變電站高頻開關整流模塊頻繁故障分析

前言

變電站直流系統為站內控制系統、繼電保護、信號裝置、自動裝置及事故照明提供可靠的電源，在事故情況下通過蓄電池保證持續供電，對變電站安全運行至關重要。人們常把整流模塊比喻為是直流系統的「心臟」，安全可靠的整流模塊，是保證直流系統穩定運行的關鍵。根據我司歷年繼電保護二次故障統計結果，發現直流整流模塊的故障率大約佔二次缺陷的10%，嚴重影響了直流供電的可靠運行，增多了檢修的工作量，本篇文章將對故障產生的原因分析，防患此類家族式缺陷事在必行。

一、整流模塊工作原理

變電站內的直流系統主要由交流輸入及切換單元、整流模塊、蓄電池組、直流迴路及饋線、絕緣監測、調壓裝置、微機控制系統等幾部分組成，高頻開關整流模塊（以下簡稱「整流模塊」）主要作用是將三相交流電整定成為具有額定電壓的直流電，通過多台整流模塊並聯運行向直流負荷供電，並同時對蓄電池充電。由於此類整流模塊具有體積小重量輕、效率高雜訊低等優點，在電力系統得到了廣泛的運用。

整流模塊採用全橋移相軟開關技術，其工作原理為：三相交流電輸入後，先經EMI濾波，再經三相全波整流變成高壓直流電，經全橋移相逆變、整流為140kHz左右的脈衝電壓波，經濾波後輸出220V的直流電。

圖1整流模塊原理框圖

二、整流模塊在實際工作中的情況

班組僅2017年處理整流模塊及UPS電源等高功率設備缺陷就高達30餘起，基本上都是模塊過溫導致裝置停止工作或者損壞，且該問題又集中出現在夏季，經統計分析，我司造成此類故障的原因多是整流模塊內部的散熱風扇卡澀嚴重或燒壞，整流模塊故障已成為變電站直流系統中具有代表性的家族性缺陷。

整流模塊內部空間狹窄，運行時會產生大量的熱量，模塊採用強迫風冷方式，需要啟動風扇散熱。整流模塊平時工作在高功率、高溫狀態下，散熱條件的好壞，直接影響模塊的可靠和安全，這也是造成模塊停止工作和損壞的重要原因。根據日常運維數據和廠家資料模塊輸出與溫度關係：

55℃環境溫度以下，模塊可以滿功率2900W輸出；

65℃環境溫度，模塊最大輸出功率為2320W；

70℃環境溫度，模塊最大輸出功率為1450W；

75℃環境溫度，模塊最大輸出功率為。

由上圖可以看出，當環境溫度高於55℃後，模塊最大輸出功率隨著溫度的升高而逐漸降低，當環境溫度高於75℃後，模塊停止工作。我司採用的高頻開關整流模塊本身具有過溫保護功能，當模塊中散熱器溫度超過75℃時整流模塊將自動停機，並且為微機直流監控裝置報「整流模塊X（X為其編號，如1、2、3等）告警」，溫度降低至正常後會又自動啟動，進入正常運行，微機直流監控裝置報「整流器模塊X告警復歸」。當散熱風扇停止轉動，整流模塊溫度過高時只能通過停機降溫再啟動，這樣頻繁地切換工作狀態不僅在站端和控端產生了大量的報文，給監控人員造成不便，還縮短了設備的使用周期壽命。

三、整流模塊故障的種類及原因分析

以下從四個方面闡述引起此類故障的原因：

（一）清潔方面

儘管主控室長期處於封閉的空間，但有些變電站周圍空氣質量較差，且模塊採用強迫風冷方式降溫，散熱通道採用敞開式結構，使得灰塵容易進入模塊內部的電路板和防塵網罩上。下圖是10kV環城開閉所UPS（UPS散熱風扇也存在相同問題）防塵網罩灰塵對比圖，在散熱風扇排風口處的防塵網罩上積有厚厚的灰，而進風口處灰塵相較少很多，可以直觀的看到灰塵嚴重堵塞了散熱通道，對散熱造成了一定的影響。當模塊內部落滿灰塵後，在潮濕的條件下很容易因內部短路引起模塊損壞，所以內部清潔不良是頻發故障的一個重要原因。

UPS防塵網罩

（二）散熱方面

經統計分析，我司整流模塊的散熱風扇故障率較高。整流模塊的散熱風扇採用的是含油軸承風扇，使用潤滑油作為潤滑劑和減阻劑。該風扇軸承製造成本低，初期使用時運行噪音也低，但是這種軸承磨損嚴重，壽命較滾珠軸承有很大差距，而且這種軸承使用時間一長，由於油封的原因，潤滑油會逐漸揮發。夏季由於風扇長期轉動，加快了空氣流動，使大量灰塵聚集，加之風扇扇葉與空氣摩擦產生靜電，而帶電體具有吸引輕小物體的性質，久而久之，灰塵會被吸在扇葉上，而且風扇的軸和軸承之間的間隙過大，灰塵容易被吸入，與儲存在軸承周圍之潤滑油混合成油泥，從而引起風扇轉速變慢，噪音增大等問題，嚴重的還會因為軸承磨損造成風扇偏心引發劇烈震動，甚至卡死不轉。散熱風扇的軸承不密封會使整流模塊散熱不佳，是導致整流模塊故障的重要因素。

損壞的散熱風扇

（三）運行年限方面

通過對損壞的整流模塊運行統計分析可以看出，模塊運行年限較長出現損壞的概率較大，如建站時間長的110kV遂南變電站僅17年風扇出現了3次損壞，當整流模塊內部電子元件達到或超過使用壽命，超期服役會大大降低其運行的穩定性和可靠性。

（四）環境溫度方面

溫度的逐漸升高將會使電子元器件的失效率幾乎呈指數規律增長，整流模塊擁有發熱的大功率器件，溫度是影響其可靠性的重要因素。以前，夏季的高溫加上設備發出的大量熱量，令主控室設備長期處於不良的工作環境，提高了故障的發生率。隨著公司「科技興企、二次創業」戰略的實施，變電站主控室安上了空調，使主控室在夏季能將室內環境溫度維持在較低的水平，降低了整流模塊故障的次數。

四、降低整流模塊故障的預控措施

我們通常採用更換損壞的散熱風扇和將損壞的整流模塊返廠維修來處理此類缺陷，處理方法雖然相對簡單直接，但過程十分繁瑣，且班組人手較少，專程派組成員處理這一個缺陷，十分浪費人力與時間，並且整流模塊生產廠家所售的原裝風扇售價不便宜，所以日常的維護保養顯得十分重要。

（一）提高運行、檢修人員設備運行巡視的水平

建議運行人員在日常的設備巡視中，將整流模塊和UPS溫度檢查列入設備巡視項目，檢查內容包括：內部是否有異響，發熱是否嚴重，排風口是否有風排出等。檢修人員定期清理整流模塊、UPS模塊內的灰塵，相關的除塵步驟已經上傳在了運維檢修繼保班公眾號中。在高溫季節，運行人員不僅要檢查室內溫度是否過熱，還要加強整流模塊、UPS模塊的檢查力度，檢修人員增加清灰次數，「迎峰度夏」期間至少每月使用吹風機徹底清理整流模塊和UPS的灰塵。

檢修人員用吹風機清理整流模塊的灰塵

（二）建立設備壽命全周期管理台賬

鑒於散熱風扇故障的高發生率，建立該設備的壽命全周期管理台賬，清楚記錄每個變電站整流模塊的散熱風扇安裝日期及損壞日期，通過長期的數據記錄，統計總結出其使用周期，提前預防故障的發生；

（三）向設備生產廠家提出生產工藝的建議

我司變電站直流系統90%採用許繼電源公司直流系統，整流模塊風扇更換十分不便，且運維人員無法完成，為降低整流模塊的故障率，可向許繼電源公司針對常出故障的某系列整流模塊提出技術上的改進，例如將散熱風扇的安裝位置作出調整，改為插拔式安裝，便於定期對風扇進行輪換維護；更換所有非軸承密封型散熱風扇。

五、結語

綜上所述，整流模塊作為直流系統的核心設備，是整個直流系統穩定運行的保障。因此，運維、檢修人員需要認真做好整流模塊的維護工作，結合實際，不斷分析總結，提出具有針對性的預防和整改措施，保證直流系統的正常、穩定與安全運行。

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