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[摘 要]某海上平台油气外输系统中压电机驱动系统选用了施耐德公司生产的中压变频调速驱动。中压变频器从2015年投运后基本没有发生过重故障事件，但从2019年底开始陆续出现重故障停机事件，导致平台混输泵关停，从而导致油田生产关停，严重影响了油田的正常安全生产。文章对中压变频器系统的结构、工作原理、重故障原因分析及预防措施等进行了介绍，提出了通过定期维护降低中压变频器的故障率，以提高油田油气外输系统的稳定性，保证油田的正常生产。
[關键词]油气混输;中压变频器;重故障;预防
[中图分类号]TM921.51 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–0–03
Cause Analysis and Prevention of Heavy Failure of Medium Voltage Inverter on Offshore Platform
Ding De-sheng
[Abstract]The medium voltage motor drive system of an offshore platform oil and gas transportation system uses the medium voltage variable frequency drive produced by Schneider. Since the medium voltage inverter was put into operation in 2015， there has been basically no serious fault incident， but since the end of 2019， serious fault shutdown incidents have occurred successively， which caused the shutdown of the platform mixing pump， which led to the shutdown of oilfield production and seriously affected the normal operation of the oilfield. Safe Production. The basic structure， principle， cause analysis and preventive measures of major faults of the medium voltage inverter system are introduced. Regular maintenance reduces the failure rate of the medium voltage inverter， improves the stability of the oil field oil and gas transmission system， and ensures the normal production of the oil field.
[Keywords]oil-gas mixed transportation; medium voltage frequency converter; serious fault; prevention
1 ATV1200系列中压变频调速系统的结构及工作原理
1.1 变频调速器系统的结构
ATV1200系列中压变频调速系统采用功率单元串联技术解决器件耐压问题，多级串联PWM信号移相后叠加，减少了输出侧谐波、降低输出电压的dV/dT;通过电流多重化技术减少对电网反馈的谐波，减小对电网的谐波污染;主控制器采用数字信号处理器、可编程门阵列为核心，配合数据采集单元、单元控制器和光纤通信回路以及可编程逻辑控制器（PLC）构成控制系统。
ATV1200系列中压变频调速系统分成必选组件及可选组件。必选组件如图1所示。标准配置组件如下。
（1）变压器柜。装有移相整流变压器，为各个功率单元提供交流输入电压。
（2）功率柜。装有模块化设计的多个功率单元级联式的逆变主回路，向电机提供逆变后的可调电压。
（3）控制柜。装有主控部件，控制变频调速系统的工作并处理采集获得的数据，具备人机界面各类数据通信接口和现场控制系统接口功能。
1.2 变频调速系统的工作原理
ATV1200系列中压变频调速系统的结构如图2所示，由移相变压器、功率单元和控制器组成。6.3 kV系列有18个功率单元，每6个功率单元串联构成一相（图中每相只画了5个功率单元）;图2为6.3 kV系列变频器的典型结构图。
输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组。根据电压等级和单元串联级数，一般由24、30、36、48、54脉冲系列等构成多级移相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置。
另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。
每个功率单元结构上完全一致，可以互换（备件种类单一），其电路结构示意见图3，为基本的交—直—交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制。
参见图2和图3，输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dV/dT小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于普通电机。 2 重故障原因分析
混输泵A/B泵中压变频器从2015年投运至2019年底，期间没有出现过变频器重故障事件，一直运行较稳定。但从2019年底A/B泵中压变频器陆续出现重故障停机事件，查看报警记录均为“驱动故障/光纤故障”，更换相应的报警功率单元，故障消除，变频器能正常运行。因此可以确定均为功率单元故障导致变频器报“重故障”。变频器功率单元故障的可能原因如下。
（1）用户现场电网质量（包括电压波动、电网谐波;负载波动：重载启动、甩负载等）可能导致电网电压、电流突变等情况。
（2）用户现场环境存在滤网堵塞、风道不畅等散热异常情况，导致设备环境温度过高，导致功率单元电子元器件故障损坏。
（3）变频器在停机、待机后设备受潮，导致功率单元上电子元器件受潮腐蚀损坏。
（4）功率单元电气元器件自然老化及自身质量问题。
根据故障的可能原因逐一进行排查：
（1）对电网质量进行排查。使用专用测量仪器对电网电压进行监测检测，电网电压比较稳定、电网谐波在允许的范围内。同时甩开电机负载对变频器进行空载测试，检测功率单元的输入及不同频率下的输出电压，均正常。因此可以排除电网质量的问题。
（2）中压变频器安装在平台中层主配电间内，配电间内安装有4台10P的分体空调，使室内温度常年保持在28℃左右，湿度常年保持在26%左右，不存在变频器停机、待机环境潮湿设备受潮腐蚀问题。
（3）对变频器通风散热系统进行排查，变压器柜及功率模块柜的散热风机均正常，但是发现功率柜的进风口滤网积尘较多，造成滤网堵塞，从而使功率柜通风散热差，导致内部环境温度过高，功率单元长时间处于高温下运行，加速了内部电气元器件的老化，从而缩短电气元器件的使用寿命。检修人员随即对脏堵滤网进行了清洁，但是在滤网清洁后变频器仍有重故障停机事件。由于电气元器件的老化是不可逆现象，改善运行环境只能做到减缓失效发生的速度，无法避免故障的再次发生，这也解释了为什么在清洁进风口滤网后，变频器还是发生了重故障停机事件。如需彻底解决变频器重故障事件的再次发生，需要整体更换功率单元或对内部的单元控制板、驱动板进行更换。
3 故障预防措施
从现场使用情况及询问其他兄弟油田使用情况来看，施耐德ATV1200系列中壓变频器的故障率还是比较低的，很多故障是可以通过采取一定的措施来进行预防的。
3.1 人员培训及注意事项
（1）ATV1200系列中压变频器是一种技术含量较高的产品，需要对维护人员进行专业的培训工作。预防出现误操作导致设备损坏和人员伤亡事件。
（2）检测电机及动力电缆绝缘时，需要把动力电缆和变频器断开连接后再测量电机或动力电缆的绝缘，否则绝缘设备的高压会损坏变频器。
（3）定期检查变频器的接地情况，对损坏或松动的接地线要及时进行修复或紧固。
（4）变频器维护前需要断开主电源并隔离上锁，至少需要等待5min，待直流回路电容器充分放电后才能进行作业。
（5）变频器调试完成后已对相关参数进行设定，在运行中不能随意改变变频器的设定参数，如因故障检修等原因需改变参数设定时，需要专业技术人员来完成。
3.2 定期维护保养
3.2.1 变频器积尘处理及进风口滤网清洁
中压变频器对温度、湿度、粉尘的要求相对较高，需要根据变频器的实际运行状况做好变频器的积尘处理。变频器的绝缘间隙允许有少量干燥的尘埃，但必须避免导电性尘埃的出现。在变频器维护过程中，可以选择洁净、干燥的布擦拭柜子的所有表面。并定期把功率单元模块进行拆卸，使用洁净电器清洁器对内部电路板及元器件进行深度清洁。
变频器各柜体的滤网应每半个月左右清洁一次，保证功率单元的良好通风与散热。此时间可根据现场环境情况做适当调整。
3.2.2 更换功率单元的电容板
由于电容使用寿命都有一定周期，厂家建议运行6～8年左右需要对功率单元内部电容板进行更换。油田故障功率单元模块送回厂家进行维修检测时，发现电容板电容值都有不同程度的下降，需要做好年度维修计划更换电容板。
3.2.3 冷却风扇的维护及更换
对于空冷型变频器需要定期对柜体冷却风扇进行维护保养，对于可维护的风机根据相关规范定期更换风机的轴承，对于免维护的风机根据维护手册及相关规范定期更换新风机，从而保证变频器的稳定可靠运行。
4 结束语
油田混输泵变频器发生重故障停机事件后，能快速查找出故障点，并采取有效的措施进行处理，是提高设备运行效率的关键，更重要的是保证油田的正常安全生产，减少停产损失。这对变频器维护人员提出了更高的要求，因此需要加强变频器维护人员的培训，让他们掌握中压变频器的工作原理、结构及维护检修过程中的注意事项。此外还需要为变频器创造良好的运行环境，避免变频器在高温、高湿度及粉尘聚集的环境下运行，保证变频器稳定高效的运行。
参考文献
[1] 仲明振，赵相宾高压变频器应用手册[M].北京：机械工业出版社，2009.
[關键词]油气混输;中压变频器;重故障;预防
[中图分类号]TM921.51 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–0–03
Cause Analysis and Prevention of Heavy Failure of Medium Voltage Inverter on Offshore Platform
Ding De-sheng
[Abstract]The medium voltage motor drive system of an offshore platform oil and gas transportation system uses the medium voltage variable frequency drive produced by Schneider. Since the medium voltage inverter was put into operation in 2015， there has been basically no serious fault incident， but since the end of 2019， serious fault shutdown incidents have occurred successively， which caused the shutdown of the platform mixing pump， which led to the shutdown of oilfield production and seriously affected the normal operation of the oilfield. Safe Production. The basic structure， principle， cause analysis and preventive measures of major faults of the medium voltage inverter system are introduced. Regular maintenance reduces the failure rate of the medium voltage inverter， improves the stability of the oil field oil and gas transmission system， and ensures the normal production of the oil field.
[Keywords]oil-gas mixed transportation; medium voltage frequency converter; serious fault; prevention
1 ATV1200系列中压变频调速系统的结构及工作原理
1.1 变频调速器系统的结构
ATV1200系列中压变频调速系统采用功率单元串联技术解决器件耐压问题，多级串联PWM信号移相后叠加，减少了输出侧谐波、降低输出电压的dV/dT;通过电流多重化技术减少对电网反馈的谐波，减小对电网的谐波污染;主控制器采用数字信号处理器、可编程门阵列为核心，配合数据采集单元、单元控制器和光纤通信回路以及可编程逻辑控制器（PLC）构成控制系统。
ATV1200系列中压变频调速系统分成必选组件及可选组件。必选组件如图1所示。标准配置组件如下。
（1）变压器柜。装有移相整流变压器，为各个功率单元提供交流输入电压。
（2）功率柜。装有模块化设计的多个功率单元级联式的逆变主回路，向电机提供逆变后的可调电压。
（3）控制柜。装有主控部件，控制变频调速系统的工作并处理采集获得的数据，具备人机界面各类数据通信接口和现场控制系统接口功能。
1.2 变频调速系统的工作原理
ATV1200系列中压变频调速系统的结构如图2所示，由移相变压器、功率单元和控制器组成。6.3 kV系列有18个功率单元，每6个功率单元串联构成一相（图中每相只画了5个功率单元）;图2为6.3 kV系列变频器的典型结构图。
输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组。根据电压等级和单元串联级数，一般由24、30、36、48、54脉冲系列等构成多级移相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置。
另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。
每个功率单元结构上完全一致，可以互换（备件种类单一），其电路结构示意见图3，为基本的交—直—交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制。
参见图2和图3，输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dV/dT小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于普通电机。 2 重故障原因分析
混输泵A/B泵中压变频器从2015年投运至2019年底，期间没有出现过变频器重故障事件，一直运行较稳定。但从2019年底A/B泵中压变频器陆续出现重故障停机事件，查看报警记录均为“驱动故障/光纤故障”，更换相应的报警功率单元，故障消除，变频器能正常运行。因此可以确定均为功率单元故障导致变频器报“重故障”。变频器功率单元故障的可能原因如下。
（1）用户现场电网质量（包括电压波动、电网谐波;负载波动：重载启动、甩负载等）可能导致电网电压、电流突变等情况。
（2）用户现场环境存在滤网堵塞、风道不畅等散热异常情况，导致设备环境温度过高，导致功率单元电子元器件故障损坏。
（3）变频器在停机、待机后设备受潮，导致功率单元上电子元器件受潮腐蚀损坏。
（4）功率单元电气元器件自然老化及自身质量问题。
根据故障的可能原因逐一进行排查：
（1）对电网质量进行排查。使用专用测量仪器对电网电压进行监测检测，电网电压比较稳定、电网谐波在允许的范围内。同时甩开电机负载对变频器进行空载测试，检测功率单元的输入及不同频率下的输出电压，均正常。因此可以排除电网质量的问题。
（2）中压变频器安装在平台中层主配电间内，配电间内安装有4台10P的分体空调，使室内温度常年保持在28℃左右，湿度常年保持在26%左右，不存在变频器停机、待机环境潮湿设备受潮腐蚀问题。
（3）对变频器通风散热系统进行排查，变压器柜及功率模块柜的散热风机均正常，但是发现功率柜的进风口滤网积尘较多，造成滤网堵塞，从而使功率柜通风散热差，导致内部环境温度过高，功率单元长时间处于高温下运行，加速了内部电气元器件的老化，从而缩短电气元器件的使用寿命。检修人员随即对脏堵滤网进行了清洁，但是在滤网清洁后变频器仍有重故障停机事件。由于电气元器件的老化是不可逆现象，改善运行环境只能做到减缓失效发生的速度，无法避免故障的再次发生，这也解释了为什么在清洁进风口滤网后，变频器还是发生了重故障停机事件。如需彻底解决变频器重故障事件的再次发生，需要整体更换功率单元或对内部的单元控制板、驱动板进行更换。
3 故障预防措施
从现场使用情况及询问其他兄弟油田使用情况来看，施耐德ATV1200系列中壓变频器的故障率还是比较低的，很多故障是可以通过采取一定的措施来进行预防的。
3.1 人员培训及注意事项
（1）ATV1200系列中压变频器是一种技术含量较高的产品，需要对维护人员进行专业的培训工作。预防出现误操作导致设备损坏和人员伤亡事件。
（2）检测电机及动力电缆绝缘时，需要把动力电缆和变频器断开连接后再测量电机或动力电缆的绝缘，否则绝缘设备的高压会损坏变频器。
（3）定期检查变频器的接地情况，对损坏或松动的接地线要及时进行修复或紧固。
（4）变频器维护前需要断开主电源并隔离上锁，至少需要等待5min，待直流回路电容器充分放电后才能进行作业。
（5）变频器调试完成后已对相关参数进行设定，在运行中不能随意改变变频器的设定参数，如因故障检修等原因需改变参数设定时，需要专业技术人员来完成。
3.2 定期维护保养
3.2.1 变频器积尘处理及进风口滤网清洁
中压变频器对温度、湿度、粉尘的要求相对较高，需要根据变频器的实际运行状况做好变频器的积尘处理。变频器的绝缘间隙允许有少量干燥的尘埃，但必须避免导电性尘埃的出现。在变频器维护过程中，可以选择洁净、干燥的布擦拭柜子的所有表面。并定期把功率单元模块进行拆卸，使用洁净电器清洁器对内部电路板及元器件进行深度清洁。
变频器各柜体的滤网应每半个月左右清洁一次，保证功率单元的良好通风与散热。此时间可根据现场环境情况做适当调整。
3.2.2 更换功率单元的电容板
由于电容使用寿命都有一定周期，厂家建议运行6～8年左右需要对功率单元内部电容板进行更换。油田故障功率单元模块送回厂家进行维修检测时，发现电容板电容值都有不同程度的下降，需要做好年度维修计划更换电容板。
3.2.3 冷却风扇的维护及更换
对于空冷型变频器需要定期对柜体冷却风扇进行维护保养，对于可维护的风机根据相关规范定期更换风机的轴承，对于免维护的风机根据维护手册及相关规范定期更换新风机，从而保证变频器的稳定可靠运行。
4 结束语
油田混输泵变频器发生重故障停机事件后，能快速查找出故障点，并采取有效的措施进行处理，是提高设备运行效率的关键，更重要的是保证油田的正常安全生产，减少停产损失。这对变频器维护人员提出了更高的要求，因此需要加强变频器维护人员的培训，让他们掌握中压变频器的工作原理、结构及维护检修过程中的注意事项。此外还需要为变频器创造良好的运行环境，避免变频器在高温、高湿度及粉尘聚集的环境下运行，保证变频器稳定高效的运行。
参考文献
[1] 仲明振，赵相宾高压变频器应用手册[M].北京：机械工业出版社，2009.