技術的主要發展方向。交直交變頻器不僅具有優異的調速和啟、制動性能，而且效率高、節能效果明顯［1］，因此逐漸取代了傳統滑差、變極及直流調速等調速系統，廣泛應用于鋼鐵、有色冶金、化工行業。但受內、外因素，如運行環境、結構設計、運行工況、使用年限、人為操作等影響，變頻器在使用過程中經常出現各種各樣的故障，導致其運行穩定性和使用壽命大幅度降低。

1 運行情況簡介

某工程項目采用機前富氧技術，離心機變頻拖動應用于VPSA制氧工藝。系統配置4套機組，其中單套機組由1 臺離心鼓風機、2 臺離心真空泵構成，配套變頻器采用共直流母線形式，共直流母線變頻器系統圖見圖1。

圖1 共直流母線變頻器系統圖

1#、2#機組變頻器共用一個變頻器室，3#、4#機組變頻器共用一個變頻器室，變頻室內溫度采用水冷空調內循環冷卻。鼓風機、真空泵配套電機采用多繞組永磁同步電機，具體參數如下：

鼓風機電機：2 000 kW、690 V、150 Hz、660 A、3 000 r/min；

一級真空泵電機：1 600 kW、690 V、200 Hz、800 A、4 000 r/min；

二級真空泵電機：1 600 kW、690 V、170 Hz、800 A、3 400 r/min。

對應電機運行參數曲線見圖2。

圖2 鼓風機及一級、二級真空泵電機運行參數曲線

由圖2 可以看出鼓風機及一、二級真空泵電機的運行特點均為周期性升、降速，接近13 s 為1 個循環。其中鼓風機頻率調節范圍在130～143 Hz 之間；一級真空泵頻率調節范圍在166～200 Hz 之間；二級真空泵頻率調節范圍在118～153 Hz之間。

2 故障現象及原因

4#機組額定工況運行時，一級真空泵跳機，現場檢查發現變頻器逆變側一級真空泵1單元故障報警，報警信息為逆變單元超溫，跳機溫度顯示為91 ℃。該變頻器逆變單元超溫報警限值設定為85 ℃、停機限值設定為90 ℃。

在前期調試及試運行階段，該套機組變頻器的2#真空泵逆變單元曾出現過溫報警。由于同類型故障頻繁出現，而室溫又符合變頻器運行環境溫度要求，為了進一步找到超溫現象產生的原因，對柜體結構，循環、散熱形式和發熱源進行分析。

該變頻柜柜體采用上、下結構布置，上半部分為共母線直流母排及整流或逆變單元部分，下半部分為交流母排及電抗器部分，采用下進下出電纜接線。具體結構及循環、散熱形式見圖3。

圖3 變頻柜柜體結構及循環、散熱形式圖

整流或逆變單元為集成式結構，可整體獨立拆裝，在整流或逆變單元底部安裝有側吸入式散熱風扇。通過吸入周圍冷空氣，經可控硅散熱片后從整流或逆變單元頂部排出，達到帶走熱量、冷卻可控硅的目的。

為了研究熱量來源，對變頻柜柜體內部主要產熱元件及發熱部位的運行溫度進行統計，數值見表1。

表1 4#機組變頻柜產熱元件溫度統計表

從表1可以看出整流或逆變單元的運行溫度與電抗器溫升明顯成正比，而逆變側電抗器的溫升整體高于整流側電抗器。通過數據分類比較，得出以下結論。

（1）逆變柜的電抗器溫升整體明顯高于整流柜的電抗器溫升；

（2）逆變柜的柜內空間溫度整體高于整流柜的柜內空間溫度；

（3）柜體整體散熱性能不良，無法及時將熱量排出柜體外；

（4）整流和逆變單元從柜內吸入溫度較高的空氣進行換熱后加劇單元熱量累積。

依據上述結論，可知變頻器整流、逆變單元出現過熱故障的根本原因：一是電抗器運行發熱導致柜體內部溫度升高；二是變頻柜散熱系統無法將柜內熱量排出，產生熱累積效應。

由于現場工藝形式無法改變，且變頻室環境溫度滿足其安全運行的要求。因此在不考慮外部運行環境因素的情況下，首先從電抗器的設計選型和制作工藝等角度，考慮如何降低電抗器自身的發熱量，其次對變頻柜柜體散熱性能進行提升。

根據以往的工程經驗，造成電抗器發熱量大的原因，主要有以下幾點。

（1）外部環境原因。如電流諧波含量大，尤其是高次諧波占比高的情況。此外變頻器運行環境溫度過高，或者是柜體散熱循環不良，都是可能導致變頻器輸入、輸出電抗器產生過熱的原因［2］。

（2）選型原因。額定電流匹配小，是導致變頻器電抗器出現過熱的原因之一。另外，變頻器的實際運行頻率及其變化率與電抗器不匹配，也會導致電抗器出現過熱，嚴重情況下，甚至可以導致其燒毀。

（3）設計原因。電抗器繞組線徑過小、鐵芯的材質、規格與實際應用工況不匹配等問題，也會導致變頻器輸入、輸出電抗器出現過熱。

（4）制造環節原因。如果電抗器在生產制造過程中，繞線緊密度低，或者浸漆不夠均勻，那么在實際使用過程中，也會出現電抗器過熱。

鐵芯、線圈是電抗器最主要的發熱源。鐵芯在運行過中之所以會發熱，是因為運行過程中產生的渦流和磁滯回線，會導致渦流及磁滯損耗的產生，并以熱量的形式消耗掉。而線圈發熱的原因是因為線圈電阻通電產生了熱量。通過紅外成像對一級真空泵、二級真空泵、鼓風機對應逆變部分的輸出電抗器進行測量，結果顯示主要的發熱源在電抗器的鐵芯部位，數據見表2。

表2 變頻柜逆變側電抗器頻率、鐵芯溫度統計表

結合圖1、圖2 可知，整流側輸入電抗器定頻50 Hz 運行，而逆變測輸出電抗器根據負載的不同，工作頻率在118～200 Hz 之間頻繁變化。對比表1、表2的電抗器鐵芯溫度數據，直觀表現為頻率越高，發熱量越大，電抗器溫升與工作頻率成正比關系，符合電抗器通低頻、阻高頻的特性。同時參考圖2頻率周期性變化的運行工況，直觀表現為頻率的變化率越高，電感的阻礙作用也越大。

根據上述的分析結果可知，將電抗器移出柜體既可以提升電抗器自身散熱效率，也可以穩定變頻柜的運行溫度。在不考慮資金、場地等條件因素的前提下選擇體積更大、散熱性能更好的空心電抗器也未嘗不是個優良的選擇［3］。但目前運行工況、變頻室結構已無法改變，因此上述措施均無法實施。鑒于電抗器磁芯損耗與磁性材料特性和工作頻率等密切相關，渦流損耗與頻率也有正比關系，因此降低電抗器鐵芯的兩種損耗成為唯一的有效降低電抗器自身溫升的辦法。

3 整改措施及實際效果

目前，雖然在柜體的前后柜門下部電抗器位置設計了散熱孔，頂部也設計了風帽，但是這種對流散熱效果并不理想。因此結合柜體內部結構以及發熱部位，對柜體結構進行改造，可有效提升散熱性能。

3.1 柜體散熱不良的整改措施

（1）阻斷空間散熱。采用絕緣板將柜體分為兩個區域，上部為變頻單元區域，下部為輸出電抗區域。分區后可有效對輸出電抗區域熱量進行阻隔，防止熱量擴散至變頻單元區域。

（2）強制通風散熱。在輸出電抗區域的前后方增加散熱風扇，形成通風回路，加大進、出風量促進柜內熱量的流動，從而將電抗器產生的熱量帶出到柜外。在變頻單元區域的柜前端下部和柜后端上部增加散熱風扇，借助整流、逆變單元可控硅自帶的散熱回路，將變頻單元頂部排出的熱風排到柜外。

上述增加的所有散熱風扇均安裝在柜體前后門上，改造效果見圖4。

圖4 變頻柜改造后柜體結構及循環、散熱形式圖

3.2 逆變側電抗器鐵芯發熱的整改措施

（1）高性能硅鋼片。目前現場選用的鐵芯材質（硅鋼片）與實際應用工況不匹配，工藝需求導致變頻器頻繁調速控制，普通硅鋼片不適應高頻變化磁場。由于單位體積鐵芯中的磁滯損耗正比于磁滯回線的面積，因此選擇導磁性能良好，磁滯回線面積小的冷軋硅鋼片來降低磁滯損耗。

（2）降低磁通密度。適當增加鐵芯的有效面積可以降低磁通密度，但相應電抗器的體積和材料會增加?，F場在滿足變頻柜現有空間尺寸的前提下，通過疊加冷軋硅鋼片，增大了鐵芯的有效面積，降低了磁通密度［4］，具體尺寸對比圖見圖5。

圖5 疊加冷軋硅鋼片降低電抗器磁密前后對比圖

（3）提升制造技術。具體措施有降低鐵芯片的厚度來減少感應電流的損失；采用高性能鐵芯片絕緣涂層；硅鋼片加工時，順著硅鋼片的軋制方向裁剪，并對硅鋼沖片進行熱處理等［5］。

3.3 擴展溫度監測上傳功能

變頻器功率單元及電抗器擴展溫度監測上傳功能。

（1）電抗器增加鉑電阻溫度傳感器，通過連接PLC 模擬量輸入模塊，接入后臺系統監測電抗器運行溫度。

（2）變頻器整流、逆變模塊可輸出整流、逆變功率單元運行溫度，將該數字量信號接入PLC 數字量輸入模塊，上傳至上位系統，監測功率單元運行溫度，并設置報警程序，方便運行人員及時發現異常。

通過柜體結構改造，整流、逆變單元的運行溫度明顯下降。電抗器熱成像顯示鐵芯溫度由原先最高的130 ℃左右降低至100 ℃左右，發熱和散熱問題得到有效解決，具體數據見表3。

表3 優化前后的變頻柜產熱元件溫度對比統計表

4 結論

通過分析變頻柜超溫故障的原因，提出了解決電抗器及柜體散熱的措施，并通過現場改造，切實改善了變頻柜內運行環境。同時指出了變頻器及配套設備選型要與生產工藝緊密結合，完善設備的選型、設計、制造、驗收等環節，才能避免此類故障的發生。