吳桃

摘 要：直流系統(tǒng)是水電站重要的電源之一，其控制母線、合閘母線承載了全站信號(hào)、保護(hù)、自動(dòng)裝置、事故照明、應(yīng)急電源及斷路器分合閘等負(fù)荷。高頻整流模塊是直流系統(tǒng)的主要元件，其安全穩(wěn)定運(yùn)行決定了直流系統(tǒng)供電的可靠性。本文分析了某水電站高頻整流模塊損壞的現(xiàn)象，并探討了故障原因，提出了降低高頻整流模塊故障率的可行性措施，以期為降低水電站的運(yùn)營成本助力。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng);高頻整流模塊;故障

中圖分類號(hào)：TV738文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）16-0071-03

Abstract： DC system is one of the important power sources of hydropower station. Its control generatrix and closing generatrix bear the load of signal， protection， automatic device， emergency lighting， emergency power supply and breaker opening and closing. High frequency rectifier module is the key equipment of DC system， its safe and stable operation is an important guarantee to improve the reliability of DC system power supply. This paper analyzed the damage of high-frequency rectifier module in a hydropower station， discussed the fault causes， and put forward feasible measures to reduce the fault rate of high-frequency rectifier module， in order to help reduce the operation cost of hydropower station.

Keywords： DC system;high frequency rectifier module;fault

某裝機(jī)720 MW的水電站配有4套220 V直流系統(tǒng)，即公用設(shè)備直流、機(jī)組直流、GIS直流、接入設(shè)備直流，每套直流系統(tǒng)都由充電屏、聯(lián)絡(luò)屏、饋電屏、蓄電池組等組成。充電屏采用（N+1）冗余設(shè)計(jì)，用備份的方式由高頻整流模塊將交流400 V電壓整定為具有額定電壓的直流電，向蓄電池組進(jìn)行均充或浮充電，以及向經(jīng)常性負(fù)荷提供直流電源[1];當(dāng)控制負(fù)荷、動(dòng)力負(fù)荷需要較大的沖擊電流（如直流電機(jī)啟動(dòng)）時(shí)，由整流裝置與蓄電池并列運(yùn)行供電;當(dāng)400 V交流市電失電時(shí)，由蓄電池組提供應(yīng)急電源;當(dāng)市電恢復(fù)后，整流裝置根據(jù)監(jiān)控裝置自動(dòng)下發(fā)的開機(jī)令運(yùn)行，并進(jìn)入正常充電模式。

該水電站使用的某型高頻整流模塊單元，采用兩回380 V交流電源輸入，兩回交流通過雙電源開關(guān)自動(dòng)切換，互為備用。同時(shí)，當(dāng)某一整流模塊因故退出運(yùn)行時(shí)，該整流裝置仍然滿足負(fù)載要求;但當(dāng)有2個(gè)及以上整流模塊故障時(shí)，應(yīng)切換該套整流裝置至備用裝置。高頻整流模塊采用自冷和風(fēng)冷相結(jié)合的散熱方式，每個(gè)模塊具有自動(dòng)控制功能，可根據(jù)設(shè)定模式自主控制和調(diào)整輸入輸出電壓、輸出電流，并發(fā)送保護(hù)、報(bào)警信號(hào)。正常運(yùn)行過程中，整流單元接受監(jiān)控單元下發(fā)的命令，完成對(duì)負(fù)載的供電。

該水電站自投運(yùn)至今，高頻整流模塊頻繁發(fā)生損壞的情況。特別是在蓄電池組核對(duì)性放電試驗(yàn)后，充電屏對(duì)蓄電池組進(jìn)行均充過程中，高頻整流模塊長時(shí)間負(fù)載大電流，容易導(dǎo)致模塊元器件燒毀。在日常運(yùn)行過程中，偶而會(huì)出現(xiàn)輸出過壓、輸出欠壓、輸出無電流、過溫保護(hù)等問題，分析為高頻整流模塊元器件質(zhì)量問題。

1 高頻整流模塊工作原理

高頻整流模塊的首要作用是將交流電源整定成具有恒定電壓的直流電，為蓄電池組充電，并向各種直流設(shè)備供電，是整流裝置的關(guān)鍵性部件。高頻整流模塊的工作原理是首先對(duì)交流輸入進(jìn)行防雷處理和EMI濾波，然后通過整流橋直接對(duì)AC220/380 V進(jìn)行整流和無源PFC（Power Factor Corrector）轉(zhuǎn)換成高壓直流，再通過橋式PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度變調(diào)）電路逆變?yōu)楦哳l交流，經(jīng)高頻變壓器隔離降壓后通過高頻整流濾波成為直流電，最后經(jīng)EMI濾波和防反接保護(hù)輸出[2]。工作原理如圖1所示。

2 高頻整流模塊故障現(xiàn)象及原因

2.1 故障現(xiàn)象

故障現(xiàn)象一：上位機(jī)系統(tǒng)收到“開關(guān)站直流系統(tǒng)1號(hào)充電屏告警”信號(hào)，對(duì)所在屏柜進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)開關(guān)站直流1號(hào)充電屏2號(hào)高頻模塊有焦臭味。取下該模塊并將箱殼拆卸后發(fā)現(xiàn)模塊內(nèi)部整潔，無雜物，除燒焦處有明顯元器件損壞現(xiàn)象外，其余各元器件外觀保持良好，無異常。高頻整流模塊1號(hào)電容器燒損最為嚴(yán)重，同時(shí)引起周邊元器件燒損。通過檢查還發(fā)現(xiàn)，板件上其他元器件都正常，旁邊電流互感線圈及電纜接線僅被熏黑，電纜未破損。高頻模塊燒焦處如圖2所示。

故障現(xiàn)象二：機(jī)組直流3號(hào)充電屏3號(hào)高頻模塊運(yùn)行過程中，監(jiān)控裝置上“模塊過壓輸出”告警，輸出電壓達(dá)到250 V并有持續(xù)上升的趨勢(shì)，模塊“保護(hù)”指示燈點(diǎn)亮，其余模塊正常輸出電壓235 V。3號(hào)充電屏作為備用充電裝置，未帶負(fù)載運(yùn)行。起初懷疑是監(jiān)控裝置定值設(shè)定錯(cuò)誤引起的，經(jīng)查詢參數(shù)，發(fā)現(xiàn)設(shè)置正確，浮充電壓235 V，均充電壓245 V，模塊輸出電壓已超過設(shè)定值。

故障現(xiàn)象三：開關(guān)站直流2號(hào)充電屏4號(hào)高頻模塊運(yùn)行過程中，輸出電壓為226 V，模塊“保護(hù)”指示燈點(diǎn)亮，其余模塊正常輸出電壓235 V。開關(guān)站直流2號(hào)充電屏與蓄電池組并列運(yùn)行，該充電屏共有5臺(tái)高頻模塊，最大輸出電流為150 A，日常負(fù)載電流穩(wěn)定、不超過20 A。故障時(shí)未進(jìn)行操作任務(wù)，不存在大負(fù)荷拉低電壓的情況。

故障現(xiàn)象四：公用直流1號(hào)充電屏正常運(yùn)行時(shí)，2號(hào)高頻模塊輸出電流為0 A，無故障告警信號(hào)，其余模塊正常輸出負(fù)載電流。屏上監(jiān)控裝置與各個(gè)高頻模塊通信，根據(jù)負(fù)載電流，實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊均流輸出。查詢輸出電流曲線發(fā)現(xiàn)，故障前后，總輸出電流恒定，故障模塊輸出電流陡降至0 A，其余模塊輸出電流上升，均攤了故障模塊的輸出電流。

故障現(xiàn)象五：機(jī)組直流2號(hào)充電屏1號(hào)高頻模塊運(yùn)行過程中，監(jiān)控裝置上“模塊故障”信號(hào)告警，模塊“保護(hù)”指示燈點(diǎn)亮，并進(jìn)入自鎖模式，輸出電壓、電流分別為220 V、0 A，其余模塊運(yùn)行正常。檢查發(fā)現(xiàn)，模塊散熱風(fēng)機(jī)停運(yùn)，外殼溫度較高。

2.2 故障原因分析

對(duì)多次出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行匯總分析，歸納總結(jié)出以下原因。

①參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤[3]。其一，高頻整流模塊參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤造成的。高頻整流模塊的通信設(shè)置，通過監(jiān)控板上的8位撥碼開關(guān)來完成與監(jiān)控裝置通信后，為主從關(guān)系，以監(jiān)控裝置為主。模塊菜單可以設(shè)置工作段數(shù)、通信地址、控母電壓、均/浮充電壓、過壓告警點(diǎn)、限流點(diǎn)、模塊型號(hào)等。因此，模塊設(shè)置的參數(shù)應(yīng)符合實(shí)際運(yùn)行方式，否則會(huì)出現(xiàn)超額、欠額運(yùn)行的現(xiàn)象。其二，監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)與電流傳感器量程不匹配。監(jiān)控系統(tǒng)作為設(shè)備中測(cè)控和管理的核心單元，其作用是：根據(jù)系統(tǒng)各功能模塊的運(yùn)行方式，預(yù)先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理或上傳，控制系統(tǒng)安全有效地運(yùn)行。由于高頻模塊輸出電流是通過安裝在母線上的電流傳感器或電流分流器測(cè)值反饋到微機(jī)監(jiān)控裝置的，由微機(jī)監(jiān)控裝置控制高頻模塊輸出電流，因此傳感器量程標(biāo)定將直接影響高頻模塊的輸出。

②高頻整流模塊航空插頭接觸不良。模塊輸入、輸出的各種信號(hào)都要通過其后面的航空插座連接，若接觸不良或插針斷裂，均會(huì)引起模塊異常運(yùn)行。

③交流輸入電壓波動(dòng)。直流系統(tǒng)交流電源為機(jī)組400 V自用電。自用電中帶有較大功率的油泵、水泵等負(fù)載，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，母線電壓波動(dòng)較大，也會(huì)引起模塊輸入電壓回路發(fā)生故障。

④室內(nèi)通風(fēng)不良，高頻模塊散熱效果差。高頻模塊屬于整流型元器件，在運(yùn)行過程中發(fā)熱量較大，屏柜密閉情況下，降低了散熱效果。此外，高頻模塊風(fēng)機(jī)故障停運(yùn)亦影響其散熱揮發(fā)。此外，模塊在風(fēng)機(jī)作用下，積灰較嚴(yán)重，也不利于其散熱。

⑤高頻模塊可靠性差，元器件易損壞。該批次高頻模塊及模塊內(nèi)電容、電阻等元器件已使用近10年，因此，近期集中出現(xiàn)了問題。為此，將故障模塊退回生產(chǎn)商，責(zé)其維修。尤其是抗干擾電容器老化，在高頻模塊故障時(shí)帶有66%的負(fù)載，抗干擾電容內(nèi)部溫度過高、內(nèi)部壓強(qiáng)超高，從而導(dǎo)致短路，把充電屏的開關(guān)頂跳，并把保護(hù)層擊穿，瞬間釋放高溫，把另一個(gè)抗干擾電容的保護(hù)層燒焦。

3 高頻整流模塊故障解決措施

第一，排查站內(nèi)直流系統(tǒng)監(jiān)控裝置、高頻模塊、電流傳感器、蓄電池組、電流/電壓表等設(shè)備的參數(shù)，保證其符合運(yùn)行要求。經(jīng)排查，機(jī)組、公用、開關(guān)站直流系統(tǒng)監(jiān)控裝置電流變比與電流傳感器變比值不一致，修改后，蓄電池組、母線電流與模塊總輸出電流相等。

第二，排查過程中發(fā)現(xiàn)，其中1臺(tái)高頻模塊航空插座插針?biāo)蓜?dòng)，導(dǎo)致模塊內(nèi)電流采樣回路存在問題，其輸出電流為0 A。為此，可在設(shè)備檢修時(shí)，緊固航空插座或更換插座，確保其連接可靠。

第三，為防止雷擊對(duì)電壓的沖擊，可在輸入電壓進(jìn)線處增加防雷器等可靠的避雷設(shè)施。

第四，降低直流屏柜溫度，為模塊穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造良好的環(huán)境。尤其是在夏季，受氣溫影響，加上模塊元器件自身發(fā)熱大，導(dǎo)致直流屏柜溫度高，因此解決其散熱問題成為主要關(guān)注點(diǎn)[4]。若設(shè)備室內(nèi)有空調(diào)，則可將空調(diào)溫度設(shè)置在20 ℃以下，同時(shí)可在屏柜左右兩扇門的上下側(cè)分別增加散熱孔，下側(cè)兩孔為進(jìn)氣孔，上側(cè)兩孔安裝風(fēng)扇，加強(qiáng)氣流流通性。

第五，長期處于運(yùn)行狀態(tài)的模塊，其內(nèi)部、風(fēng)扇罩及防塵網(wǎng)上積灰嚴(yán)重。因此，要定期清除灰塵，在提高散熱效果的同時(shí)，防止模塊內(nèi)部元器件短路[4]。

第六，針對(duì)模塊質(zhì)量不可靠、元件易損壞等問題，若生產(chǎn)商不能維修，則由其提供新模塊進(jìn)行更換;若能維修，維修完成后，要進(jìn)行出廠試驗(yàn)，檢驗(yàn)其性能是否滿足長期穩(wěn)定運(yùn)行的要求[5]。

4 結(jié)語

將以上措施付諸實(shí)踐后，該水電站高頻整流模塊故障率顯著降低，設(shè)備運(yùn)行情況穩(wěn)定。尤其是增加屏柜散熱孔、安裝排風(fēng)扇后，改善了設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，明顯降低了高頻整流模塊的運(yùn)行溫度。此外，對(duì)高頻整流模塊定期檢查和清灰亦及時(shí)排除了故障可能性。

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