高压启动变频器晶闸管故障处理方法的改进

高压启动变频器晶闸管故障处理操作法1、背景变频启动是大型同步电机最佳的启动方式，其启动电流远低于同步机额定电流，启动时对电网冲击较小，武钢现有的大型同步电机都采用了变频启动技术，如高炉电动鼓风机、CCPP（燃气蒸汽联合循环机组）的燃气轮机同步发电机等，都采用了SFC进行启动浪涌限值器输入侧电流互感器电机侧电流互感器晶闸管阵列晶闸管阵列接地保护监测电机侧电压监测接地保护监测同步机同步互感器直流电抗器输入变压器断路器励磁机输入侧电流互感器风冷12脉波变频器主回路结构图 图1 12脉波SFC主回路结构图SFC为保障大型同步机正常运行的关键设备，如高炉鼓风机，经常会出现紧急启动电动鼓风机的情况若此时SFC因故障无实现快速开机，鼓风机无法送风至高炉，不仅直接导致高炉停产，甚至导致人身伤害和高炉设备损坏（如风口灌渣等）晶闸管是SFC实现频率变换、功率输出的关键元件，如图1不仅由晶闸管构成的SFC功率回路结构复杂，元件数量多，而且其控制其导通和关断的触发电路也是故障高发点，因此晶闸管故障占SFC故障的比例较大；SFC进口设备厂家对核心技术都有保护，而晶闸管的控制是实现同步机启动的关键算法，无论是电流还是转速控制，最终执行部分都是由控制晶闸管的导通和关断实现的，如需要厂家技术人员处理设备故障，每天的费用每都为数万元，而且效率低下，受制于人。

因此，必须在深刻理解SFC晶闸管结构、控制和运行方式的基础上，总结出一套从诊断故障、测试工作参数和元器件到更换备件的晶闸管故障操作方法，以提高故障处理效率和设备运行可靠性，降低维护成本2、存在问题及原因分析2.1原操作法存在的问题1.原有操作方法需要多次启动机组测试，对机械和电气设备冲击较大现有SFC都有数十个晶闸管和触发板，每一个设备拆卸和安装都需要较长的时间，费时费力，严重降低抢修效率，并且若逐个更换测试，需要较多的备件；而且反复拆卸、安装和操作容易出现错误，甚至会导致损坏正常设备，使故障扩大 2.未总结各个厂家SFC的故障检测手段，如波形记录方法，对故障代码和故障指示灯也不够了解3.缺乏专业工具，操作不规范更换不同厂家SFC的晶闸管，需要各个厂家的专业工具，而原有操作过程中，使用的是临时制作的垫片进行作业，安全性和可靠性都很差；更换触发板也需要专门的内六角扳手，原有操作过程中，经常使用尖嘴钳拆卸和安装触发板4.SFC主回路属于高电压、大电流线路，其故障处理操作复杂，步骤较多，而且设备系统较复杂，危险隐患较多，如SFC功率柜清扫维护就属于车间级危险作业现有作业过程对高压设备电压等级等确认不足，易引发事故。

2.2改进思路在分析了以往多次SFC晶闸管故障处理案例和原有故障处理操作方法后，我们总结出了以下的改进思路：1. 根据SFC故障代码、指示灯的含义，总结出故障处理时可直接查询和故障定位的手册；丰富检测和故障诊断手段，掌握SFC输出曲线记录和诊断故障的方法现场SFC都提供了电网侧和电机侧的电压电流测量接口，通过监控SFC输入输出实时曲线，可准确判断出故障晶闸管或触发板的位置；各厂家SFC针对不同的故障都提供了指示灯和故障代码，总结这些信息含义，并直接给出故障代码与晶闸管编号对照表，可提高故障定位和处理效率2. 多采用静态测试方法，减少设备拆卸次数，避免反复开机查找故障点根据晶闸管通断原理和触发板工作原理，找出测试其是否故障的方法，直接检测单个晶闸管和触发板是否能导通，并监测触发板的触发脉冲电流波形单纯采用备件更换测试不仅需要较多的备件，费时费力，而拆卸、安装设备时间长，测试过程中对电气设备和机械的损害也较大3. 拆卸安装晶闸管和触发板应采用专业工具，并根据厂家技术手册，制定标准化和可行性高的操作规程，保证安装到位和规范性；并且晶闸管电路属于（中）高电压、大电流线路，其主回路电路电压在2kV至6.5kV之间，SFC的停电、检测、拆卸和安装等操作，应严格遵循安全标准化和安全操作规程作业，确保在高压柜内的作业安全。

4. 总结和分析以往的晶闸管故障处理案例，整理和规范整个故障诊断到处理的思路和步骤，如图3图3 晶闸管故障处理思路3、操作法的改进、实施及效果根据上面思路，新改进的操作法如下：3.1查阅故障代码对照表，定位故障晶闸管或脉冲板以西门子SINAMICS GL150系统为例，当出现晶闸管或触发脉冲板故障时，SFC的操作面板会出现故障代码，6072EDCBA（如，607210111）根据技术手册，此代码前4位（6072）表示至少1个晶闸管出现故障，后5位用于确认故障晶闸管的位置，参照表1代码位意义取值范围E桥臂号取值为1-6表示故障位于1-6号桥臂D晶闸管号取值为1-6表示故障位于1-6号晶闸管C双桥臂或无关一般为0B整流侧或逆变侧为1时表示故障位于整流侧；为2时表示故障位于逆变侧A系统1或系统2为1时表示故障位于系统1；为2时表示故障位于系统2表1 五鼓风SFC故障代码含义3.2 采集和分析SFC的整流侧、逆变侧的电压、电流输出波形，确认故障晶闸管位置SFC正常运行时，系统1与系统2的整流、逆变输出电流波形应对称在断续阶段，其整流器1与2输出直流电流应对称出现缺口，逆变器的三相电流波形也应对称；在负载换流阶段，整流器1与2输出直流电流应保持连续，逆变器输出电流应三相对称，并上半波与下半波对称完整。

若逆变侧波形出现缺口或不对称，则可根据SFC晶闸管主回路结构，判断是哪一晶闸管故障以SINAMICS GL150系统为例，根据SFC主回路结构和晶闸管导通顺序，可得出波形缺失与逆变器晶闸管故障位置的对照表2晶闸管故障编号U相电流波形V相电流波形W相电流波形V111负半波全部缺失部分正半波缺失部分正半波缺失V121部分负半波缺失部分负半波缺失正半波全部缺失V131部分正半波缺失负半波全部缺失部分正半波缺失V141正半波全部缺失部分负半波缺失部分负半波缺失V151部分正半波缺失部分正半波缺失负半波全部缺失V161正半波全部缺失负半波全部缺失正半波全部缺失表2 SFC波形缺失与逆变器晶闸管故障位置的对照表现场SFC都设计有电流、电压测试接口，一般都在控制器模块上配有可插入示波器探头的插口，或是可通过通讯方式实时显示电压、电流波形 SINAMICS GL150系统通过Profibus-DP通讯方式将SFC连接监控电脑（接至励磁机S7300CPU模块上的DP接口），在SFC编程软件STARTER中使用示波器功能，监视SFC的电压电流参数并记录波形STARTER中参数与SFC的电流、电压测量值对照如表3。

STARTER参数SFC测量值VECTOGL_02.r6760.0电机侧WV电压VECTOGL_02.r6761.0电机侧WU电压VECTOGL_02.r6762.0系统1，整流侧IU1电流VECTOGL_02.r6762.1系统2，整流侧IU1电流VECTOGL_02.r6763.0系统1，整流侧IW1电流VECTOGL_02.r6763.1系统2，整流侧IW1电流VECTOGL_02.r6764.0系统1，电机侧IU2电流VECTOGL_02.r6764.1系统2，电机侧IU2电流VECTOGL_02.r6765.0系统1，电机侧IW2电流VECTOGL_02.r6765.1系统2，电机侧IU2电流表3 SFC参数与电流、电压测量值对照表SFC正常启动时的系统2，电机侧IU2电流波形如图5图5 五鼓风SFC系统2，电机侧IU2电流波形图3.3静态测试单个晶闸管和触发脉冲板，确认是否故障1）测试单个晶闸管根据晶闸管导通原理，采用能源总厂专家张铨基发明的晶闸管测试仪（获得国家发明金奖），可测试单个晶闸管是否故障，操作如下：① 将晶闸管测试仪的A端，K端和G端分别接至晶闸管的A端，K端和G端，A端和K端都接至散热片，G端接至触发板的X8端子。

② 测试晶闸管漏电流大小：由测试仪在A端和K端建立1000V左右的正向偏置电压，不加触发脉冲，若检测流过晶闸管的漏电流大于10mA，说明晶闸管被击穿③ 测试晶闸管导通能力：由测试仪在A端和K端建立足够开通晶闸管的电压（几十伏特即可），再按下发出触发脉冲按钮，尝试导通晶闸管，并不断通过测试仪的旋钮改变触发角，读取流过晶闸管的电流和A、K端的压降：若电流大于70mA，A,K端电压低于1V，则晶闸管可正常运行；若测试仪发出触发脉冲后，晶闸管始终未流过电流，说明晶闸管无法导通，存在故障2）测试单组触发板和晶闸管是否正常工作1、以西门子SFC晶闸管触发回路为例，其测试回路接线如图8图8 触发板静态测试接线图测试步骤：（1）确认主回路中无高压电，并且进出断路器已分，地线已挂接2）在SFC主回路晶闸管（整流、逆变均可）阵列中，参照接线图，选择任一晶闸管，断开阻容回路与触发板的接线，并完成接线：①在其A端散热片上接直流110V的L，在K端散热片上串入负载（如指示灯、20KΩ电阻等），再接入直流110V的M端；②将晶闸管A端接至触发板X3端，晶闸管K端接至触发板X5端，X5端与X7（晶闸管的触发-管脚）短接；③触发板接入直流24V电源（必须选可调输出范围的电源，将输出值调至26V以上），在X4（L），X8(M)端接入；④触发板触发电流输出+端（X8）接至晶闸管的触发+管脚（较窄的管脚），触发板触发电流输出-端（X7）接至晶闸管的触发-管脚（较宽的管脚）。

3）参照A17 SAV17与触发脉冲板的光纤接线顺序，先不接通直流110V电源，在SAV21上拆下测试晶闸管的接收端光纤，并拆下对应触发脉冲板上接收端的光纤，由红光源对接此光纤发出光信号，发出常亮信号，观察触发板的接收端侧光纤是否收到光信号；若接收正常，将光纤插入触发板接收端，接通直流110V电源，由红光源发出常亮信号，测试晶闸管是否导通，若无法导通，可转动光源，改变光线方向测试是否导通，导通时晶闸管压降将为20V左右4）观察负载指示灯是否亮，测量晶闸管两端的电压降是否变为导通状态，若正常导通应低于20V；将分流器（75A/45mV）串接入触发板输出端X8与晶闸管的K端之间，用示波器监测触发电流曲线正常触发脉冲电流参考曲线如图，晶闸管两端为额定电压下，顶点值为7.8A，电流上升率为20A/uS5）全部测试完后，应拆除所有临时接线，三清退场3.4制定更换故障晶闸管和触发脉冲板安全标准化作业方案，并严格执行1）制定详细安全作业方案，规范高压安全作业确认制度，并引入二次作业票制度，确保作业安全参照能源总厂继控室车间级危险作业方案《二鼓风高压启动变频器功率柜维护检修操作》，在进入SFC功率柜作业前，应采取如下措施：1、与现场负责维护人员一起确认停电的开关及操作准备。

2、让站所操作人员将变频器电源进、出线开关处分闸位并拖至试验位置必须确认的开关如下：进线开关出线开关二鼓风站A13 ，A23A14 ， A243、在已停电的开关上挂停电检修警示牌，在整流变压器和逆变变压器布置红布遮拦，并与站所操作人员互相确认无误4、让站所操作人员打开高压启动变频功率柜柜门，用高压试电笔确认无电5、让站所操作人员对确认无电设备放电，并在SFC主回路进线和出线侧挂接地线，确认无误后，方可进行故障处理操作实施步骤危险因素安全措施作业前1、电气设备1、站所操作人员应将试验区域内设备所有可能来电的电源全部断开，并与带电部位可靠隔离2、无安全标志1、站所操作人员将变频器进线开关、出线开关处于分闸位，并拖至试验位置，并悬挂“有人工作 禁止合闸”标志牌2、在整流、逆变变压器布置红布遮拦，防止有人靠近3、（电气）未接地1、站所操作人员应将变频器功率柜进线侧使用截面符合要求的临时接地线进行接地，接地线必须接在裸露金属部位2、落实停电措施时实行“一摸、二看、三上场”的确认作业中1、电气设备1、在功率柜内接测量线路时，必须与现场人员确认测量回路的等级、容量，防止将高压接入测试设备，同时必须一人进行安全监护，并确认接线。

2、拆卸线路必须做好标记，用绝缘胶布包好线头3、拆卸线路进行测试，必须填写二次工作确认票，拆卸每一根线路都必须做好确认和恢复，防止有线路拆下未还原4、恢复送电前，应拆除所有接地线，防止带地线合闸作业后未执行三清退场作业完成必须执行三清退场的作业要求突发事故预想突发触电事故或装置故障立即停止工作，同时通知值班人员，与值班人员协商善后处置注意：严禁直接将单个晶闸管的触发脉冲板或触发回路接入测试仪器，会将主回路的高电压接入测试仪器，造成人身和设备事故2）针对各个站所的SFC制定晶闸管和触发脉冲板安装和拆卸方案以SINAMICS GL150系统为例晶闸管的拆卸操作步骤：①断开晶闸管的触发回路②将叉形扳手插入晶闸管阵列顶部的导向螺栓卡槽内，卡住整个阵列，防止底部螺栓松动后阵列下滑③用力矩扳手松开阵列底部的固定螺栓，这样就可以拉开各个晶闸管之间的间距，取出晶闸管④在松开底部的固定螺栓后，即可取出晶闸管，并做好设备安装记录，记录下晶闸管编号晶闸管的安装操作步骤：①用工业级乙醇清洁晶闸管和散热片表面②在晶闸管接触面涂上导电保护涂层③按如下步骤，立即插入晶闸管注意：注意晶闸管的安装位置，特别是晶闸管极性。

晶闸管的表面注明有晶闸管极性的信息l 从正对散热片塑料螺栓的方向推入晶闸管，确保晶闸管定位到正中间位置l 用力矩扳手上紧固定螺栓，直到叉形扳手能轻松地取出 当固定螺栓的槽与顶板的表面平齐时，说明钳力使用正确l 做好设备安装记录，记录好安装的晶闸管编号l 接上触发回路，防止极性接错触发板的拆卸和安装步骤：①在线路上做好标记：标注好光纤的接收端和发送端，触发信号的A端，G端和K端②拆下所有线路，包括光纤注意不可触碰旁边的电容，可能带有高压③采用内六角扳手，拆下所有螺母④装上触发板备件，采用内六角扳手，安装所有螺母⑤用工业乙醇（乙醇含量80%以上）清洗光纤，尤其是光纤头⑥插入光纤，注意光纤的接收端和发送端；注意光纤插入的深度，确保光纤上的白色环与光纤接口的滚花螺母口对齐白色环滚花螺母光纤⑦按标记，插上其他接线（尖嘴钳），确认接线顺序和紧固程度注意不可触碰旁边的电容，可能带有高压⑧检查及确认所有接线顺序是否正确，及是否接触是否良好，是否紧固3.4原操作法与新操作法对比⑴、故障诊断手段和处理时间对比原操作法缺乏对故障代码分析和检测手段，需要多次开机测试，容易对机械和电气设备造成损坏新操作法采用多种故障定位方法，通过解析故障代码，测试启动曲线，并静态地单独测试晶闸管和脉冲板，并记录触发脉冲波形，即可较准确地完成故障定位，再有的放矢地更换备件，大大提高效率。

故障定位方法诊断手段原操作法经验法，试错法反复更换备件，或2个系统互换定位故障点，效率低，较盲目，必须反复试验，设备冲击大，思路性较差新操作法①由故障代码对照表定位②对比正常和故障曲线③静态检测单个晶闸管和脉冲板①直接根据总结好的故障代码与晶闸管编号对应表定位故障；②测试启动曲线，对比正常曲线完成定位；③单独静态地测试每一个晶闸管，确认其是否故障，避免盲目开机测试元件原操作法处理时间新操作法处理时间2012年7月处理五鼓风LCI晶闸管故障，未了解故障代码含义无法定位故障点，待西门子技术人员赶来后才找到故障点超过24小时2015年6月处理五鼓风LCI晶闸管故障，根据故障代码迅速定位V151触发板，更换后SFC正常运行2.5小时2013年7月处理二鼓风晶闸管故障，多次更换备件测试仍无法定位，在西门子技术人员指导下记录波形找出故障点6天2014年2月处理CCPP燃机LCI无法启动，监视启动曲线发现LCI无电压电流输出，更换故障模块后SFC正常运行2.5小时 ⑵、操作工具和仪器对比原操作法使用的多是临时性工具，精度差，效率低，安装可靠性难以保证，而且缺乏标准操作手册，只能边干边摸索；而新操作法都是专业工具如更换触发板使用多套内六角，更换晶闸管使用专用的叉状扳手，力矩扳手，套筒扳手等等，并根据厂家技术手册制定了操作规程，拆卸和安装晶闸管和脉冲板更规范，准确可靠。

而且新操作法中使用能源总厂专家发明的晶闸管测试仪，可准确地测试每一晶闸管是否故障叉状扳手自制临时工具多套内六角扳手⑶、操作安全性对比原操作法未严格制定安全操作规程，分析安全隐患，而新操作法总结了以往故障处理过程中的经验教训，并参考了能源总厂继控室车间级危险作业方案《二鼓风高压启动变频器功率柜维护检修操作》，分析了现场安全隐患，并制定了对策措施，提高了现场作业的安全性，防止事故发生4、改进效果2014年1月采用新操作法以来，SFC的故障诊断和定位更具有理论性和分析性，减少了盲目测试，并且的故障现场处理手段更丰富，尤其是测量手段大大丰富，既可以测量和记录SFC的实时输出曲线，也可以单独测量晶闸管和脉冲板，大大提高了故障处理效率和故障定位的准确性；并且通过制定相应的安全措施，大大提高了高压柜内作业的安全性，降低了设备故障扩大和人身伤害的可能性该操作法部分内容（二鼓风）2015年3月已形成标准化操作编入《武汉钢铁股份有限公司技术规程（B标准）能源动力总厂继电保护及控制室二鼓风西门子变频器维护技术规程》，编号Q/WG-B-NY-0260149-2015A。